第七章-原子結(jié)構(gòu)與周期系.ppt

1、1,第七章 原子結(jié)構(gòu)與周期系,前言 原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡(jiǎn)史 一、道爾頓(J. Dolton) 的原子理論 -19世紀(jì)初 二、盧瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型 -20世紀(jì)初 三、玻爾(N. bohr)原子模型 -20世紀(jì)初 四、量子力學(xué)原子模型 - 20世紀(jì)20年代,2,第一節(jié) 核外電子運(yùn)動(dòng)的特征（了解） 一、量子化特性 能量的量子化能量變化 (發(fā)射、吸收等) 是不連續(xù) 的，是某一基本量 (即量子) 的整數(shù)倍。 量子的能量為 E = h 變化總能量為 E = nh 二、波粒二象性 電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了電子運(yùn)動(dòng)具有與光相似的波動(dòng)性。 波粒二象性是所有微觀粒子（電子、原子等）運(yùn)動(dòng)的一

2、個(gè)重要特性。 = h /p = h / m,3,第二節(jié) 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述 量子力學(xué)原子模型 一、薛定諤方程（了解） 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 E軌道能量（動(dòng)能與勢(shì)能總和 ） m微粒質(zhì)量， h普朗克常數(shù) x, y, z 為微粒的空間坐標(biāo)，(x,y,z) 波函數(shù),4,二、波函數(shù)和原子軌道(軌函) （了解） 將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球極坐標(biāo)后，得 n ,l ,m (r,)=R n ,l (r) Y l ,m (,) 徑向部分 角向部分 解薛定諤方程可得到一系列的數(shù)學(xué)解波函 數(shù)，但并不是所有的解都是合理的，為了得到 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的解，要求一些物理量必 須是量子化的

3、，從而引進(jìn)了三個(gè)量子數(shù)n , l , m 。 解薛定諤方程，就是解出對(duì)應(yīng)一組n , l , m的 波函數(shù)n ,l ,m (r,)及其相應(yīng)的能量 E n ,l 。,5,波函數(shù)n ,l ,m （原子軌函，原子軌道）是量子力學(xué)中描述原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，它的圖像表示某一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即在核外空間范圍內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。 為了描述電子自旋運(yùn)動(dòng)的特征，又引入了一個(gè)自旋量子數(shù) ms 。 本課程只定性解釋解波函數(shù)得出的結(jié)論。,6,三、四個(gè)量子數(shù) 1、主量子數(shù) n (電子層) n = 1, 2, 3, 4正整數(shù)，它決定電子離核的遠(yuǎn)近和能級(jí)。 2、角量子數(shù) l (分層，電子亞層) l = 0, 1,

4、 2, 3n-1 ( l n ) ，以s，p，d、 f 表示 它決定了原子軌道或電子云的形狀，也是決定多電子 原子中電子能量的因素。 3、磁量子數(shù) m m描述原子軌道在空間的伸展方向。 m = 0, 1, 2, 3. l ( m l ), 一種取向相當(dāng)于一個(gè)軌 道，共可取2l + 1個(gè)數(shù)值。 n 和 l 相同， m 不同的軌道其能級(jí)相同，稱為等價(jià)軌道 或簡(jiǎn)并軌道。,重要,7,4、自旋量子數(shù) ms ms = 1/2, 表示電子在核外運(yùn)動(dòng)有自旋相反的兩種 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常用“”和“”表示。 幾點(diǎn)說(shuō)明 (1)原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用四個(gè)量子數(shù)( n ,l ,m , ms )來(lái)描述。 (2)泡利不相

5、容原理在同一原子中，不能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。（每個(gè)原子軌道最多能容納兩個(gè)電子，并且自旋相反）,8,(3)多電子原子中電子能量與 n 和 l 有關(guān) 單電子原子中電子能量只與 n 有關(guān) 即單電子原子 E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d Ens= Enp = End = Enf 多電子原子 E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d Ens Enp End Enf ,9,核外電子運(yùn)動(dòng)的可能狀態(tài)數(shù),10,例下列各組用四個(gè)量子數(shù)描述的核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否合理？為什么？ (1)

