f區(qū)元素的基本化學性質(zhì)和原子的電子構(gòu)型3

高中化學競賽

【第四講原子結(jié)構(gòu)與元素周期律】河南省太康縣第一高級中學----喬純杰第一頁第二頁，共20頁。【競賽基本要求】

1、核外電子運動狀態(tài)。2、主、副族同族元素從上到下性質(zhì)變化一般規(guī)律；同周期元素從左到右性質(zhì)變化一般規(guī)律。原子半徑和離子半徑。s、p、d、ds、f

區(qū)元素的基本化學性質(zhì)和原子的電子構(gòu)型。3、元素在周期表中的位置與核外電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對角線規(guī)則。4、金屬性、非金屬性與周期表位置的關(guān)系。主、副族重要而常見元素的名稱、符號及在周期表中的位置、常見氧化態(tài)及主要形態(tài)。鉑系元素的概念。第二頁第三頁，共20頁?！局R點擊】一、核外電子的運動狀態(tài)

1、原子核外電子的運動原子核外的電子運動狀態(tài)用四個量數(shù)描述：n、l、m、ms

。主量子數(shù)n，n=1,2,3,4……符號：K,L,M,N,O,……角量子數(shù)l，l=0,1,2,3,……,n－1。符號：s,p,d,f,……磁量子數(shù)m，m=0,

±1,

±

2,……,

±

l。當三個量子數(shù)都具有確定值時，就對應(yīng)一個確定的原子軌道。如2p

就是一個確定的軌道。主量子數(shù)n與電子層對應(yīng)，n=1時對應(yīng)第一層，n=2時對應(yīng)第二層，依次類推。軌道的能量主要由主量子數(shù)n決定，n越小軌道能量越低。角量子數(shù)l和軌道形狀有關(guān)，它也影響原子軌道的能量。n和l一定時，所有的原子軌道稱為一個亞層，如n=2，l=1就是2p亞層，該亞層有3個2p軌道。n確定時，l值越小亞層的能量越低。磁量子數(shù)m與原子軌道在空間的伸展方向有關(guān)，如2p亞層，l=1，m=0，

1有3個不同的值，因此2p有3種不同的空間伸展方向，一般將3個2p軌道寫成2px,2py,2pz

。第三頁第四頁，共20頁。

實驗表明，電子自身還具有自旋運動。電子的自旋運動用一個量子數(shù)ms表示，ms稱為自旋磁量子數(shù)。對一個電子來說，其ms可取兩個不同的數(shù)值1/2或－1/2。習慣上,一般將ms取1/2的電子稱為自旋向上，表示為+；將ms?。?/2的電子稱為自旋向下，表示為－。實驗證明，同一個原子軌道中的電子不能具有相同的自旋磁量子數(shù)ms，也就是說，每個原子軌道只能占兩個電子，且它們的自旋不同?！竞送怆娮涌赡艿目臻g狀態(tài)——電子云的形狀】s電子云（球形）p電子云，亞鈴形，有三個方向px

、py

、pz

。d電子云有五個方向dxy

、dxz

、dyz

、dx2-y2

、dz2

（稱五個簡并軌道，即能量相同的軌道）第四頁第五頁，共20頁。3、核外電子的排布（1）多電子原子的能級①鮑林的軌道能級圖能級交錯能級分裂鮑林根據(jù)光譜實驗的結(jié)果，提出了多電子原子中原子軌道的近似能級圖，圖中的能級順序是指價電子層填入電子時各能級能量的相對高低。第五頁第六頁，共20頁。②屏蔽效應(yīng)和有效核電荷在多電子原子中，一個電子不僅受到原子核的引力，而且還要受到其他電子的排斥力。這種排斥力顯然要削弱原子核對該電子的吸引，可以認為排斥作用部分抵消或屏蔽了核電荷對該電子的作用，相當于使該電子受到的有效核電荷數(shù)減少了。于是有Z*=Z－σ，式中Z*為有效核電荷，Z為核電荷。σ為屏蔽常數(shù)，它代表由于電子間的斥力而使原核電荷減少的部分。我們把由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，使該電子受到的有效核電荷降低的現(xiàn)象稱為屏蔽效應(yīng)。一個電子受到其他電子的屏蔽，其能量升高。③鉆穿效應(yīng)與屏蔽效應(yīng)相反，外層電子有鉆穿效應(yīng)。外層角量子數(shù)小的能級上的電子，如4s電子能鉆到近核內(nèi)層空間運動，這樣它受到其他電子的屏蔽作用就小，受核引力就強，因而電子能量降低，造成E4s＜E3d。我們把外層電子鉆穿到近核內(nèi)層空間運動，因而使電子能量降低的現(xiàn)象，稱為鉆穿效應(yīng)。鉆穿效應(yīng)可以解釋原子軌道的能級交錯現(xiàn)象。第六頁第七頁，共20頁?！咀ⅲ焊傎愐竽軌?qū)懗鲈刂芷诒碇兴性氐碾娮优挪际健縕*=Z－σ內(nèi)層電子σ大；同層電子間σ小；外層電子σ=0；對稱σ大。（2）電離能（勢）I定義：元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時失去一個電子成為一價氣態(tài)正離子所需要的能量，稱元素的第一電離能。例如：Al(g)第一電離能I1=578kJ·mol-1；第二電離能I2=1823kJ·mol-1；第三電離能I3=2751kJ·mol-1第七頁第八頁，共20頁。（3）電子親合能

