原子結(jié)構(gòu)與元素周期律

關(guān)于原子結(jié)構(gòu)與元素周期律第1頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章學(xué)習(xí)要求1．了解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征、波函數(shù)與原子軌道、概率密度與電子云、原子軌道和電子云角度分布圖等基本概念；2．掌握四個(gè)量子數(shù)的物理意義、相互關(guān)系及合理組合；3．掌握單電子原子、多電子原子的軌道能級(jí)和核外電子排布規(guī)律，熟練寫(xiě)出第四周期以內(nèi)元素原子的核外電子排布式；4．掌握原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系,了解元素基本性質(zhì)的變化規(guī)律；第2頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)結(jié)構(gòu)概述物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是要回答：物質(zhì)的構(gòu)成?物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次：

物質(zhì)分子原子原子是由原子核和電子組成的，通常在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，原子核并不發(fā)生變化，變化的只是電子，所以講物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是講電子是如何運(yùn)動(dòng)的。第3頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氫原子光譜與Bohr理論Bohr理論假設(shè)：(1)核外電子只能沿著一定能量的軌道(穩(wěn)定軌道)運(yùn)動(dòng)(2)通常，電子只有從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，才有能量的吸收或放出。處在離核最近的軌道上，能量最低——基態(tài)；原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于——激發(fā)態(tài)第4頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Bohr理論把宏觀的牛頓經(jīng)典力學(xué)用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)必須遵循特有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特征，即能量量子化。第5頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一

原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電子的波粒二象性(電子衍射實(shí)驗(yàn))1927年，Davisson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行的電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子具有波動(dòng)性。將一束電子流經(jīng)過(guò)一定的電壓加速后通過(guò)金屬單晶，象單色光通過(guò)小圓孔一樣發(fā)生衍射現(xiàn)象，在感光底片上，得到一系列明暗相間的衍射環(huán)紋。第6頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微觀粒子的主要運(yùn)動(dòng)特征是波粒二象性。微觀粒子與宏觀物體的不同之處在于宏觀物體可以用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)時(shí)的具體位置和速度。但是微觀粒子遵循測(cè)不準(zhǔn)原則，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定其位置和動(dòng)量。對(duì)于在原子核外運(yùn)動(dòng)的電子，雖然無(wú)法在某一時(shí)刻準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其具體位置，但可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法描述在核外出現(xiàn)的頻率。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律須用量子力學(xué)來(lái)描述，它的基本方程是Schr?dinger方程。2. 波函數(shù)及原子軌道第8頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Schr?dinger方程－量子力學(xué)中描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即原子軌道

(x,y,z)波函數(shù)，x,y,z為微粒的空間坐標(biāo)

E－軌道總能量(動(dòng)能與勢(shì)能總和)m－

微粒質(zhì)量，h－

普朗克常數(shù)第9頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直角坐標(biāo)與球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

(x,y,z)(r,,)(x,y,z)=(r,,)=R(r)Y(,)第10頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薛定諤方程解的形式求解薛定諤方程，就是要求出其中的E和為了得到電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的解，必須引用只能取某些整數(shù)值的三個(gè)參數(shù)，就是量子數(shù)。主量子數(shù)n，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)m第11頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月s、p軌道角度部分剖面圖zx+px－zy－+pypz－zx+zx+s波函數(shù)的角度分布圖第12頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月d軌道++－－yxdxy++－－zydyz++－－zxdxz－++－dx2－y2yx－+－+dz2zx四花瓣形第13頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會(huì)稱為概率。在某單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率稱為概率密度。一般認(rèn)為，波函數(shù)ψ表示電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則|ψ|2表示電子在原子內(nèi)的某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率密度。3. 概率(幾率)密度與電子云(1)具有波動(dòng)性的微觀粒子不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，遵循測(cè)不準(zhǔn)原則，故對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能采用統(tǒng)計(jì)的方法，做出幾率性的判斷。第14頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同運(yùn)動(dòng)的描述方式宏觀物體機(jī)械波微觀粒子粒子性波動(dòng)性波粒二象性可準(zhǔn)確確定位置和速度波函數(shù)，可描述波在空間的分布情況概率波函數(shù)，少數(shù)粒子表現(xiàn)出粒子性，大量粒子表現(xiàn)出波動(dòng)性勻速運(yùn)動(dòng)的物體第15頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月波函數(shù)的物理意義Ψ2：原子核外出現(xiàn)電子的概率密度。電子云是電子出現(xiàn)概率密度的形象化描述。第16頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種狀態(tài)的電子云的分布形狀第17頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微觀粒子運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律有以下特點(diǎn)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)具有波粒二象性，其運(yùn)動(dòng)的不確定性決定了電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要用波函數(shù)來(lái)描述，并用四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定。波函數(shù)ψ可以描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，電子在核外出現(xiàn)的概率密度可以用圖形來(lái)描述。不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子有不同的波函數(shù)，其圖形也不同。波函數(shù)ψ又稱為原子軌道。而電子云則是|ψ|2的形象化描述，是電子在空間出現(xiàn)的概率密度分布的形象化表示。波函數(shù)表示的原子軌道的圖像有正負(fù)之分，而電子云的圖像則沒(méi)有。第18頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m。另外，還有一個(gè)自旋量子數(shù)ms。用這些量子數(shù)可以表示原子軌道或電子云離核的遠(yuǎn)近、形狀、在空間的伸展方向以及電子的自旋狀態(tài)，各量子數(shù)必須符合一定的條件。4. 四個(gè)量子數(shù)第19頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1) 主量子數(shù)n１與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n；２不同的n值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層：