6、n =2, l =1, m=0, ms= +1/2 合理 2p 能級(jí) (2) n =3, l =3, m=2, ms= -1/2 不合理。因取值ln 。 (3) n =3, l =2, m=2, ms= +1/2 合理 3d 能級(jí) (4) n =4, l =2, m=3, ms= +1/2 不合理。因取值ml 。 (5) n =2, l =1, m=1, ms= -1 不合理。因ms只能取+1/2 或 -1/2。 (四個(gè)量子數(shù)取值的相互限制關(guān)系ln，ml，ms1/2),11,四、概率(幾率)密度和電子云 1、概率與概率密度 把電子在某空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)叫概率(幾率) 。 代表核外空間某處單位

7、微體積中電子出現(xiàn)的概率，即概率密度。 2、電子云 概率密度的一種圖像表示法 電子云用小黑點(diǎn)分布疏密來(lái)表示電子在核外某 處出現(xiàn)概率密度的相對(duì)大小的圖像。 （見(jiàn)p137 圖7-7）,12,五、波函數(shù)和電子云的空間形狀 要用波函數(shù) 的角向部分Y 和徑向部分R 才 能完整描述原子軌道和電子云的實(shí)際圖像。 n ,l ,m (r,)=R n ,l (r) Y l ,m (,) 原子軌道 徑向部分 角向部分,13,(一) 波函數(shù)的角向部分 1、原子軌道角度分布圖 原子軌道角度分布圖的繪制（了解） a、解薛定諤方程，可解出對(duì)應(yīng)n , l , m的一系列波函數(shù)n ,l ,m (r,) ，即R n ,l (r)和

8、Y l ,m (,) 。 b、以Y l ,m (,)在球極坐標(biāo)中作圖，可得原子軌道角度分布圖。 說(shuō)明 a、 Yns是常數(shù)，與,角度無(wú)關(guān)，ns 原子軌道角度分布圖是一個(gè)球面。其它軌道則與,角度有關(guān)。 b、原子軌道角向部分Y l ,m (,)只與l ,m有關(guān)，與n 無(wú)關(guān)。因此，不同電子層n的s, p, d, f 原子軌道角度分布圖相似。,重要,14,s、p、d 各種原子軌道的角度分布剖面圖（1）,P140 圖7-13,15,s、p、d 各種原子軌道的角度分布剖面圖（2）,P140 圖7-13,16,2、電子云角度分布圖 2n ,l ,m (r,)=R2 n ,l (r) Y2 l ,m (,) 電

9、子云 徑向部分 角向部分 電子云角度分布圖的繪制（了解） 以Y2 l ,m (,)在球極坐標(biāo)中作圖，可得電子云角度分布圖。 說(shuō)明 a、 Y2ns是常數(shù)，與,角度無(wú)關(guān)，ns電子云角度分布圖是一個(gè)球面。其它軌道則與,角度有關(guān)。 b、電子云角向部分Y2 l ,m (,)只與l ,m有關(guān)，與n 無(wú)關(guān)。因此，不同電子層n的s, p, d, f 電子云角度分布圖相似。,17,s、p、d 各種電子云的角度分布圖,參見(jiàn) P138 圖7-9， P141 圖7-14,18,例 簡(jiǎn)述原子軌道角度分布圖與電子云角度分布圖的區(qū)別。 答原子軌道角度分布圖與電子云角度分布圖的圖形是類似的。主要區(qū)別有兩點(diǎn) a、原子軌道角度分

