第5章 原子结构和元素周期律.ppt

1、 第一节第一节 核外电子运动的特殊性核外电子运动的特殊性 第二节第二节 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 第三节第三节 多电子原子结构多电子原子结构第四节第四节 元素周期表元素周期表第五节第五节 元素性质的周期性元素性质的周期性一、玻尔理论一、玻尔理论二、电子的波粒二象性二、电子的波粒二象性一、玻尔理论 19世纪初，道尔顿提出了著名的世纪初，道尔顿提出了著名的原子学说原子学说。 19世纪末，汤姆逊提出了原子的世纪末，汤姆逊提出了原子的“枣糕模型枣糕模型”。 1911年，卢瑟福提出了年，卢瑟福提出了“行星系式行星系式”原子模型。原子模型。 1913年，玻尔以年，玻尔以“量子化量子化”

2、和和“能级能级”的观的观点提出了点提出了“定态模型定态模型”，即原子核外的电子只，即原子核外的电子只能在符合一定量子化条件的轨道上绕核运动。能在符合一定量子化条件的轨道上绕核运动。 其中能级最低为其中能级最低为基态基态, ,其余能级高于基态的其余能级高于基态的为为激发态激发态, ,原子轨道的能量是量子化的原子轨道的能量是量子化的. .并推得氢并推得氢原子轨道能量为原子轨道能量为E En n= -13.6/n= -13.6/n2 2(ev),n(ev),n为量子数为量子数. .氢原子光谱及实验示意图 德布罗意德布罗意(L. de Broglie)提出了提出了电子电子等实物粒子等实物粒子与光一样也

3、有与光一样也有波粒二象性波粒二象性的假设。对于质量为的假设。对于质量为m，速率为速率为v的微粒，动量为的微粒，动量为p ，其波长为，其波长为 = =hphmv 这就是著名的这就是著名的de Broglie关系式，反映粒子性关系式，反映粒子性的的p、m、v和反映波动性的和反映波动性的通过通过Planck常数常数 h 联系在一起。联系在一起。h =6.62610-34JS 所以，所以，电子波是电子波是概率波概率波(probability wave),反映了电子反映了电子在空间各区域出现的概率的大小。在空间各区域出现的概率的大小。 电子衍射图 单个电子穿过晶体光栅后投射在屏幕上 多个电子穿过晶体光栅

4、后投射在屏幕上 在电子出现在电子出现多多的地方，出现的地方，出现亮亮的环纹。电子出现的环纹。电子出现少少的地方，的地方，出现出现暗暗的环纹。的环纹。 核 外 电 子 具 有 波 粒 二 象 性 ，核 外 电 子 具 有 波 粒 二 象 性 ， 1 9 2 6 年 薛 定 谔年 薛 定 谔(Schrodinger)提出了描述电子运动规律的量子力学基本提出了描述电子运动规律的量子力学基本方程方程 。 2 x2+ + + (E-V ) =02 y22 z282m h2(x，y，z)是电子在空间的坐标，是电子在空间的坐标，m是电子的质量，是电子的质量，E是电子的总能量，是电子的总能量，V是核对电子的吸

5、引能，是核对电子的吸引能，是描述核外电子运动状态的数学函数，称为是描述核外电子运动状态的数学函数，称为波波函数函数(wave function)。 波函数是直角坐标波函数是直角坐标(x,y,z)或球极坐或球极坐标标(r, )的函数，是的函数，是Schrodinger方程方程合理解。合理解。 |2却有明确的物理意义，表示在空间某处却有明确的物理意义，表示在空间某处(x,y,z)电子出现的电子出现的概率密度概率密度(probability density)，即在该点周围微单位体积中电，即在该点周围微单位体积中电子出现的概率。子出现的概率。( (x x, ,y y, ,z z) )或或( (r r,

6、 , , ) )本身物理本身物理意义不明确。意义不明确。 波函数波函数n,l,m(r, )可写成两可写成两部分的乘积部分的乘积 径向波函数径向波函数角度波函数角度波函数 一、波函数一、波函数 n,l,m(r, ) = Rn,l (r)Yl,m(, ) | 2= |R(r) |2 |Y(, ) |2在在r相同时，相同时，|Y(, ) |大则概率密度大大则概率密度大 量子力学中将原子波函数量子力学中将原子波函数称为称为原子轨道原子轨道(atomic orbital，AO) 。 411BreA4122BrreAcos4323BrreAcossin4323BrreAsinsin4323BrreABre

7、A122BrreAcos43cossin4323BrreA23BrreA23BrreA4141sinsin43 二、波函数二、波函数 主量子数主量子数 n （轨道）角（动量）量子数（轨道）角（动量）量子数 l 磁量子数磁量子数 m 自旋（角动量）量子数自旋（角动量）量子数 s 要解要解Schrodinger方程，需要确定三个参数的数值，方程，需要确定三个参数的数值，这三个参数表示电子某种类型的运动状态，分别用这三个参数表示电子某种类型的运动状态，分别用n、l、m表示，称为表示，称为量子数量子数。另外，核外电子还存在自旋运动，用量子数另外，核外电子还存在自旋运动，用量子数 s 来描述来描述 给定