取值：１２３４５……..對(duì)應(yīng)：KLMNO……...物理意義：①描述電子層(能層)

②描述電子離核遠(yuǎn)近

③n是決定電子能量的主要因素第20頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2) 角量子數(shù)l物理意義：①描述原子軌道或電子云形狀；②表示同一電子層中具有不同的亞層；③在多電子原子中，確定能量的次要因素。取值:0，1，2，···，(n-1)第21頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于給定的主量子數(shù)n，可能有n個(gè)不相同的角量子數(shù)l，這些l值表示在同一電子層中不同狀態(tài)的分層，也叫亞層。主量子數(shù)n與角量子數(shù)l的關(guān)系 n12345l的取值00,10,1,20,1,2,30,1,2,3,4第22頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月l0123亞層spdf電子云形狀球?qū)ΨQ啞鈴形四花瓣形復(fù)雜各電子層的亞層數(shù)=電子層的n值第23頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

角量子數(shù)與波函數(shù)的角度部分有關(guān)，它決定了電子在空間的角度分布情況，也決定了電子云的形狀。當(dāng)l=0時(shí)的s軌道，其電子云的形狀是呈球形的，是對(duì)稱的，電子的運(yùn)動(dòng)狀況與角度無(wú)關(guān)；當(dāng)l=1時(shí)的p軌道，其電子云呈啞鈴形，是不對(duì)稱的，電子的運(yùn)動(dòng)狀況與角度有關(guān)；當(dāng)l=2時(shí)的d軌道，其電子云呈花瓣形，是不對(duì)稱的，電子的運(yùn)動(dòng)狀況與角度有關(guān)。第24頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能量相同，處于同一能級(jí)的軌道,稱為等價(jià)軌道(簡(jiǎn)并軌道)。多電子原子中，軌道能量由n、l

共同決定。

單電子原子：Ens=Enp=End=Enf多電子原子：Ens<Enp<End<Enf第25頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3) 磁量子數(shù)m取值:0、±1、±2···±l共2l+1個(gè)值物理意義：描述同一亞層的原子軌道(電子云)的伸展方向。如2p軌道（n=2，l=1）在空間有三種不同的取向。第26頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同一亞層中，有幾個(gè)不同的m值,就有幾條原子軌道。zyx即每一種m的取值，對(duì)應(yīng)一種空間取向。第27頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

n

1

2

3

l

0

0

10

1

2

m

0

0

0±10

0±1

0

±1±2軌道1s2s2pz2px2py3s3pz3px3py3dz23dyz3dzx3dxy3dx2-y2電子數(shù)

2

2+6=8

2+6+10=18第28頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

所以，n，l，m三者共同決定電子云所處的位置離核的遠(yuǎn)近，能量的高低，電子云的形狀和伸展方向。例如，n=3，l=1，m=0所表示的3p原子軌道位于第三層，呈啞鈴形，電子云沿z軸方向伸展的軌道。第29頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此，每一原子軌道上最多能容納2個(gè)電子。

原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以由n，l，m，ms四個(gè)量子數(shù)共同描述。四個(gè)量子數(shù)確定以后，電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也隨之確定。4) 自旋量子數(shù)msms物理意義：描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)。