10、布圖胖一些，而電子云的角度分布圖要瘦一些。這是由于Y l ,m (,)值小于1，而Y2 l ,m (,)值更小。 b、原子軌道角度分布圖上有“” 和 “”之分，而電子云的角度分布圖上均為“”值。這是由于Y 值雖有“” 和 “”，但 卻都是“”值。,19,第三節(jié) 原子核外電子排布和元素周期系 一、多電子原子的原子軌道能級(jí) 單電子原子中，只考慮原子核對(duì)電子的吸引，電子能量只與 n 有關(guān)。 即 1s 2s2p 3s3p3d 多電子原子中，電子能量不僅要考慮原子核對(duì)其的吸引，還應(yīng)考慮各軌道電子之間的相互排斥作用，電子能量與 n 和 l 有關(guān)。 即 1s 2s2p 3s3p ,20,(一) 鮑林原子軌道

11、近似能級(jí)圖,重要,21,(1) 將能級(jí)相近的原子軌道排為一個(gè)能級(jí)組，目前有7個(gè)能級(jí)組。 (2) 鮑林近似能級(jí)圖表示多電子原子中，原子軌道能級(jí)的高低順序（與 n 和 l 有關(guān)） (3) “能級(jí)交錯(cuò)” （了解） 例如： E4s E3d ， E 5s E4d ， E 6sE4fE5d,1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p,22,二、原子核外電子的排布與電子結(jié)構(gòu) (一) 核外電子排布的原則 1、能量最低原理 在基態(tài)時(shí)，核外電子總是盡可能分布到能量最低的軌道，使整個(gè)體系的能量最低。 具體可按鮑林近似能級(jí)圖依次充填電子 1s 2s2p 3s3p 4s3d

12、4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p 2、泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。（每個(gè)原子軌道最多能容納兩個(gè)電子，并且自旋相反）,重要,23,3、洪特規(guī)則 在等價(jià)軌道(n 和l 相同)中，電子盡可能單獨(dú)占據(jù)各等價(jià)軌道，且自旋方向相同。 （電子成對(duì)能） 如， p3 而不是 洪特規(guī)則的特例等價(jià)軌道全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。 如，全充滿 p6，d10，f14 半充滿 p3，d5， f7 全空 p0，d0， f0 （電子云整體為一球形對(duì)稱狀態(tài)，比較穩(wěn)定。）,24,(二)原子的電子結(jié)構(gòu) 例 寫(xiě)出原子序數(shù)為8、11的元素的符號(hào)及電子結(jié)構(gòu)式和

13、電子軌道式。 元素符號(hào) 電子結(jié)構(gòu)式 電子軌道式 O 1s22s22p4 Na 1s22s22p63s1 原子實(shí)體 例，Ne 代表 1s2 2s22p6 Ar 代表 1s2 2s22p6 3s23p6 Kr 代表 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6,25,例 寫(xiě)出原子序數(shù)為24、28、29、38、50的元素的符號(hào)及電子結(jié)構(gòu)式和外圍電子構(gòu)型。 解 元素符號(hào) 電子結(jié)構(gòu)式 外圍電子構(gòu)型（價(jià)電子構(gòu)型） Cr Ar 3d54s1 3d54s1 Ni Ar 3d84s2 3d84s2 Cu Ar 3d104s1 3d104s1 Sr Kr 5s2 5s2 Sn Kr 4d105s25p

14、2 5s25p2,按鮑林近似能級(jí)圖排布電子,再調(diào)整同一電子層排在一起。,26,原子失去或得到電子是從最外層開(kāi)始的。 例 元素符號(hào) 原子價(jià)電子構(gòu)型 離子價(jià)電子構(gòu)型 Cr 3d54s1 Cr3+ 3d3 Ni 3d84s2 Ni2+ 3d8 Cu 3d104s1 Cu+ 3d10 Cu2+ 3d9 Sn 5s25p2 Sn2+ 5s2 Cl 3s23p5 Cl 3s23p6 O 2s22p4 O2 2s22p6,27,三、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系 (一) 原子的電子層結(jié)構(gòu) 見(jiàn)p151153 表7-6 以及元素周期表。 主族元素、 第4周期副族和B 、B元素，完全符合核外電子排布三原則。 第5、

