原子结构与周期系课件.ppt

1、第第 9 章章 原子结构与周期系原子结构与周期系邬邬 泉泉 周周广州中医药大学中药学院化学教研室广州中医药大学中药学院化学教研室2023年年1月月2日星期一日星期一物质的宏观性质都由其微观结构决定。物质的宏观性质都由其微观结构决定。化学是研究原子间的化合与分解的科学。化化学是研究原子间的化合与分解的科学。化学运动的物质承担者是原子，通过原子间的学运动的物质承担者是原子，通过原子间的化合与分解而实现物质的转化。化合与分解而实现物质的转化。光光 波波 的的 能能 量量式中：式中：h 为普朗克常数：为普朗克常数：h=6.6310-34 JS 为光波频率。为光波频率。Eh光的频率越大，即波长越小，能量

2、越高。光的频率越大，即波长越小，能量越高。普朗克量子化理论：普朗克量子化理论：物质辐射能（电磁能、光子）的吸收或发射是不连续的，是以最小能量单位量子整数倍作跳跃式的增或减。量子量子的能量为的能量为 E=h变化总能量为变化总能量为 E=nh连连 续续 光光 谱谱9-1 核外电子运动的特征核外电子运动的特征一、量子化特性一、量子化特性二、波粒二象性二、波粒二象性三、测不准原理三、测不准原理 证明了：原子中电子运动的能量是不连续，证明了：原子中电子运动的能量是不连续，具有量子化特性。具有量子化特性。原子光谱原子光谱都是具有自己特征的不连续光谱，都是具有自己特征的不连续光谱，即线状光谱，即线状光谱，具

3、有量子化特征。具有量子化特征。一、量子化特性一、量子化特性氢原子可见光谱氢原子可见光谱原子可见光谱原子可见光谱通常通常电子尽可能处于能量最低的轨道上运动电子尽可能处于能量最低的轨道上运动(基基态态)，当从外界获取能量时电子当从外界获取能量时电子被激发到高能级被激发到高能级（E2）的轨道上运动）的轨道上运动(激发态激发态)，激发态不稳定，激发态不稳定，会跃迁到低能级（会跃迁到低能级（E1）轨道上运动。释放的光）轨道上运动。释放的光子频率子频率 21hvEE21EEvh电子能级量子化特性电子能级量子化特性二、波粒二象性二、波粒二象性1924年，德布罗意德布罗意预言：实物微粒具有波粒二象性。实物微粒

4、具有波粒二象性。hhpmv电子：电子：m=9.110-31 kg v 106 m/s =0.73nm 1927年，戴维逊等用电子衍射实验电子衍射实验证明了电子运动与光一样具有波动性。衍射图见P145。1000次连续射击，有次连续射击，有500次中十环，次中十环，250次中次中九环，九环，。则说中十环的机会是。则说中十环的机会是50%或或0.5，中九环的机会是，中九环的机会是25%或或0.25，。这种这种“机会机会”的百分数或小数叫的百分数或小数叫概率概率。例例 对于电子衍射图，从波的观点看，衍射强对于电子衍射图，从波的观点看，衍射强度大（亮）之处就是波的振幅大；而从粒子的度大（亮）之处就是波的

5、振幅大；而从粒子的行为看，衍射强度大的地方，入射到那里的电行为看，衍射强度大的地方，入射到那里的电子数目就多，电子出现的概率密度大。相反，子数目就多，电子出现的概率密度大。相反，衍射强度小的地方，入射到那里的电子数目就衍射强度小的地方，入射到那里的电子数目就少，电子出现的概率密度小。少，电子出现的概率密度小。即：在空间某一即：在空间某一点上，电子波的强度跟电子出现的概率成正比。点上，电子波的强度跟电子出现的概率成正比。用统计方法分析电子衍射实验：用统计方法分析电子衍射实验：注注：衍射强度即为振幅绝对值的平方：衍射强度即为振幅绝对值的平方三、测不准原理三、测不准原理在量子世界，测量过程本身将不可

