無(wú)機(jī)化學(xué)Lect原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

無(wú)機(jī)化學(xué)Lect原子結(jié)構(gòu)和元素周期律第一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日教學(xué)內(nèi)容和要求§5-1原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(2h)§5-2核外電子的排布和元素周期系（1h)§5-3元素的性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系（2h)1、掌握：核外電子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述及四個(gè)量子數(shù)的基本概念；核外電子的排布。2、熟悉微觀粒子及其運(yùn)動(dòng)的特性、多電子原子的能級(jí)、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表及元素基本性質(zhì)的周期性。3、了解元素游離原子的某些重要性質(zhì)（如原子半徑、電離能、電子親和能、電負(fù)性）與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日§5-1原子核外電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)5.1.1氫原子光譜5.1.2Bohr氫原子理論5.1.3核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性5.1.4海森堡不確定原理(TheUncertainityprinciple)5.1.5量子力學(xué)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述第三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.1氫原子光譜連續(xù)光譜(continuousspectrum)線狀光譜(原子光譜)(linespectrum)氫原子光譜（原子發(fā)射光譜）第四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日連續(xù)光譜將包含不同波長(zhǎng)的復(fù)合光（如太陽(yáng)光）通過(guò)棱鏡后，不同波長(zhǎng)的光就將以不同的角度折射，從而形成按波長(zhǎng)大小順序有規(guī)律連續(xù)分布的光譜（由赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫連續(xù)排列的色帶，如同天空的彩虹一樣），我們把這種有規(guī)律連續(xù)分布的光譜稱為連續(xù)光譜，又稱帶狀光譜。第五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日原子的光譜電致發(fā)光：在抽成真空的放電管中充入少量氣體（如氫氣），通過(guò)高壓放電，可觀測(cè)到原子的發(fā)光現(xiàn)象。熱致發(fā)光：將堿金屬化合物在火焰上加熱，也會(huì)觀測(cè)到堿金屬的發(fā)光現(xiàn)象。氫氣氦氣含鋰化合物含鈉化合物含鉀化合物第六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日原子光譜與光譜分析法元素原子激發(fā)后產(chǎn)生的光譜又稱原子光譜，原子光譜都是線狀光譜。每種元素的原子都有其特征的線狀光譜，因此誕生了分析化學(xué)中的一種重要分析方法：光譜分析法。

氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)射光譜第七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日氫原子光譜（原子發(fā)射光譜）氫光譜是所有元素的光譜中最簡(jiǎn)單的光譜。真空管中含少量H2(g)，高壓放電，發(fā)出玫瑰紅色的紫外光、可見(jiàn)光和紅外光→三棱鏡→不連續(xù)線狀光譜，氫原子光譜第一個(gè)特點(diǎn)。第八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日描述氫原子發(fā)射光譜的經(jīng)驗(yàn)公式1885年，瑞士數(shù)學(xué)家J.J.Balmer

(巴爾麥，1825-1898)發(fā)現(xiàn)，譜線波長(zhǎng)λ與編號(hào)n

(

n為大于2的正整數(shù))之間存在如下經(jīng)驗(yàn)方程：（第二個(gè)特點(diǎn)，即規(guī)律性）n=2，3，4，5時(shí)分別得到H、H、H和H。1888年瑞典物理學(xué)家里德堡(J.R.Rydberg，1854-1919)把巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行改寫，里德堡常數(shù)ＲH=1.09677576×107m-1。波數(shù),wavenumber第九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日n1=1得到氫的紫外光譜稱來(lái)曼(Lyman)線系。n1=2得到可見(jiàn)光譜的譜線稱巴爾麥(Balmer)線系n1=3，4，5得到氫的紅外光譜帕遜(Paschen)線系、Bracket線系、Pfund線系氫的紅外光譜和紫外光譜的譜線也符合里德堡方程第十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程引發(fā)了一股研究各種元素的光譜的熱潮，但人們發(fā)現(xiàn)，只有氫光譜(以及類氫原子光譜)有這種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。類氫原子是指He+、Li2+等原子核外只有一個(gè)電子的離子。里德堡把巴爾麥的方程作了改寫大大促進(jìn)了揭示隱藏在這一規(guī)律后面的本質(zhì)，這是科學(xué)史上形式與內(nèi)容的關(guān)系的一個(gè)典型例子。尋找表達(dá)客觀規(guī)律的恰當(dāng)形式是一種重要的科學(xué)思維方法。第十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日經(jīng)典電磁理論不能解釋氫原子光譜經(jīng)典電磁理論：電子繞核作高速圓周運(yùn)動(dòng)，原子不斷發(fā)出連續(xù)電磁波→連續(xù)光譜，電子能量↓→墜入原子核→原子湮滅。事實(shí)：氫原子光譜是線狀光譜而不是連續(xù)光譜；原子沒(méi)有湮滅。－第十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.2玻爾氫原子理論1913年28歲的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時(shí)最新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)：普朗克量子論(1900)愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)(1905)盧瑟福原子帶核模型(1911)——上述三者的基礎(chǔ)上建立了氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)模型，解釋了氫原子光譜，后人稱為玻爾理論。NielsBohr,1885-1962,NobelPrizeinPhysics(1922)第十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日普朗克量子論普朗克量子概念假定：對(duì)于一定頻率υ的輻射，物體只能以hυ為單位吸收或發(fā)射它，h為Planck常數(shù)。h＝6.62559×10-34J·S物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以量子(Quantum，能量的最小單位)的方式進(jìn)行，每個(gè)量子的能量為（Planck方程）：能量是一份一份不連續(xù)的能量最小的單位是量子物質(zhì)吸收和發(fā)射的能量總是量子的整數(shù)倍

MaxPlanck(1858-1947)in1918,theyearhereceivedtheNobelPrizeinPhysicsforhisworkonquantumtheory第十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)在光的作用下電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出的電子稱光電子。從1887年Hertz到1904年Milikan，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律逐步揭露出來(lái)，但經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋以下特征：A、對(duì)一定金屬做成的電極，有一確定的臨界頻率，當(dāng)照射光頻率<0時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)度多大，都沒(méi)有光電子從電極逸出。B、每個(gè)光電子的能量只與照射光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。光強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)度。C、當(dāng)入射光頻率>0時(shí)，不管光多微弱，只要照上幾乎立刻測(cè)到光電子。第十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)為了說(shuō)明光電效應(yīng)中碰到的疑難，A.Einstein于1905年提出了光量子(lightquantum)概念。他認(rèn)為：光是電磁波的一種，具有波粒二相性；一束光是由具有粒子特征的光量子(光子)組成的；每個(gè)光子的能量E與光的頻率υ成正比，即：E=h他還根據(jù)他提出的相對(duì)論中給出的光動(dòng)量和能量關(guān)系：