15、6周期副族元素以及鑭系、錒系元素，有少部分“例外”情況。要以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。,掌握136號(hào)元素名稱、元素符號(hào)、電子結(jié)構(gòu)等,28,(二) 原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的劃分 原子的電子層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期性變化。能級(jí)組的劃分是周期劃分的本質(zhì)原因。第7周期是不完全周期。 周期數(shù)能級(jí)組數(shù)電子層數(shù) 例 根據(jù)外圍電子構(gòu)型判斷元素在第幾周期。 3s23p2 (第3周期) 3d104s1 (第4周期) 4s1 (第4周期) 4d15s2 (第5周期) 5s25p5 (第5周期) 5d76s2 (第6周期) 例外，46Pd ， 4d10，第5周期，只有4個(gè)電子層。,29,30,(三) 原子的電子

16、層結(jié)構(gòu)與族的劃分 8個(gè)主族(A族)：AA， A為稀有氣體元素。 8個(gè)副族(B族)：BB， B包含3個(gè)縱列。 價(jià)電子層（外圍電子) ：參與化學(xué)反應(yīng)的電子層。 （1） A族： A 、A ns12 AA ns2 np16 主族的族數(shù) =價(jià)電子數(shù)=最高氧化值 （2） B族： 族數(shù) 最高氧化值 B 、B (n-1)d10 ns12 ns 電子數(shù) 部分價(jià)電子數(shù) B B (n-1)d1 5ns12 價(jià)電子數(shù) 價(jià)電子數(shù) B (n-1)d 610 ns02 部分價(jià)電子數(shù) 部分價(jià)電子數(shù),31,例 根據(jù)外圍電子構(gòu)型判斷元素在第幾族。 3s23p2 (A) 3d104s1 (B) 4s1 (A) 4d15s2 (B

17、) 5s25p5 (A) 5d76s2 (B ),32,(四) 原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū) 按價(jià)電子構(gòu)型的特點(diǎn)，分為五個(gè)區(qū) s 區(qū)：A 、A ，ns12，都是活潑金屬。 p 區(qū)： AA，ns2 np16 ，大部分為非金屬。 d 區(qū)： B B，(n-1)d 110 ns02 ，都是金屬。 ds 區(qū)：B 、B，(n-1)d10 ns12 ，都是金屬。 f 區(qū)：鑭系(57 71號(hào)元素)和錒系(89 103號(hào)元素) ， (n-2) f114 (n-1)d0 2ns2 ，都是金屬。,33,第四節(jié) 元素某些性質(zhì)的周期性 一、原子半徑 概念（了解） （1）共價(jià)半徑：同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)單價(jià)結(jié)合時(shí)，核間

18、距離的一半。 （2）范德華半徑：在分子晶體中，相鄰分子間兩個(gè)鄰近的非成鍵原子的核間距離的一半。 （3）金屬半徑：在金屬晶體中，相鄰的兩個(gè)接觸原子的核間距離的一半。 共價(jià)半徑金屬半徑范德華半徑,34,（一）同一周期元素原子半徑的變化 短周期 (1、2、3) ：從左到右，原子半徑逐漸減小，變化幅度較大，最后稀有氣體的原子半徑變大(范德華半徑)。 長(zhǎng)周期 (4、5、6) ：從左到右，原子半徑逐漸減小(指總體趨勢(shì)，過(guò)渡元素有起伏)，變化幅度較小。 （二）同一族元素原子半徑的變化 主族元素： 自上而下，原子半徑逐漸增大。 副族元素：自上而下，原子半徑逐漸增大 (指總體趨勢(shì)，有例外) ，變化幅度較小，第五、六周期元素原子半徑非常接近 ( 鑭系收縮 )。,35,四、元素的電負(fù)性 概念： 在分子中，元素原子吸引電子的能力叫元素的電負(fù)性。（常用鮑林電負(fù)性） (一) 同一周期元素的電負(fù)性的變化 同一周期，自左至右，電負(fù)性逐漸增大(總體趨勢(shì)) 。 （過(guò)渡元素變化較不規(guī)