6、避免地给我们在量子世界，测量过程本身将不可避免地给我们要测量的物体造成一个显著的要测量的物体造成一个显著的扰动扰动。而且，即使。而且，即使在原则上，我们也完全没有办法把这一扰动减小在原则上，我们也完全没有办法把这一扰动减小到零。对于微观物体来说，这样的扰动是无法忽到零。对于微观物体来说，这样的扰动是无法忽略的。略的。海森堡因发现测不准原理获得了1932年诺贝尔物理学奖。测不准原理测不准原理对微观粒子（电子、原子等）的运动状态，只对微观粒子（电子、原子等）的运动状态，只能用统计的方法做出能用统计的方法做出概率性（出现的机会）的概率性（出现的机会）的描述描述，而不能用经典力学的固定轨道来描述。，而

7、不能用经典力学的固定轨道来描述。测不准原理数学表达式测不准原理数学表达式44hhxPxm 或但但微观粒子微观粒子，m 非常小，则其位置与速非常小，则其位置与速度不能同时准确测定度不能同时准确测定对于对于宏观物体宏观物体，m 大，不确定因素非常大，不确定因素非常小，能准确的定出物质的运动轨迹。小，能准确的定出物质的运动轨迹。物质世界是一个不确定的世界，不管是微观世界还是宏观世界，我们将应坚决主张，必须进一步远离对自然的决定论的描述，并采用一种统计的随机描述。伊普里高津Erwin Schrodinger 奥地利物理学家奥地利物理学家9-2 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 量子力学原子

8、模型量子力学原子模型 电子的运动状态用波函数电子的运动状态用波函数（用符号（用符号 表示）来描述。表示）来描述。电子波：电子波：(x,y,z)或或 (r,)波函数具体数学表达形式及波函数具体数学表达形式及其对应的能量值通过其对应的能量值通过解薛定解薛定谔方程谔方程得到。得到。一、薛定谔方程一、薛定谔方程2228hVEm 2222222xyz Laplace 算符 量子力学中描述核外电子在空间运动的数量子力学中描述核外电子在空间运动的数 学函数式，即学函数式，即原子轨道原子轨道 E轨道能量（动能与势能总和轨道能量（动能与势能总和）势能算符，势能算符，m微粒质量，微粒质量，h普朗克常数普朗克常数x

9、,y,z 为微粒的空间坐标为微粒的空间坐标V将直角坐标转换为球极坐标后解薛定谔方程解薛定谔方程。解薛定谔方程可得到一系列的数学解波函数 ，但并不是所有的解都是合理的，为了得到 核外电子运动状态合理的解，要求一些物理量必 须是量子化的，从而引进了三个量子数量子数n,l,m。解薛定谔方程，可解出对应一组解薛定谔方程，可解出对应一组n,l,m 的的 波函数波函数n,l,m(r,)及其相应的能量及其相应的能量 E n,l 。不是一个具体的数值，而是用空间坐标（r,)描述概率波的数学函数数学函数。n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)径向部分 角向部分二、波函数和原子轨道二、波函数和原子轨

10、道(轨函轨函)（了解）（了解）三、四个量子数三、四个量子数1、主量子数、主量子数 n (电子层电子层)n=1,2,3,4正整数正整数，它决定电子离核的远近离核的远近和能级能级。如单电子原子的能级方程为：如单电子原子的能级方程为：213.6eV 1,2,3,4.Enn 2、角量子数、角量子数 l (电子亚层电子亚层)l=0,1,2 (n-1)分别以分别以s(l=0),p(l=1),d,f表示相应的轨道。表示相应的轨道。确定原子轨道和电子云的形状。确定原子轨道和电子云的形状。在多电子原子中，在多电子原子中，l 是决定电子能量的另一是决定电子能量的另一 因素。同层电子，因素。同层电子，l 越大，能量