8、一套合理的给定一套合理的n、l、m，就可解出一个相应的就可解出一个相应的波波函数函数 ，即，即一套一套n、l、m就代表一个原子轨道就代表一个原子轨道。 取值：任意非零正整数，即取值：任意非零正整数，即n1、2、3、 n意义：意义： 俗称俗称电子层电子层。 n值越大，电子出现概率最大的区域值越大，电子出现概率最大的区域距核越远距核越远，能量越高能量越高。 当当 n 1、2、3、4时，时， 光谱学符号光谱学符号 K、L、M、N。(2)决定多电子原子电子能量的主要因素。决定多电子原子电子能量的主要因素。(1)反映了电子在核外空间出现概率反映了电子在核外空间出现概率最大的区域最大的区域离核的远近离核的

9、远近；l取值：受取值：受n限制，限制，l0、1、2、3 (n-1)正整数，正整数，共可取共可取n个值个值。 l 意义意义: (1)决定了同一电子层中不同的决定了同一电子层中不同的亚层亚层（能级能级）；n值值 1 2 3 4 l值值00，10，1，20，1，2，3(2)决定原子轨道和电子云的决定原子轨道和电子云的形状形状。 l 值值 0 1 2 3 4 5亚层符号亚层符号形状形状s球形球形pdfgh双球形双球形 花瓣形花瓣形（第（第n层有层有n个亚层）个亚层）亚层表示举例：亚层表示举例： n=2，l0的称的称2s电子亚层；电子亚层； n3，l1的称为的称为3p电子亚层电子亚层 Ens Enp E

10、nd Enf氢原子例外氢原子例外:Ens= Enp= End =Enf (3)在在多电子多电子原子中配合原子中配合n一起决定电子的一起决定电子的 能量。能量。n 相同，相同， l 越大，能量越高。越大，能量越高。 原因：原因：氢原子是氢原子是单电子单电子原子原子取值：受取值：受l 限制，可取包括限制，可取包括0、1、2、3直至直至l，共，共2l+1个数值。个数值。 m意义：决定原子轨道和电子云在空间的意义：决定原子轨道和电子云在空间的伸展方向。伸展方向。 l 值值 0 1 2 m 值值即：s 亚层只有亚层只有1个个AO; p 亚层有亚层有3个个AO; d 亚层有亚层有5个个 AO; f 亚层有

11、亚层有7个个AO. n和和l都相同的原子轨道能级相同，称为都相同的原子轨道能级相同，称为等价轨道等价轨道或或简并轨道简并轨道 。0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1, 2s s、p p、d d、f f 轨道依次有轨道依次有1 1、3 3、5 5、7 7 种取向。种取向。取值：取值：+1/2和和1/2，分别表示，分别表示顺时针顺时针和和逆时逆时针针两种自旋运动，通常也可分别用符号两种自旋运动，通常也可分别用符号“”和和“” 。表征：核外电子除围绕原子核的空间运动状态表征：核外电子除围绕原子核的空间运动状态外本身的外本身的自旋运动自旋运动。在同一原子轨道中，可容纳两种相反自旋方向的在同一原子

12、轨道中，可容纳两种相反自旋方向的电子，成为成对电子。电子，成为成对电子。两个电子自旋方向相同时称为平行自旋，反之称两个电子自旋方向相同时称为平行自旋，反之称为反平行自旋。为反平行自旋。 原子核外的每个电子的运动状态均可用对应的一原子核外的每个电子的运动状态均可用对应的一套套n、l、m、ms四个量子数来描述。四个量子数来描述。 练习：练习：1. 补足下列缺少的量子数补足下列缺少的量子数: n = 3, l = 1, m = ?, ms = -1/2。例如，与例如，与3s1对应的量子数为对应的量子数为解:m = +1或或0或或-12. 以下组合是否正确以下组合是否正确:(1) n = 3，l =

13、2，m =3，ms = -1/2； (2) n = 2，l = 2， m=0, ms = +1/2；解:(1) m = +2, +1, 0, -1, -2(2) l = 1, 0 n3，l = 0，m = 0，ms = +1/2或或1/2。也可写为也可写为(3, 0, 0, +1/2)或或(3, 0, 0, 1/2)将空间各处将空间各处| | |2 2（概率密度）用（概率密度）用疏密疏密程度不程度不同的小黑点表示，所得图形称为同的小黑点表示，所得图形称为电子云电子云(electron cloud)，其单位体积内黑点数与其单位体积内黑点数与| | |2 2成正比的成正比的。 电子云是概率密度的形

14、象化描述。（点越电子云是概率密度的形象化描述。（点越密表示概率密度越大。）密表示概率密度越大。） ,（一）氢原子波函数的角度分布图 (1) 氢原子的原子轨道角度分布图只与 l、m 有关，若原子轨道的 l、m 相同，它们的角度分布图就完全相同。 (2) 同一亚层中原子轨道角度分布图相同，但伸展方向不同，如 p 轨道有三种伸展方向，d轨道有五种伸展方向。 (3) 图中正、负号反映了波函数与角度有关部分的正、负。 (4) 原子轨道角度分布图只表示波函数随角度的变化情况，并不反映电子离核远近。 电子云图 等概率密度图 电子云界面图一、近似能级图一、近似能级图二、核外电子的排布二、核外电子的排布一、近似