P=E/c(c為光速，c=)提出光子的動(dòng)量與輻射的波長(zhǎng)λ有下列關(guān)系：P=h/第十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日盧瑟福的行星式原子模型1911年，英國(guó)物理學(xué)家E.Rutherford的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了原子中帶正電的原子核只是一個(gè)體積極小、質(zhì)量大的核，核外電子受原子核的作用而在核外圍空間運(yùn)動(dòng)，就像太陽(yáng)系中的行星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣，稱為行星式原子模型。要點(diǎn)如下：1所有原子都有一個(gè)核即原子核。2核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分。3原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在核上。4電子象行星繞太陽(yáng)那樣繞核運(yùn)動(dòng)。第十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日玻爾氫原子理論的要點(diǎn)1、定態(tài)假設(shè)假定氫原子的核外電子只能在有確定半徑和能量的特定軌道上運(yùn)動(dòng)，電子在這些軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，既不吸收能量，也不輻射能量，具有一定的、不變的能量，這種狀態(tài)被稱為定態(tài)。定態(tài)假設(shè)為解釋原子能夠穩(wěn)定存在所必需。原子軌道不同能量狀態(tài)稱為能級(jí)?；鶓B(tài)：能量最低的定態(tài)叫做基態(tài)。通常原子所處的能量最低的狀態(tài)，電子在離核較近、能量較低的軌道上運(yùn)動(dòng)。激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。原子中電子處于離核較遠(yuǎn)能量較高軌道上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。第十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日玻爾氫原子理論的要點(diǎn)2、量子化條件

玻爾假定，氫原子核外電子的軌道不是連續(xù)的，而是分立的，在軌道上運(yùn)行的電子具有一定的角動(dòng)量（L=mvr，其中m電子質(zhì)量，v電子線速度，r電子線性軌道的半徑），只能按下式取值：正整數(shù)n為量子數(shù)。這一要點(diǎn)稱為量子化條件。軌道角動(dòng)量的量子化意味著軌道半徑受量子化條件的制約。量子化條件是違背經(jīng)典力學(xué)的，是他受到普朗克量子論和愛(ài)因斯坦光子論的啟發(fā)提出來(lái)的。是玻爾為了解釋氫原子光譜提出它的模型所作的突破性假設(shè)。第十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日軌道半徑和能量軌道能量:軌道半徑:第二十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日玻爾氫原子理論要點(diǎn)3:躍遷規(guī)則電子可在不同的定態(tài)軌道間躍遷，在這過(guò)程中吸收一定的輻射或以光的形式放出能量，吸收或輻射出光子能量的多少為躍遷前后兩個(gè)能級(jí)的能量之差，這就是躍遷規(guī)則。該能量差與躍遷過(guò)程產(chǎn)生的光子的頻率成正比：ΔE=E2

－

E1=hν

第二十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日玻爾理論的合理與不足

解釋了H

及He+、Li2+、Be3+

的原子光譜WavetypeHαHβHγHδCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2

說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象（如Ｘ光的形成）也能解釋計(jì)算氫原子的電離能不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂不能解釋多電子原子的光譜波爾理論的不足之處第二十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.3核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性認(rèn)為光兼具粒子性和波動(dòng)性兩重性。光子的動(dòng)量P(表征微粒性)與光的波長(zhǎng)()(表征波動(dòng)性)成反比(P=mc，E=mc2，m是光子的質(zhì)量，c是光速)：P=h/光的波粒二象性的數(shù)學(xué)表達(dá)式表明，光既是連續(xù)的波，又是不連續(xù)的粒子流。第二十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日實(shí)物粒子的波粒二象性(1924)1924年，年輕的法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出實(shí)物粒子具有波粒二象性。他說(shuō)：“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在光學(xué)上，比起波動(dòng)的研究方法，是過(guò)分忽略了粒子的研究方法；在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？我們是不是把粒子圖象想得太多，而過(guò)分地忽略了波的圖象？”他提出：電子、質(zhì)子、中子、原子、分子、離子等實(shí)物粒子的波長(zhǎng)

=h/p=h/mv(德布羅意關(guān)系式)m:質(zhì)量，v:運(yùn)動(dòng)速度波粒二象性是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)顯著特點(diǎn)。LouisdeBroglie,1892-1987,NobelPrizeinPhysics(1929)第二十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性(1927)

1927年，C.J.Davisson（戴維遜）和L.H.Germer（革末）的電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性——電子衍射圖是電子“波”互相干涉的結(jié)果，證實(shí)了deBroglie的預(yù)言。LesterGermer(right)withClintonJosephDavisson(1937Nobelwinner)(left)in1927第二十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.4海森堡不確定原理(1927)微觀粒子不同于宏觀物體，它們的運(yùn)動(dòng)是無(wú)軌跡的，即在一確定的時(shí)間沒(méi)有一確定的位置。這可以用海森堡不確定原理來(lái)說(shuō)明：對(duì)于一個(gè)物體的動(dòng)量(p=mv)的測(cè)量的偏差(p或mv)和對(duì)該物體的位置(x)的測(cè)量偏差(x)的乘積處于普朗克常數(shù)的數(shù)量級(jí)，即：(x)·(p)≥h/4＝5.273×10-35kg·m2·s-1或v≧h/4mx顯然，x,則p;x

,則p

;經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為:x

和p

可以同時(shí)很小。重要暗示——不可能存在Rutherford

和Bohr

模型中行星繞太陽(yáng)那樣的電子軌道不確定原理是微觀粒子第二個(gè)顯著運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)Heisenberg(Germanphysicist,1901-1976),NobelPrizeinPhysics(1932)第二十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日例1.對(duì)于m=10g的子彈，它的位置可精確到x

＝0.04cm，其速度測(cè)不準(zhǔn)情況為：v≧h/4mx=6.62610-34/(43.1410

10-3

0.0410-2

)=5.2710-29m.s-1例2.微觀粒子電子

m=9.1110-31kg,半徑

r=10-18m，則x至少要達(dá)到10-19

m才相對(duì)準(zhǔn)確，則其速度測(cè)不準(zhǔn)為：v≧h/4mx

=6.62610-34/(43.149.1110-31

10-19

)=5.291014m.s-1第二十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日玻爾理論得出的氫原子的基態(tài)電子：核外電子的玻爾半徑是52.93pm;