取值：+1/2，-1/2通常用“”和“”表示。第30頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由量子數(shù)的制約條件可以發(fā)現(xiàn)，每一電子層離核遠(yuǎn)近不同，能量不同，每一電子層又有不同的亞層，不同亞層中有若干個(gè)不同的伸展方向的原子軌道。每一原子軌道中的電子可能處于不同的自旋狀態(tài)。因此，各層電子可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)確定。四個(gè)量子數(shù)、電子層、電子亞層、各層容納的電子數(shù)之間的關(guān)系匯列在表中。第31頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第32頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例: 某一多電子原子，試討論在其第三層電子層中：亞層數(shù)是多少？并用符號(hào)表示各亞層；

各亞層上的軌道數(shù)是多少？該電子層上軌道總數(shù)是多少？

哪些是等價(jià)軌道？第34頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鮑林（Pauling）近似能級(jí)圖5. 多電子原子軌道能級(jí)第35頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月▲主量子數(shù)n和角量子數(shù)均不相同時(shí)，出現(xiàn)“能級(jí)交錯(cuò)”現(xiàn)象E4s<E3d<E4p......

。

由圖可見(jiàn)：▲角量子數(shù)相同，能級(jí)能量隨主量子數(shù)的增大而升高，即E1s<E2s<E3s<E4s......?！髁孔訑?shù)相同，能級(jí)能量隨角量子數(shù)l的增大而升高，即Ens<Enp<End<Enf......。核外電子排布規(guī)律第36頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)

Pauli不相容原理:在同一原子中沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。于是每個(gè)原子軌道中只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。每個(gè)電子層可以容納2n2個(gè)電子。

(1)最低能量原理：在不違反Pauli不相容原理的前提下,電子總是盡先占據(jù)能量最低的軌道（ns<(n-2)f<(n-1)d<np），使原子的能量處于最低狀態(tài)。二

原子中電子的排布第37頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)

Hund規(guī)則：在等價(jià)軌道上，電子總是盡可能以自旋相同的方向分占不同的軌道。

Hund規(guī)則的特例：在等價(jià)軌道上，電子處于全充滿(p6

、d10、f14)半充滿(p3

、d5

、f7)和全空(p0

、d0

、f0)時(shí)原子能量較低，體系較穩(wěn)定。第38頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月將原子核外電子按上述順序排布后，再按軌道電子從內(nèi)層到外層寫(xiě)出。即為原子的電子結(jié)構(gòu)式或電子排布式（電子組態(tài)）。如Mn:1s22s22p63s23p63d54s2電子填充順序?yàn)椋?s，2s2p，3s3p,4s3d4p，5s4d5p，6s4f5d6p···第39頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1：碳原子6C的電子排布為1s22s22p2，此時(shí)軌道上的電子排布。24Cr：1s22s22p63s23p63d54s129Cu：1s22s22p63s23p63d104s1例2：24Cr和29Cu的電子排布:第40頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月此外，為方便起見(jiàn)，將24Cr寫(xiě)成〔Ar〕3d54s1，29Cu寫(xiě)成〔Ar〕3d104s1,這是由于〔Ar〕表示24Cr中的原子內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)與Ar這種稀有氣體的原子結(jié)構(gòu)一樣，稱之為原子芯。如11Na：1s22s22p63s1，可以寫(xiě)成11Na:〔Ne〕3s137Rb：1s22s22p63s23p63d104s24p65s1，可以寫(xiě)成37Rb：〔Kr〕5s1第41頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

上述三條原則是對(duì)原子核外電子排布的一種理論約定，后來(lái)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)它們符合量子力學(xué)的原理。運(yùn)用上述三條原理對(duì)1～109號(hào)原子中的核外電子進(jìn)行排布，其中絕大多數(shù)與光譜實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)一致。第42頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月元素原子的電子層結(jié)構(gòu)呈周期性變化，導(dǎo)致元素性質(zhì)周期性變化,這就是元素周期律。周期的劃分與能級(jí)組的劃分完全一致，每個(gè)能級(jí)組都獨(dú)自對(duì)應(yīng)一個(gè)周期。共有七個(gè)能級(jí)組，所以共有七個(gè)周期。1. 元素周期律2. 元素的周期三

原子核外電子排布與元素周期律第44頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月周期的劃分和軌道能級(jí)組的關(guān)系周期數(shù)原子