定義：一個基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個電子形成一價氣態(tài)負離子所放出的能量。稱該原子的第一電子親合能。習慣上把放出能量的電子親合能EA用正號表示。

O(g)+e→

O－(g)EA=141.8kJ·mol－1EA反映原子得電子難易程度。EA大，易得電子，非金屬性強。At270Po183Bi91.3Pb35.1Tl19.3Cs45.5I295Te190Sb103Sn107In28.9Rb46.9Br325Se195As78.2Ge119Ga28.9K48.4Cl349S200P72.0Si134Al42.5Na59.6F328O141N-7C122B26.7Li59.6H72.8【部分元素的第一電子親合能(kJ·mol－1)】第八頁第九頁，共20頁。【規(guī)律】：①自左向右Z*核電荷大，半徑減小，易形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)②半充滿，全充滿時EA小，例如：氮族，稀有氣體。③同一主族自上而下EA變小，但第二周期例外，如：F、O、N比Cl、S、P小。（4）電負性：原子在分子中吸引電子的能力。

1932年化學家鮑林(L.Pauling)指出:“電負性是元素的原子在化合物中吸引電子能力的標度?！辈⑻岢觯篎的負電性為4.0，其它原子的負電性均為相對值，以Xp表示。Xp的數(shù)值越大,表示該元素的原子吸引電子的能力就越強;反之,Xp的數(shù)值越小,表示該元素的原子吸引電子的能力就越弱。第九頁第十頁，共20頁?！静糠衷氐碾娯撔浴竣僦芷诒碇袕淖蟮接译娯撔灾饾u增大，從上到下逐漸減小。金屬的電負性一般小于1.9，而非金屬元素的電負性一般大于2.2，處于1.9與2.2之間的元素稱為“類金屬”。②周期表中鋰和鎂、鈹和鋁、硼和硅等。例如，鋰和鎂都能在空氣中燃燒，除生成氧化物外同時生成氮化物；鈹和鋁的氫氧化物都具有兩性；硼和硅都是“類金屬”等。人們把這種現(xiàn)象稱為對角線規(guī)則。