運(yùn)動(dòng)速度為2.187×106m/s。例如：已知電子的質(zhì)量為9.1×10-31kg，假設(shè)我們對(duì)電子速度的測(cè)量準(zhǔn)確量v=104m/s時(shí)，即：

(mv)=9.1×10-31×104kg·m/s

=9.1×10-27kg·m/s這樣，電子的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的測(cè)量偏差就會(huì)大到:x=5.273×10-35kg·m2·s-1÷9.1×10-27kg·m/s=5795×10-12m=5795pm第二十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日對(duì)于不能同時(shí)確定其位置與時(shí)間的事物，需要換一種描述方式，即用“概率”來(lái)描述。許多宏觀事物也需要用幾率才能描述。例如，一個(gè)技術(shù)穩(wěn)定的射箭選手，我們并不能肯定他射出的第幾根箭會(huì)射中靶心，但可以給出這根箭射中靶心的百分率，也就是概率。我們不可能得知他射出100根箭時(shí)每一根箭落在哪里，但是，若在他射完100根箭后，可以得到無(wú)須記錄射箭時(shí)序的幾率分布圖。描述核外電子不用軌跡，也無(wú)法確定它的軌跡，但可以用概率，用電子出現(xiàn)在核外空間各點(diǎn)的概率分布圖來(lái)描述。第三十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.5量子力學(xué)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1、薛定諤方程：波函數(shù)、原子軌道與四個(gè)量子數(shù)2、波函數(shù)圖形：波函數(shù)的徑向部分和角度部分3、概率密度、電子云及電子云分布圖量子力學(xué)(波動(dòng)力學(xué))模型是迄今最成功的原子結(jié)構(gòu)模型,它是1920年以海森堡(HeisenbergW)和薛定鍔(SchrodingerE)為代表的科學(xué)家們通過(guò)數(shù)學(xué)方法處理原子中電子的波動(dòng)性而建立起來(lái)的。該模型不但能夠預(yù)言氫的發(fā)射光譜(包括玻爾模型無(wú)法解釋的譜線)，而且也適用于多電子原子,從而更合理地說(shuō)明核外電子的排布方式.第三十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、薛定諤方程(1926)自變量：核外電子的坐標(biāo)（直角坐標(biāo)x，y，z或者極坐標(biāo)r，θ，)，因變量是電子波的振幅（）。對(duì)氫原子而言，E是體系的總能量，等于勢(shì)能與動(dòng)能之和；V是勢(shì)能；m是電子質(zhì)量；h是Planck常數(shù)；

為波函數(shù)，是描述原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，是空間坐標(biāo)x，y，z或者r，θ，的函數(shù)，是該薛定諤方程的解，其物理意義由波函數(shù)絕對(duì)值的平方||2體現(xiàn)，即在核外空間某點(diǎn)附近單位微體積內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。。第三十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日(1).坐標(biāo)變換在解薛定諤方程的過(guò)程中，要設(shè)法使3個(gè)自變量分離，但在直角坐標(biāo)系中，r=(x2+y2+z2)1/2，無(wú)法使x、y、z分開；因此，必須作坐標(biāo)變換，即：直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x,y,z)→球坐標(biāo)系坐標(biāo)(r,,)(x,y,z)(r,,)M(x,y,z)OM’第三十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2).3個(gè)量子數(shù)(n、l、ml)和波函數(shù)薛定諤方程（1.15）的數(shù)學(xué)解很多，但只有少數(shù)數(shù)學(xué)解是符合電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的合理解。在求合理解的過(guò)程中，引入了3個(gè)參數(shù)（量子數(shù)）n、l、m，于是波函數(shù)

(r,

,

)具有3個(gè)參數(shù)和3個(gè)自變量，寫為：

(r,,)

n,l,m

(r,,)量子數(shù)n、l、m的意義：每一組允許的n、l、m值對(duì)應(yīng)一個(gè)合理的→核外電子運(yùn)動(dòng)的一種空間狀態(tài)

→由對(duì)應(yīng)的特定波函數(shù)n,l,m（r,,）表示→有對(duì)應(yīng)的能量En,l第三十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3).四個(gè)量子數(shù)n、l、m和ms的意義A.主量子數(shù)n(principalquantumnumber)n=1,2,3,4…正整數(shù)。1.確定電子出現(xiàn)最大概率區(qū)域離核的平均距離。n↑，則平均距離↑。2.在單電子原子中，n決定電子的能量(eV)：En=-13.6Z2/n2

在多電子原子中，n與l一起決定電子的能量(eV):

En,l=-13.6(Z*)2/n2（Z*與n、l有關(guān)）

3.確定電子（殼）層（n相同的電子屬同一電子層）:

n1234567

電子層KLMNOPQ第三十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日B.角量子數(shù)l

(軌道角動(dòng)量量子數(shù))對(duì)每個(gè)n值

:l=0,1,2,3…n-1，共有

n個(gè)值.1.確定波函數(shù)(原子軌道)和電子云在空間的角度分布情況（形狀）；2.在多電子原子中n與l一起決定電子的能量；3.確定電子亞層(下圖)：l

0

1

2

34

電子亞層：spdfg4.決定電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量的大小.球形s

軌道啞鈴形(雙紡錘形)p

軌道d軌道有兩種形狀：多紡錘形第三十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日C.磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)m值決定在外磁場(chǎng)作用下，電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量的大小，反映了波函數(shù)(原子軌道)或電子云在空間的伸展方向或不同取向。對(duì)每個(gè)l值，m=0,±1,±2,…±l，共有“2l+1”個(gè)值，這些取值表示電子亞層中的電子有2l+1個(gè)取向，每一個(gè)取向相當(dāng)于一個(gè)軌道。

當(dāng)l=0時(shí)，m=0，即只有一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，s軌道一種。

當(dāng)l=1時(shí)，m=0,1-1，

即有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，p軌道三種。

當(dāng)l=2時(shí)，m=-2,-1,0,1,2，即有五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，d軌道五種。l值相同的軌道稱簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道，對(duì)氫原子而言，主量子數(shù)相同的軌道即為簡(jiǎn)并軌道。第三十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日d軌道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m五種取值,空間五種取向,五條等價(jià)

d

軌道.s

軌道(l=0,m=0):

m一種取值,空間一種取向,一條s

軌道.

p

軌道(l=1,m=+1,0,-1)：m三種取值,三種取向,三條等價(jià)p

軌道.第三十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/5/3138

f軌道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m七種取值,空間七種取向,七條等價(jià)(簡(jiǎn)并)f

軌道.

f軌道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m七種取值,空間七種取向,七條等價(jià)(簡(jiǎn)并)f