11、越高。越大，能量越高。Ens Enp End Enf。n 值值 l 取值取值l 值值轨道符号轨道符号轨道形状轨道形状100s球形对称球形对称20,11p哑铃形哑铃形30,1,22d花瓣形花瓣形40,1,2,33fn0,1,2,3,(n-1)l 与与 n 的取值关系、轨道符号和形状的取值关系、轨道符号和形状l=0,1,2 (n-1)m 描述原子轨道在空间的伸展方向伸展方向。一种取向相当于一个轨道，共可取2l+1个数值。n 和 l 相同，m 不同的轨道其能级相同，称为等等价轨道价轨道或简并轨道简并轨道。3、磁量子数、磁量子数 mm=0,1,2,3.l(m l)l 值值 m 取值取值轨道取向轨道取向

12、l=0s 轨道轨道m=0只有一种取向，无方向性只有一种取向，无方向性sl=1p 轨道轨道m=+1,0,-1三种取向，三个等价轨道三种取向，三个等价轨道Px,Py,Pzl=2d 轨道轨道m=+2,+1,0,-1,-2五种取向，五个等价轨道五种取向，五个等价轨道dxy,dxz,dyz,dx2-y2,dz2m 与与 l 的关系的关系m=0,1,2,3.l4自旋磁量子数自旋磁量子数 ms12sm ms 表示同一轨道中电子的二种自旋状态表示同一轨道中电子的二种自旋状态。通常用通常用 表示顺时针和逆时针。表示顺时针和逆时针。和“”“”原子中每个电子的运动状态可用四个量子数原子中每个电子的运动状态可用四个量

13、子数(n,l,m,ms)来描述来描述四个量子数取值的相互限制关系四个量子数取值的相互限制关系 ln，ml，ms1/2核外电子运动的可能状态数核外电子运动的可能状态数 n l(ln)轨道符号轨道符号（能级）（能级）m (ml)轨道轨道数数各电子层各电子层轨道数轨道数（n2）最多状态数最多状态数（电子数）（电子数）（2n2）1 0 1s 0 1 1 2 2 0 1 2s 2p 0 +1,0,-1 1 3 4 8 3 0 1 2 3s 3p 3d 0 +1,0,-1 +2,+1,0,-1,-2 1 3 5 9 18 4 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 +1,0,-1 +2,+1,0,-1

14、,-2+3,+2,+1,0,-1,-2,-3 1 3 5 7 16 32注注：见：见 P148(1)n=2,l=1,m=0,ms=+1/2(2)n=3,l=3,m=2,ms=-1/2(3)n=3,l=2,m=2,ms=+1/2(4)n=4,l=2,m=3,ms=+1/2(5)n=2,l=1,m=1,ms=-1 例例 下列各组用四个量子数描述的核外电子运下列各组用四个量子数描述的核外电子运动状态是否合理？为什么？动状态是否合理？为什么？合理。2p 能级不合理。因取值ln。合理。3d 能级不合理。因取值ml。不合理。因ms只能取1/2四、原子轨道和电子云的空间形状四、原子轨道和电子云的空间形状波函

15、数表达式：波函数表达式：n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)径向部分 角向部分例如例如：氢原子波函数，见见P1511.角度分布图角度分布图 1）s、p、d 各种各种原原子轨道子轨道的角度分布的角度分布剖面图剖面图原子轨道角向部分 Y l,m(,)只与l,m有关，与n 无关。因此，不同电子层不同电子层n的的s,p,d,f 原子轨道角度分布原子轨道角度分布图相似。图相似。概率密度概率密度（2）：）：核外空间某处单位微体积中核外空间某处单位微体积中 电子出现的概率。电子出现的概率。电子云电子云：是概率密度：是概率密度 2 的具体图象，用小黑点的具体图象，用小黑点 分布疏密来表示电子在