15、能级图 1939 1939年，美国化学家鲍林（年，美国化学家鲍林（PaulingPauling）从大量光谱实验）从大量光谱实验数据中总结出多电子原子的原子轨道的近似能级顺序。数据中总结出多电子原子的原子轨道的近似能级顺序。核外电子排布的一般规则核外电子排布的一般规则: 泡利不相容原理泡利不相容原理;每个每个AO中最多容纳两个自旋方向相反的电子。中最多容纳两个自旋方向相反的电子。 能量最低原理能量最低原理;电子在核外排列应尽可能先排布在低能级轨道上。电子在核外排列应尽可能先排布在低能级轨道上。8O1s22s22p43s 3p3d4s17Cl2261s 2s 2p 3s 3p3d4s25根据这一原

16、理可算出根据这一原理可算出各电子层最多能容纳电子数各电子层最多能容纳电子数为为2n2。例如，例如，8O原子核外电子在原子轨道中的填充情原子核外电子在原子轨道中的填充情况可表示为：况可表示为：2s1s2p而不是而不是2s1s2p2s1s2p或 洪特规则洪特规则;电子将尽可能单独分占不同的等价轨道电子将尽可能单独分占不同的等价轨道,且自旋且自旋方向平行。方向平行。p6d10f14p3d5f7p0d0f0洪特特例：洪特特例：轨道处于轨道处于全充满、半充满、全空全充满、半充满、全空时时, 原原子较稳定。子较稳定。一、元素的周期一、元素的周期二、元素的族二、元素的族三、元素的分区三、元素的分区二、元素的

17、族二、元素的族 将元素原子的外层电子排布相同或相似的元素排成一个纵行，称为族族。关于族的划分，目前主要有两种方法。一种划分方法是 IUPAC 于 1986 年推荐的，每一个纵行为一族，周期表共有 18 个纵行，分为 18 个族，从左向右用阿位伯数字 118 标明族数。 另外一种我国比较流行的划分方法是分为 16个族，除 8, 9, 10 这 3 个纵行为 族外，其余 15 个纵行，每一个纵行为一个族。由长周期元素和短周期元素组成的族称为主族主族，也称 A 族；只由长周期元素组成的族称副族副族，也称 B 族。 根椐元素原子的外层电子组态，可将周期表中的元素分为五个区。三、元素的分区三、元素的分区

18、（按价层电子组态的特征分）（按价层电子组态的特征分） （按最后（按最后1个电子填充的轨道分）个电子填充的轨道分）ns12ns2np16(n -1)d110 ns12(n-2)f114s区区p区区ds区区f区区过渡元素过渡元素内过渡元素内过渡元素 同一周期的主族元素，从左到右，随着原子序数的增大，原子半径逐渐减小。 同一周期的副族元素，从左到右，随着原子序数的增大，原子半径略有减小。 同一族的主族元素，从上到下，原子半径增大。同一族的副族元素，原子半径的变化趋势与主族元素相同，但原子半径增大的幅度较小。1A18 0 H322A1314151617 He 93 Li123 Be 89 B82 C7

19、7 N70 O66 F64 Ne112 Na154Mg136345671112 Al118 Si117 P110S104Cl99 Ar154 K203 Ca174 Sc144 Ti132 V122 Cr118Mn117 Fe117 Co116 Ni115 Cu117 Zn125 Ga126 Ge122 As121 Se117 Br114 Kr169 Rb216 Sr191 Y162 Zr145 Nb134 Mo130 Tc127 Ru125 Rh125 Pd128 Ag134 Cd148 In144 Sn140 Sb141 Te137 I133 Xe190 Cs235 Ba198 La169

20、Hf144 Ta134 W130 Re128 Os126Ir127 Pt130 Au134 Hg144 Tl148 Pb147 Bi146 Po146 At145 Rn222某些元素的原子半径（r/pm）B B BB BA A A A ABB8 9 10 金属元素的电负性一般小于 2.0，非金属元素的电负性一般大于 2.0。 同一周期元素，从左到右，电负性逐渐增大。同一族主族元素，从上到下，元素的电负性逐渐减小。副族元素的电负性变化不甚规律，总变化趋势是同一副族元素从上到下电负性增大。1A18 0H2.12A13A14A15A16A17AHeLi1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5

21、F4.0NeNa0.9Mg1.23B4B5B6B7B 891011B12BAl1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0ArK0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9Zn1.9Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8KrRb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pd2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5XeCs0.7Ba0.9La1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.8Bi1.9Po2.0At2.2RnFr0.7Ra0.9Ac1.1元素的电负性元素的电负性 第一节第一节 核外电子运动的特殊性核外电子运动的特殊性 第二节第二节 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 第三节第三节 多电子原子结构多电子原子结构第四节第四节 元素周期表元素周期表第五节第五节 元素性质的周期性元素性质的周期性