軌道.第三十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日量子數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖：第四十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/5/3140D.自旋量子數(shù)ms(spinquantumnumber)

ms=1/2，表示同一軌道(n,l,m(

r,,))中電子的二種自旋狀態(tài)，用↑和↓表示。同一軌道只能容納兩個(gè)自旋相反的電子。第四十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日綜上所述，主量子數(shù)n決定電子的能量和電子離核的遠(yuǎn)近。角量子數(shù)l決定電子軌道的形狀，在多電子原子中也影響電子的能量磁量子數(shù)m決定磁場(chǎng)中電子軌道在空間伸展的方向不同時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量的分量大小自旋量子數(shù)ms決定電子自旋的方向。玻爾的固定軌道只用一個(gè)量子數(shù)描述，量子力學(xué)的軌道也由量子數(shù)所規(guī)定，但需要三個(gè)量子數(shù)來(lái)描述，具有一定“軌道”的電子稱為具有一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子；把既具有一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又具有一定自旋狀態(tài)的電子稱為具有一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子。四個(gè)量子數(shù)可以確定原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要用四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定。第四十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日四個(gè)量子數(shù)描述核外電子運(yùn)動(dòng)的可能狀態(tài)能層n能級(jí)l

伸展方向m

原子軌道符號(hào)

可能空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)1(K)

0

0

1s

122(L)

0

0

2s

121

0,1

2pz,

2px,

2py

363(M)

0

0

3s

121

0,1

3pz,3px,

3py

362

0,1,2

3dz2,3dxy,

3dyz,

3dxz,3dx2-y2

5104(N)

0

0

4s

121

0,1

4pz,4px,

4py

362

0,1,2

4dz2,4dxy,

4dyz,

4dxz,

4dx2-y2

5103

0,1,2,3

4f(7orbitals)

714第四十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、波函數(shù)圖形波函數(shù)n,l,m(r,,)是三維空間坐標(biāo)r,,

的函數(shù)，不可能用單一圖形來(lái)全面表示它，需要用各種不同類型的圖形表示。設(shè)n,l,m(r,,)=

Rn,l(r)

Yl,m(,)

空間波函數(shù)

徑向部分

角度部分

3參數(shù)3自變量2參數(shù)1自變量2參數(shù)2自變量

n、l、m

→波函數(shù)n,l,m(r,,)(原子軌道)；

n、l

→能量En,l

波函數(shù)圖形又稱為“原子軌道（函）圖形”。第四十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日波函數(shù)（原子軌道）的角度分布圖將波函數(shù)的角度部分Yl,m(,)隨,的變化情況畫圖，所得圖形即波函數(shù)的角度分布圖，或原子軌道角度分布圖。（1）作圖方法：①原子核為原點(diǎn)，引出方向?yàn)?,)的向量；②從原點(diǎn)起沿此向量方向截取長(zhǎng)度=|Yl,m(,)|的線段；③所有這些向量的端點(diǎn)在空間組成一個(gè)立體曲面，就是波函數(shù)的角度分布圖。（2）意義：表示波函數(shù)角度部分隨,的變化，與r無(wú)關(guān)。（3）用途：用于判斷能否形成化學(xué)鍵及成鍵的方向（分子結(jié)構(gòu)理論：雜化軌道、分子軌道）。第四十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日波函數(shù)（原子軌道）的角度分布圖

例：氫原子波函數(shù)210(r,,)的角度部分為Y10(,)=(3/4)1/2cos

（又稱pz原子軌道）(氫原子1s波函數(shù)的角度部分Y00(,)=(1/4)1/2)把各值代入上式，計(jì)算出Y10(,)的值，列表如下，得到的圖是雙球型的曲面.

第四十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日波函數(shù)（原子軌道）的角度分布圖(剖面圖)s軌道：球形對(duì)稱p軌道：形狀和大小相同，空間取向不同d軌道：有兩種形狀第四十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日波函數(shù)徑向部分圖形（徑向波函數(shù)圖形）將波函數(shù)的徑向部分Rn,l(r)隨r的變化情況畫圖，所得圖形即波函數(shù)的徑向分布圖，或原子軌道徑向分布圖。（1）作圖方法:寫出Rn,l(r)的表達(dá)式。如氫原子波函數(shù)100(r,,)(1s原子軌道)的徑向部分為R10

(r)=2(1/a03)1/2exp(-r/a0)（a0即為氫原子的玻爾半徑，52.9pm）求出不同r對(duì)應(yīng)的R(r)值以r為橫標(biāo)、R(r)為縱標(biāo)作圖。（2）意義：表示波函數(shù)徑向部分隨r的變化。第四十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

氫原子的Rn,l(r)-r圖第四十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、概率密度和電子云據(jù)W.Heisenberg不確定原理，要同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定核外電子的位置和動(dòng)量是不可能的，因此只能用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)判斷電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的多少，即概率。波函數(shù)用于描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。||2

代表在核外空間(r,,)處單位體積內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的概率，即概率密度||2=dP/d(P表示發(fā)現(xiàn)電子的概率，d

表示微體積)，可以形象地用一些小黑點(diǎn)在核外空間分布的疏密程度來(lái)表示，這種圖形稱為電子云。則

dP=||2d表示在核外空間(r,,)處發(fā)現(xiàn)電子的概率。第五十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日作圖：Y2l,m(,)-

(,)。意義：表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的概率密度隨(,)發(fā)生的變化，與r無(wú)關(guān)。Y2圖和Y圖的差異:a.Y2圖均為正號(hào)，而Y圖有+、-號(hào)（表示波函數(shù)角度部分值有+、-號(hào)之分）。

b.Y2圖比Y圖“瘦小”一些，原因是Y1.電子云角度分布圖(教材p.16圖1-9)第五十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日電子云徑向分布圖電子云的徑向分布是指電子在原子核外距離為r的一薄層球殼中出現(xiàn)的概率隨半徑r變化時(shí)的分布情況。薄球殼的體積dV=4r2dr在dV內(nèi)電子出現(xiàn)的總概率等于概率密度||2與dV的乘積，即||2dV=||2·4r2dr=D(r)drdrrr+dr定義徑向分布函數(shù)D(r)

=4r2||2，D(r)表示在距核r處的空間所有方向上(一薄層球殼)電子出現(xiàn)的總概率。用途：研究屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)對(duì)原子軌道能量的影響。第五十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日氫原子的幾種徑向分布圖：