H2.30He

4.16Li0.91Be1.58B2.05C2.54N3.07O3.61F4.19Ne4.79Na0.87Mg1.29Al1.61Si1.92P2.25S2.59Cl2.87Ar3.24K0.73Ca1.03Ga1.76Ge1.99As2.21Se2.42Br2.68Kr2.97Rb0.71Sr0.96In1.66Sn1.82Sb1.98Te2.16I2.36Xe2.58Cs0.66Ba0.88Tl1.79Pb1.85Bi(2.01)Po(2.19)At(2.39)Rn(2.6)第十頁第十一頁，共20頁?！纠}1】：下列說法是否正確？如不正確，應(yīng)如何改正？（1）s電子繞核旋轉(zhuǎn)，其軌道為一圓圈，而p電子是走∞字形。（2）主量子數(shù)為1時，有自旋相反的兩條軌道。（3）主量子數(shù)為3時，有3s、3p、3d、3f四條軌道?！窘馕觥浚海?）不正確。因為電子運動并無固定軌道。應(yīng)改正為：s電子在核外運動電子云圖像或幾率分布是一個球體，其剖面圖是個圓。而p電子云圖或幾率密度分布是一個紡錘體，其剖面圖是∞形。（2）不正確。因為n=1，l=0，m=0，只有一個1s原子軌道。應(yīng)改為：主量子數(shù)為1時，在1s原子軌道中有兩個自旋相反的電子。（3）不正確。因為n=3時，l只能取0、1、2，所以沒有3f。另外3s、3p、3d的電子云形狀不同，3p還有m=0、±1 三種空間取向不同的運動狀態(tài)，有3個原子軌道，3d有m=0、±1、±2五種空間取向，有5個原子軌道。因此應(yīng)改為：主量子數(shù)為3時，有9個原子軌道。第十一頁第十二頁，共20頁。【例題2】：試比較Li2+離子的2s和2p軌道能量的高低?！痉治觥浚篖i2+單質(zhì)電子體系，是類氫離子，沒有電子的屏蔽作用（σ=0）其能量公式為：E=－2.179×10-18×Z2/n2（J），只與核電荷數(shù)（已一定）和主量子數(shù)有關(guān)?！窘狻浚阂騆i2+是單質(zhì)電子體系，其各軌道的能量只與主量子數(shù)n有關(guān)，與角量子數(shù)l無關(guān)，所以在Li2+離子中，2s和2p軌道的能量相等?！纠}3】：某元素原子共有3個價電子，其中一個價電子的四個量子數(shù)為n=3、l=2、m=2、ms=+1/2。試回答：（1）寫出該元素原子核外電子排布式（2）寫出該元素的原子序數(shù)，指出在周期表中所處的分區(qū)、周期數(shù)和族序數(shù)，是金屬還是非金屬以及最高正價化合價?！窘狻浚海?）由一個價電子的量子數(shù)可知，該電子為3d電子，則其它二個價電子必為4s電子（因為E3d＜E4s＝價層電子構(gòu)型為3d14s2。所以電子排布式為1s22s22p63s23p63d14s2。（2）該元素的原子序數(shù)為21，處于周期表中的d區(qū)第四周期IIIB族，是金屬元素，最高正價為+3。第十二頁第十三頁，共20頁?！纠}4】：在現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論中，假定每個原子軌道只能容納一個電子，則原子序數(shù)為42的元素原子的核外電子排布將是怎樣的？按這種假設(shè)而設(shè)計出的元素周期表，該元素將屬于第幾周期、第幾族？該元素的中性原子在化學反應(yīng)中得失電子情況又將怎樣？【分析】：在該題的假設(shè)下，原有原子結(jié)構(gòu)理論的有關(guān)規(guī)律的實質(zhì)是有用的，但具體的則要發(fā)生一些變化。如保里不相容原理和洪特規(guī)則就不適用；但能量最低原理是有用的；飽和的概念仍然成立，只是各個軌道、各個亞層、各個電子層最多能容納的電子數(shù)應(yīng)為原來的一半，如第二層排成2s12p3就飽和了，第三層排成3s13p33d5就飽和了；軌道的能級順序沒有變化，電子的填充順序也無變化。解：電子排布式：1s12s12p33s13p33d54s14p34d54f75s15p35d56s16p2周期表中的位置：第六周期，第IIIA族。該元素的中性原子在化學反應(yīng)中可得到一個電子顯–1價；可失去3個電子顯+3價，也可失去2個p電子而顯+2價。第十三頁第十四頁，共20頁?！揪毩?】：現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論認為，在同一電子層上，可有s、p、d、f、g、h……等亞層，各亞層分別有1、3、5、……個軌道。試根據(jù)電子填入軌道的順序預(yù)測：（1）第8周期共有

種元素；（2）原子核外出現(xiàn)第一個6f電子的元素的原子序數(shù)是

；（3）根據(jù)“穩(wěn)定島”假說，第114號元素是一種穩(wěn)定同位素，半衰期很長，可能在自然界都可以找到。試推測第114號元素屬于

周期，

族元素，原子的外圍電子構(gòu)型是

?！敬鸢浮浚海?）50（2）139（3）七ⅣA7s27p2第十四頁第十五頁，共20頁。【練習2】：目前，科學家正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”。所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量，但電荷的符號相反。2002年9月20日，歐洲核子研究中心成功制造出約5萬個低能量狀態(tài)的反氫原子，這是人類首次在受控條件下大批量制造反物質(zhì)。試回答：（1）科學家制造出的反氫原子的質(zhì)量數(shù)為

，電荷數(shù)為

。（2）一對正、負電子相遇發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為一對頻率相同的光子，已知電子質(zhì)量為0.9×10－30kg，那么這對電子湮滅時釋放的能量是

J，這兩個光子的頻率約為

Hz。（保留2位有效數(shù)字，普朗克常數(shù)h＝6.63×10－34J·s）（3）反物質(zhì)酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)可表示為：

。【答案】：（1）1；－1

（2）1.6×10－13

；1.2×1020

（3）H－＋OH＋＝H2O第十五頁第十六頁，共20頁?！揪毩?】：寫出Eu（63號）、Te（52號）元素原子的電子排布式。若原子核外出現(xiàn)5g和6h五層，請預(yù)測第九、十周期最后一個元素原子序數(shù)和它們的電子排布?！敬鸢浮浚河捎诘谝粚觾H有s亞層，第二層出現(xiàn)2p，第三層出現(xiàn)3d，第四層出現(xiàn)4f，可推知第五層新增5g，第六層新增6h，各亞層排布的電子數(shù)為s2、p6、d10、f14、g18、h22，電子的排布遵循，ns→(n－4)h→(n－3)g→(n－2)f→(n－1)d→…的順序。Eu（63）和Te（52）的電子排布式分別為：

Eu：[Xe]5f76s2

Te：[Kr]4d105s25p4第九周期最后一個元素應(yīng)從9s開始排布，以118號稀有氣體為原子核：[118]9s26h226g187f148d109p6。原子序數(shù)為：

118＋2＋18＋14＋10＋6＝168第十周期最后一個元素從10s開始排布，以168號稀有氣體為原子核：[168]10s26h227g188f

149d1010p6，原子序數(shù)為：