序數(shù)元素?cái)?shù)目最高能級(jí)組最大電子容量11~221s第一能級(jí)組223~1082s,2p第二能級(jí)組8311~1883s,3p第三能級(jí)組8419~36184s,3d,4p第四能級(jí)組18537~54185s,4d,5p第五能級(jí)組18655~86326s,4f,4d,6p第六能級(jí)組32787~109(未完)237s,5f,5d,7p第七能級(jí)組32第45頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月族主族(IA------VIIA,0)原子最后一個(gè)電子填外層ns、np軌道副族(IIIB------IIB,IB)最后一個(gè)電子填在(n-1)d或(n-2)f軌道上2)元素的族1)周期數(shù)＝元素電子層數(shù)＝能級(jí)組中最高主量子數(shù)元素周期系第46頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1SHHe235673S4S5S6S7S3d4d5d2p3p4p5p6p4f5f4)元素的區(qū)元素周期系s區(qū)p區(qū)d區(qū)ds區(qū)2Sf區(qū)第47頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月習(xí)題：P1244、7、9第48頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1有效核電荷數(shù)2原子半徑r3電離能 I4電子親和能Y5電負(fù)性x四

元素性質(zhì)的周期性第49頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

屏蔽效應(yīng)在多電子原子中，每個(gè)電子不僅受到原子核的吸引，而且還受到其他電子的排斥。

采用一種近似的處理方法，把其余電子對(duì)某個(gè)指定電子的排斥作用簡(jiǎn)單地看成是它們抵消了一部分核電荷。這種將其他電子對(duì)某個(gè)指定電子的排斥作用歸結(jié)為對(duì)核電荷的抵消作用稱為屏蔽效應(yīng)。第50頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1有效核電荷數(shù)同一周期主族元素，從左到右，隨著核電荷的增加，最外層電子逐一增加。由于增加的電子都在同一層上，彼此間的屏蔽作用較小,使有效核電荷數(shù)依次顯著增加。第51頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2 原子半徑

共價(jià)半徑同種元素的兩個(gè)原子，以共價(jià)單鍵相連時(shí)，核間距的一半，為共價(jià)半徑。d核間距為d，共價(jià)半徑r共=

金屬半徑

金屬晶體中，金屬原子被視為剛性球體，彼此相切，其核間距的一半，為金屬半徑。第52頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

vandeWaals半徑

在分子晶體中，分子間以范德華力相結(jié)合，這時(shí)相鄰分子間兩個(gè)非鍵結(jié)合的同種原子，其核間距離的一半，稱為該原子的范德華半徑。AA’CO2CO2第53頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子半徑的遞變規(guī)律①同一主族，從上到下原子半徑逐漸增大②同一副族從上到下變化幅度小，第五、六周期元素的原子半徑非常接近。③同一周期中：長(zhǎng)周期過(guò)渡元素：從左到右原子半徑減小程度不大。短周期：從左到右原子半徑逐漸減小

變化幅度較大。第54頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ⅠA0H32He93Li123Be89B82C77N70O66F64Ne112Na154Mg136Al118Si117P110S104Cl99Ar154K203Ca174Sc144Ti132V122Cr118Mn117Fe117Co116Ni115Cu117Zn125Ga126Ge122As121Se117Br114Kr169Rb216Sr191Y162Zr145Nb134Mo130Tc127Ru125Rh125Pd128Ag134Cd148In144Sn140Sb141Te137I133Xe190Cs235Ba198La169Hf144Ta134W130Re128Os126Ir127Pt130Au134Hg144Tl148Pb147Bi146Po146At145Rn220原子半徑ⅡAⅢBⅣB

ⅤBⅥB ⅦB ⅧⅠB ⅡBⅢA ⅣA ⅤAⅥA ⅦA第55頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子半徑的遞變規(guī)律第56頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子填入外數(shù)第三層上，對(duì)外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的有效核電荷數(shù)

增加的影響更小。鑭系元素從鑭到鐿整個(gè)系列的原子半徑減小不明顯的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。第57頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第一電離能（I1）：A(g)-e—A+(g)

第二電離能：由氣態(tài)+1價(jià)離子再失去一個(gè)電子成為+2價(jià)離子所需的能量I1<I2<I3

電離能越小，說(shuō)明原子在氣態(tài)時(shí)越易失去電子，金屬性越強(qiáng)。Mg（g）-e—Mg+（g）I1=738kJ·mol-1

氣態(tài)原子在基態(tài)時(shí)失去一個(gè)電子成為+1價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子時(shí)所需的能