峰表示幾率出現(xiàn)大的半徑位置峰的個(gè)數(shù)：n-l

n越大，離核越遠(yuǎn)；n相同，平均距離相近52.9pm氫原子基態(tài)Bohr半徑處第五十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2n,l,m(r,,)–(r,,)圖由R2n,l(r)和Y2l,m(,)圖綜合而得。意義：表示電子在核外空間出現(xiàn)的概率密度在空間的分布情況。電子云空間分布圖（電子云總體分布圖）第五十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日教學(xué)內(nèi)容和要求§5-1原子核外電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)(2h)§5-2核外電子的排布和元素周期系（1h)5.2.1多電子原子的能級(jí)5.2.2核外電子的排布§5-3元素的性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系（2h)1、掌握：核外電子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述及四個(gè)量子數(shù)的基本概念；核外電子的排布。2、熟悉微觀粒子及其運(yùn)動(dòng)的特性、多電子原子的能級(jí)、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表及元素基本性質(zhì)的周期性。3、了解元素游離原子的某些重要性質(zhì)（如原子半徑、電離能、電子親和能、電負(fù)性）與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第五十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1多電子原子的能級(jí)單電子原子體系（包括氫原子和類氫體系，H，He+，Li2+，Be3+…），原子核外總共只有一個(gè)電子，原子軌道的能量（電子能量）E只由n決定：

En

=(-Z2

/n2)13.6eV(1.17)多電子原子體系中，核外電子不止一個(gè)，不但存在電子與原子核之間的相互作用，而且還存在電子之間的相互作用，原子軌道的能量（電子能量）E由n和l決定。第五十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日Pauling多電子原子軌道近似能級(jí)圖1、近似能級(jí)圖按原子軌道能量高低。能量相近能級(jí)劃為一個(gè)能級(jí)組，共7個(gè)能級(jí)組。2、各能級(jí)能量大小的順序與量子數(shù)n和l有關(guān)。n相同l不同，lE(能級(jí)分裂)

。如E4s<E4p<E4d<E4fl相同n不同，nE。如E2p<E3p<E4pnl都不同可能出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)(始于第四能級(jí)組)，如E4s<E3d<E4p

3、只適用于多電子原子，不適用于氫原子和類氫原子(不存在能級(jí)分裂和能級(jí)交錯(cuò).）第五十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日徐光憲電子能級(jí)分組(1956)對(duì)于原子或離子的外層電子而言，(n+0.7l)越大能級(jí)越高；對(duì)于原子或離子較深內(nèi)層電子而言，能級(jí)高低基本取決于n。第五十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日F.A.Cotton原子軌道能級(jí)圖(1962)他認(rèn)為原子軌道能量在很大程度上決定于原子序數(shù)。當(dāng)電子按原子序數(shù)增大的順序填入各電子層時(shí)：核電荷增大，核對(duì)電子的吸引增強(qiáng)，因而原子軌道能量隨原子序數(shù)的增大而降低：隨著原子序數(shù)增大，原子軌道能級(jí)下降的幅度不同，產(chǎn)生能級(jí)交錯(cuò)。如4s和3d軌道Z=1-14(Si)，E3d<E4sZ=15-20(Ca)，E3d>E4sZ>21(Sc)，E3d<E4s第五十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日屏蔽效應(yīng)(TheShieldingEffect)如：鋰原子核外的三個(gè)電子是1s22s1，我們選定任何一個(gè)電子，它都處在原子核和其余兩個(gè)電子的共同作用之中，且這三個(gè)電子又在不停地運(yùn)動(dòng)，因此要精確地確定其余兩個(gè)電子對(duì)這個(gè)電子的作用是很困難的。我們用近似的方法來(lái)處理。其余兩個(gè)電子對(duì)所選定的電子的排斥作用，認(rèn)為是它們屏蔽或削弱了原子核對(duì)選定電子的吸引作用。第六十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日屏蔽效應(yīng)：J.C.Slater中心勢(shì)場(chǎng)模型１．J.C.Slater中心勢(shì)場(chǎng)模型多電子原子中，其它電子對(duì)指定電子的排斥作用看作部分地抵消（或削弱）核電荷對(duì)該電子的吸引作用，即相當(dāng)于核電荷從Z減少到Z-，

Z-稱為有效核電荷（常用Z*表示，Z*=Z-），

體現(xiàn)為其他電子對(duì)核電荷的影響，表示電子之間的排斥作用對(duì)原有核電荷抵消的部分。屏蔽效應(yīng):這種其余電子對(duì)所選定的電子的排斥作用，相當(dāng)于降低了部分核電荷對(duì)指定電子的吸引力，稱為屏蔽效應(yīng)。：屏蔽常數(shù)，，屏蔽作用

多電子原子中，由于屏蔽效應(yīng)，原子軌道能量不但與n有關(guān)，而且與l有關(guān)，記為En,l

：

En,l=(-Z*2

/n2)13.6eV第六十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日屏蔽常數(shù)的計(jì)算:斯萊特規(guī)則由光譜數(shù)據(jù)，J.C.Slater歸納出一套估算屏蔽常數(shù)的方法：(1)先按n由小到大的順序，將電子按內(nèi)外軌道次序分組，n相同時(shí)，(ns,np)同組，而nd和nf隨后各成1組。如：(1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d),(4s,4p),(4d),(4f),(5s,5p),(5d),(5f)。(2)

右邊各組電子對(duì)左邊各組電子沒(méi)有屏蔽作用，即=0。(3)1s組內(nèi)電子之間的相互為

0.30/e，其余各組內(nèi)電子之間的均為

0.35/e

。(4)對(duì)于

ns、np

組內(nèi)的電子,n-1各組內(nèi)電子對(duì)它的為0.85/e

，

n-2

及更內(nèi)層的各組內(nèi)的電子對(duì)它的為

1.00/e

；(5)對(duì)于

nd或

nf組內(nèi)電子，處在左邊各組內(nèi)的電子對(duì)它的均為

1.00/e

。注：該方法用于n為4的軌道準(zhǔn)確性較好，n大于4后較差。第六十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日例1.計(jì)算19K原子的4s電子和3d電子的能量。4s電子能量:19K原子電子排布:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(4s1)4s=(0.85×8+1×10)=16.8Z4s﹡=Z-4s=19-16.8=2.2E4s=-(Z4s﹡2/n2)×13.6=-(2.22/42)×13.6=-4.1eV3d電子能量:19K原子電子排布:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(3d1)3d

=(1×18)=18.0

Z3d﹡=Z-3d=19-18.0

=1.0E3d=-(Z3d﹡2/n2)×13.6=-(12/32)×13.6=-1.51eV基態(tài)19K電子排布為:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(4s1)對(duì)19K：E3d

>E4s

第六十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日例2.計(jì)算21Sc原子的4s電子和3d電子的能量。4s電子能量:21Sc原子的電子排布:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(3d1)(4s2)4s=(0.35×1+0.85×9+1×10)=18.0Z4s﹡=Z-4s=21-18.0=3.0E4s=-(Z4s﹡2/n2)×13.6=-(3.02/42)×13.6=-7.7eV3d電子能量:21Sc原子的電子排布:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(3d1)(4s2)3d

=1×18=18.0Z3d﹡=Z-

3d=21-18.0=3.0E3d

=-(Z3d﹡2/n2)×13.6=-(3.02/32)×13.6=-13.6eV基態(tài)21Sc電子排布為:(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(3d1)(4s2)對(duì)21Sc：E3d

<E4s第六十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日Slater規(guī)則計(jì)算及光譜實(shí)驗(yàn)表明:Z=14–20,E3d>E4s;Z

21和Z

≤13,E3d<E4s內(nèi)層電子對(duì)外層電子的屏蔽作用較大，

外層電子對(duì)較內(nèi)層電子近似看作不屏蔽。n越小，屏蔽作用越大：

K>L>M>N······n越大，被屏蔽程度(σ)越大，z*越小，勢(shì)能越高：K<L<M<N······第六十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日鉆穿效應(yīng)（ThePenetratingEffect）鉆穿效應(yīng)n相同，l不同(ns,np,nd,nf)的原子軌道，其軌道徑向分布不同，電子穿過(guò)內(nèi)層（即n更小的軌道）而回避其它電子屏蔽的能力不同，因而具有不同的能量的現(xiàn)象，稱為“鉆穿效應(yīng)”。外層電子滲入內(nèi)層空間而接近原子核的作用叫鉆穿作用。屏蔽效應(yīng)是指其他電子對(duì)選定電子的屏蔽作用，鉆穿效應(yīng)是選定電子回避其他電子的屏蔽作用。電子鉆穿的結(jié)果：降低了其余電子對(duì)它的屏蔽作用，受到的有效核電荷的作用增強(qiáng)，從而使軌道能量降低。鉆穿作用與原子軌道的徑向分布函數(shù)有關(guān)。第六十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日由電子云徑向分布圖看鉆穿作用：鉆穿效應(yīng)解釋能級(jí)分裂：n相同l不同，l越小的軌道的第一個(gè)峰鉆得越深，鉆穿能力越大(ns>np>nd)，

離核越近，能量越低(Ens<Enp<End)

。l相同n不同，n越小，主峰離核越近，鉆穿效應(yīng)越大，內(nèi)層電子對(duì)其屏蔽作用越小，能量越低。E1s<E2s<E3s第六十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日鉆穿效應(yīng)解釋能級(jí)分裂和能級(jí)交錯(cuò)2s,2p軌道的徑向分布圖3d

與

4s軌道的徑向分布圖鉆穿效應(yīng)解釋能級(jí)分裂。n相同，l越?。恒@穿能力增強(qiáng)，能量降低。鉆穿效應(yīng)解釋能級(jí)交錯(cuò)4s的最大峰雖然比3d離核遠(yuǎn)，但由于它有三個(gè)小峰鉆到3d峰內(nèi)而靠近核，致使其能量低于3d，產(chǎn)生了能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象第六十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日單電子原子和多電子原子的軌道能量多電子原子(圖右):

鉆穿效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)共存，n,l和Z共同決定原子軌道能量

En,l=[-(Z-

)2

/n2]13.6eVEns<Enp

<End<Enf單電子原子(圖左):

無(wú)屏蔽效應(yīng)，也就無(wú)所謂鉆穿效應(yīng)，原子軌道能量只取決于

n和Z，與l無(wú)關(guān):

En=(-Z2

/n2)13.6eVEns=Enp

=End=Enf第六十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.2多電子原子核外電子排布規(guī)則基態(tài)原子的核外電子排布遵守泡利不相容原理、能量最低原理和洪德規(guī)則。泡利(不相容)原理(1924)基態(tài)多電子原子中不可能同時(shí)存在4個(gè)量子數(shù)完全相同的電子，即處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子是不相容的。在一個(gè)原子軌道里最多只能容納2個(gè)自旋方向相反的電子。在n,l,m相同的原子軌道中的2個(gè)電子，其自旋狀態(tài)必定不同:ms=+1/2,-1/2。WolfgangPauli,1900-1958,Austriantheoreticalphysicist,Pauliexclusionprinciple,NobelPrizeinPhysics(1945)第七十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日能量最低原理能量最低原理認(rèn)為，多電子原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子的排布在不違反Pauli原理的前提下，總是盡可能先占有能量最低的軌道，在能量最低的軌道占滿后，電子才再依次進(jìn)入能量較高的軌道，即電子在原子軌道上的分布，要力求使整個(gè)原子的能量處于最低狀態(tài)。根據(jù)該原理及近似能級(jí)圖，隨核電荷數(shù)遞增，大多數(shù)元素的電中性基態(tài)原子的電子按如下順序填入核外電子運(yùn)動(dòng)軌道，叫做構(gòu)造原理。第七十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日電子填入原子軌道的順序電子先填最外層的ns，后填次外層的(n-1)d，甚至填入倒數(shù)第三層的(n-2)f的規(guī)律叫做能級(jí)交錯(cuò)。第七十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日Hund規(guī)則(F.Hund’sRule)電子在能量相同的原子軌道上分布(

簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道，即n,l均相同的原子軌道)，總是盡可能分占m值不同的軌道，且自旋平行。洪特規(guī)則可視為“最低能量原理”的補(bǔ)充。FriedrichHermannHund,1896-1997,Germanphysicist,Hund'sRule第七十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日此外，量力力學(xué)指出，簡(jiǎn)并軌道全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)能量較低，較穩(wěn)定。

s2p6d10f14

s1p3d5f7

s0p0d0f0例：24Cr[Ar]3d54s1

而不是3d44s2

29Cu[Ar]3d104s1

而不是3d94s2

46Pd鈀[Kr]4d105s0

而不是4d95s1多電子原子的電子排布的書寫：通常只標(biāo)明能級(jí)和該能級(jí)中的電子數(shù)目。[Ar]表示Ar的原子實(shí)，所謂原子實(shí)是指某原子的原子核及電子分布與某稀有氣體原子里的電子分布相同的那部分實(shí)體。第七十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日各元素基態(tài)電子排布（電子構(gòu)型）須由光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定；光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明多數(shù)元素原子基態(tài)的電子構(gòu)型符合上述3項(xiàng)排布規(guī)則，但也有例外：

41Nb鈮[Kr]4d45s1

而不是4d55s0

78Pt鉑[Xe]4f145d96s1

而不是4f145d106s0

也不是4f145d86s2這表明，上述核外電子排布規(guī)則僅是粗略的、近似的，還不夠完善。最終的電子構(gòu)型，只能由光譜實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。46鈀(4d105s0)是最特殊的例子(電子層數(shù)為4，卻是第五周期元素)。第七十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電中性原子失去電子形成正離子時(shí)，總是首先失去最外層電子，因此，副族元素基態(tài)正離子的電子組態(tài)不符合構(gòu)造原理。例如:我國(guó)著名化學(xué)家徐光憲將電中性原子和正離子的電子組態(tài)的差異總結(jié)為：基態(tài)電中性原子的電子組態(tài)符合(n+0.7l)的順序,基態(tài)正離子的電子組態(tài)符合(n+0.4l)的順序。元素電中性原子的價(jià)電子組態(tài)正離子價(jià)電子組態(tài)（最外層電子數(shù)）Fe3d64s2Fe2+3d6（14e）Fe3+3d5（13e）Cu3d104s1Cu+3d10（18e）Cu2+3d9（17e）第七十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.3原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期系第七十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日元素周期表（1986年,IUPAC18族命名法）第七十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日周期隨核電荷數(shù)遞增，電子每一次從填入ns能級(jí)開始到填滿np能級(jí)，稱為建立一個(gè)周期。能量組序=周期序；周期的劃分就是核外電子能級(jí)的劃分；各能級(jí)組容納的最高電子數(shù)=相應(yīng)周期元素的數(shù)目。

周期能級(jí)組能級(jí)組內(nèi)各原子軌道:ns開始→np結(jié)束元素?cái)?shù)目第一周期Ⅰ1s2第二周期Ⅱ2s，2p8第三周期Ⅲ3s，3p8第四周期Ⅳ4s，3d，4p18第五周期Ⅴ5s，4d，5p18第六周期Ⅵ6s，4f，5d，6p32第七周期Ⅶ7s，5f，6d，...第七十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日周期與價(jià)層電子構(gòu)型變化由于能級(jí)交錯(cuò)，每個(gè)能級(jí)組所包含的能級(jí)數(shù)目不同，所以周期有長(zhǎng)短之分。周期價(jià)層電子構(gòu)型變化短周期（第1、2、3周期,n=1,2,3）ns1-2

ns2np1-6長(zhǎng)周期（第4、5周期,n=4,5）ns1-2

ns2

(n-1)d1-10

ns2(n-1)d10np1-6

特長(zhǎng)周期（第6、7周期,n=6,7）ns1-2

ns2

(n-2)f1-14

ns2(n-2)f14(n-1)d1-10np1-6第八十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日族（從縱向看元素周期表）（1）（IA-VIIA）主族元素族數(shù)

=該族元素原子最外層（ns+np）電子數(shù)=該族元素最高氧化數(shù)例:NVA族 2s22p3

最高氧化數(shù)+5 HNO3Ca IIA 4s2

最高氧化數(shù)+2 CaO形成化學(xué)鍵時(shí)只使用最外層電子(ns和/或np)，不使用結(jié)構(gòu)封閉的次外層電子。從這個(gè)特征看，零族元素也屬主族元素。IA、IIA和VIIA族元素分稱堿金屬、堿土金屬和鹵素。主族常用第二周期元素命名，如硼族、碳族、氮族、氧族等。此外還常見(jiàn)源自門捷列夫周期表的鎵分族(鎵銦鉈)、鍺分族(鍺錫鉛)、砷分族(砷銻鉍)、硫分族（硫硒碲）等術(shù)語(yǔ)。第八十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日族（從縱向看元素周期表）（2）副族元素①ⅢB-VⅡB族族數(shù)=[(n–1)d+ns]電子數(shù)=該族元素最高氧化數(shù)例:②ⅠB-ⅡB族族數(shù)=最外層（ns）電子數(shù)與ⅠA、ⅡA的區(qū)別:(n–1)d全充滿，即(n–1)d10ns1-2。例：29CuⅠB3d104s1

80HgⅡB5d106s2③VIII族較特殊：(n-1)d6-10ns0-2VIII族是3個(gè)縱列9個(gè)元素，是狹義的“過(guò)渡元素”(這個(gè)概念是門捷列夫提出來(lái)的)。通常該族元素最高氧化數(shù)<[(n-1)d

ns]電子數(shù)例：K2FeO4,K2NiO4,OsO4，表明不是全部(n-1)d電子都參與成鍵.25MnVⅡB3d54s2+7KMnO422TiIVB3d24s2+4TiO2第八十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日副族常以相應(yīng)第四周期元素命名，如鈧副族、鈦副族、釩副族等等。VIII族中的鐵鈷鎳(第四周期元素)又稱鐵系元素，釕銠鈀鋨銥鉑(第五、六周期元素)則總稱鉑系元素。廣義的過(guò)渡元素是指除主族元素外的所有其他元素。第八十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日元素的分區(qū)(組)按元素的價(jià)電子構(gòu)型，把元素周期表分為5個(gè)區(qū)：f

區(qū)（內(nèi)過(guò)渡金屬元素）鑭系和錒系元素，但元素鑭和錒屬于d區(qū)。元素分區(qū)含族價(jià)層電子構(gòu)型s區(qū)ⅠA、ⅡAns1-2p區(qū)ⅢA-ⅦA，0族ns2np1-6d區(qū)ⅢB-Ⅷ(n-1)d1-9ns1-2（n=4、5、6）有例外

ds區(qū)ⅠB、ⅡB(n-1)d10ns1-2(n=4、5、6)f區(qū)鑭系和錒系（n-2）f1-14(n-1)d0-2ns2(n=6、7)第八十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日第八十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日非金屬三角區(qū)周期系已知112種元素中只有22種非金屬（包括稀有氣體），它們集中在長(zhǎng)式周期表p區(qū)右上角三角區(qū)內(nèi)。準(zhǔn)金屬非金屬金屬處于非金屬三角區(qū)邊界上的元素兼具金屬和非金屬的特性，有時(shí)也稱“半金屬”或“準(zhǔn)金屬”。如硅是非金屬，但其單質(zhì)晶體為具藍(lán)灰色金屬光澤的半導(dǎo)體，鍺是金屬，卻跟硅一樣具金剛石型結(jié)構(gòu)，也是半導(dǎo)體;又如砷是非金屬，氣態(tài)分子為類磷的As4，但有金屬型的同素異形體，銻是金屬，卻很脆，電阻率很高，等等。第八十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日教學(xué)內(nèi)容和要求§5-1原子核外電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)(2h)§5-2核外電子的排布和元素周期系（1h)§5-3元素的性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系（2h)5.3.1原子半徑5.3.2電離能5.3.3電子親和能5.3.4電負(fù)性1、掌握：核外電子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述及四個(gè)量子數(shù)的基本概念；核外電子的排布。2、熟悉微觀粒子及其運(yùn)動(dòng)的特性、多電子原子的能級(jí)、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表及元素基本性質(zhì)的周期性。3、了解元素游離原子的某些重要性質(zhì)（如原子半徑、電離能、電子親和能、電負(fù)性）與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。原子參數(shù)第八十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.1原子半徑1.共價(jià)半徑（Covalentradii，rc）

指同種元素的2個(gè)原子以共價(jià)單鍵結(jié)合形成單質(zhì)分子時(shí)，兩原子的核間距離的一半。

I原子的共價(jià)半徑(I2(g)

分子中)Cl共價(jià)半徑與Cl-離子半徑比較第八十八頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.金屬半徑（Metalradii，rM)在金屬單質(zhì)的晶體中，晶格中相鄰兩金屬原子核間距離的一半。同種元素：rM/rc=1.1–1.2金屬半徑(a)與共價(jià)半徑比較(b)元素rM/pmrc/pmrM/rcNa186154Na2(g)1.21Ca197174Ca2(g)1.13C91.4金剛石77.2C2(g)1.18Cu128117Cu2(g)1.09第八十九頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.范德華半徑（VanderWaalsradii，rv）當(dāng)兩個(gè)原子間只靠分子間的作用力即范德華力互相接近時(shí)，相鄰兩原子核間距的一半即為范德華半徑。主要適用于稀有氣體（0族元素）。同一元素共價(jià)半徑rc與范德華半徑rv的關(guān)系：

rv>

rc原子半徑與陽(yáng)離子半徑比較第九十頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日原子半徑遞變規(guī)律：同一周期必須指同一類型（rc,rM,rv）原子半徑的變化。1.同一周期從左→右，原子序數(shù)Z↑，r↓：原因：Z*↑，使r↓；電子數(shù)目↑，電子互斥作用↑，使r↑。Z*和電子互斥作用互相制約，

Z*占優(yōu)勢(shì)。稀有氣體元素最外層處于全充滿狀態(tài)，電子間排斥力增大，且又是范德華半徑，所以原子半徑突然增大。第九十一頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日短周期和長(zhǎng)周期元素的原子半徑變化短周期(第2、3周期)：電子填充在最外電子層，同層電子間屏蔽較弱，有效核電荷增加顯著，而電子層數(shù)不變，核對(duì)外層電子吸引力逐漸加大，所以短周期元素原子半徑從左到右遞減較快。Z=1,Z*=1-=1-0.35=0.65,r10pm.長(zhǎng)周期(第4、5、6周期)；

Z↑，增加的電子進(jìn)入（n-1）d軌道，它對(duì)最外層（ns）的電子屏蔽作用較大，=0.85，Z*=1-

=0.15

，Z*增加不多，r5pm.第九十二頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日內(nèi)過(guò)渡元素的原子半徑變化：鑭系收縮鑭系元素（57La-71Lu共15個(gè)元素)錒系元系（89Ac錒-103Lr鐒，共15個(gè)元素）：

Z↑，增加的電子進(jìn)入(n-2)f（即4f或5f）軌道（故稱內(nèi)過(guò)渡元素），對(duì)最外層ns（6s或7s）屏蔽更完全（1）,

57La[Xe]4f

05d16s2,58Ce[Xe]4f

15d16s2,…,71Lu[Xe]4f

145d16s2Z=1,Z*=1-0,Z*幾乎無(wú)增加，r1pm.如rM

：

57La187.7pm,71Lu173.4pmrM=（187.7pm-173.4pm）/（71–57）1pm.但整個(gè)鑭系共15種元素，總的原子半徑縮小值為14pm（教材11pm），十分顯著！第九十三頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日鑭系收縮的影響①鑭系之后的第六周期元素Hf、Ta、W的原子與同族第五周期元素的原子半徑相近，性質(zhì)相似，難以分離。

IIIBIVBVBVIBrc/pm(Y)Zr160Nb142.9Mo136.2(La–Lu)Hf156Ta143W137.0②釔元素(Y)原子半徑落入La-Lu之間，成為“稀土元素”家族的一員(加上鈧共17種元素)：

IIIB21Sc鈧，39Y釔，57La-71Lu鑭–镥(鑭系元素)第九十四頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日原子半徑遞變規(guī)律：同族元素（1）主族元素同一主族自上而下，n

，電子層數(shù)↑，屏蔽作用增強(qiáng)，有效核電荷Z*不明顯，因而由于電子層數(shù)，r。（2）副族元素第四周期元素<第五周期元素≈第六周期元素第四和第五周期間因?yàn)橛行Ш穗姾稍黾硬患半娮訉釉黾拥淖饔?，故原子半徑增大。由于鑭系收縮，使第五和第六周期同族元素的原子半徑幾乎不變，甚至減小。第九十五頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.2電離能電離能：一個(gè)基態(tài)氣態(tài)原子失去一個(gè)電子，變?yōu)?1價(jià)氣態(tài)正離子的過(guò)程所需吸收的能量，稱為第一電離能，符號(hào)I1；

+1價(jià)氣態(tài)正離子再失去一個(gè)電子形成+2價(jià)時(shí)所需消耗的能量稱為第二電離能，符號(hào)I2…。例：Na(g)Na+(g)+eI1=496kJ.mol-11s22s22p63s1

1s22s22p6(基態(tài))Na+(g)Na2+(g)+eI2=4562kJ.mol-11s22s22p6

1s22s22p5(基態(tài))意義：代表元素氣態(tài)原子（或離子）失去電子的難易程度，I↓，愈易失去電子，氣態(tài)時(shí)的金屬性↑。用于衡量氣態(tài)原子變成氣態(tài)正離子的難易程度。金屬在水溶液中形成正離子的傾向，要用電極電位來(lái)判斷。第九十六頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日電離能與元素常見(jiàn)價(jià)態(tài)由各級(jí)電離能數(shù)據(jù)比較，可以預(yù)言各元素最穩(wěn)定的氧化態(tài):Na+,Mg2+,Al3+等。第九十七頁(yè)，共一百一十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日影響電離能大小的因素1)n相同，Z*↑，則I↑2)原子半徑r↑，則I↓3)電子層結(jié)構(gòu)(價(jià)電子構(gòu)型)：等價(jià)軌道全充滿(s2，p6，d10，f14)、半充滿(s1，p3，d5、f7)