16、核外某处出现分布疏密来表示电子在核外某处出现 概率密度的相对大小概率密度的相对大小2）电子云角度分布图）电子云角度分布图例例：基态基态 H 原子电子云原子电子云s、p、d 轨道各种轨道各种电电子云子云的角度分布剖的角度分布剖面图面图原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的区别区别原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的图形是类似的。主要区别有两点 a、原子轨道角度分布图胖胖一些，而电子云的角度分布图要瘦瘦一些。这是由于Y l,m(,)值小于1。b、原子轨道角度分布图上有有“”和和“”之分，而电子云的角度分布图上均为均为“”值。这是由于Y 值虽有“”和“”，但

17、却都是“”值。2Y9-3 多电子原子结构和元素周期系多电子原子结构和元素周期系一、多电子原子的原子轨道能级一、多电子原子的原子轨道能级 213.6eV 1,2,3,4.Enn 单电子原子单电子原子中，只考虑原子核对电子的吸引，电子能量只与 n 有关。即1s 2s2p 3s3p3d 各轨道间能量关系：各轨道间能量关系：多电子原子多电子原子中，由于电子间的相互排斥作用，中，由于电子间的相互排斥作用，以及电子的波动性，使同层但不同轨道上电子以及电子的波动性，使同层但不同轨道上电子具有不同能量。具有不同能量。能级组和近似能级图能级组和近似能级图泡令原子轨泡令原子轨道近似能级道近似能级图图 多电子多电子

18、原子中电子原子中电子填充各能级填充各能级的顺序的顺序（1）n 越大，能级越高。越大，能级越高。E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p （2）n 相同相同(同一层同一层)，l 越小，能级越低。越小，能级越低。Ens Enp End Enf （3）“能级交错能级交错”现象现象 E4s E3d，E 5s E4d，E6sE4fE5d 多电子原子中，原子轨道的能级变化多电子原子中，原子轨道的能级变化1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p二、基态原子的电子层结构二、基态原子的电子层结构1.电子排布原则电子排布原则1)能量最低原理能量

19、最低原理 原子核外电子的排布，总是尽可能使原子体原子核外电子的排布，总是尽可能使原子体 系的总能量最低。系的总能量最低。按泡令近似能级图依次充按泡令近似能级图依次充 填电子。填电子。2)泡令不相容原理泡令不相容原理 运动状态完全相同（即四个量数完全相同）运动状态完全相同（即四个量数完全相同）的电子是不相容的。的电子是不相容的。每个原子轨道最多能容纳两个电子，并且每个原子轨道最多能容纳两个电子，并且 自旋相反自旋相反；每一个电子层中电子的最大容纳量是每一个电子层中电子的最大容纳量是2n2个个3）洪特规则）洪特规则 在简并轨道上电子的排布，自旋平行的单电在简并轨道上电子的排布，自旋平行的单电子越多

20、，体系的能量就越低；子越多，体系的能量就越低；如，p3 而不是 或 在简并轨道中，当电子全充满、半充满和全在简并轨道中，当电子全充满、半充满和全空时，这些状态是比较稳定的。空时，这些状态是比较稳定的。全充满：全充满：p6 d10 f14 半充满：半充满：p3 d5 f7 全全 空：空：p0 d0 f02.原子的电子结构原子的电子结构 Z 元素符号元素符号 电子结构式电子结构式 电子轨道式电子轨道式2 He 1s28 O 1s22s22p418 Ar 1s22s22p63s23p626 Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 1s1 H 1s1 或或1s1s 2s2p3dArAr3d6

21、4s2 Ne 代表 1s2 2s22p6 Ar 代表 1s2 2s22p6 3s23p6 Kr 代表 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6 原子实体原子实体例：写出原子序数为24、28、29、38、50的元素的符号及电子结构式和外围电子构型Ar 3d54s1 3d54s1 Ar 3d84s2 3d84s2 Z 元素符号元素符号 电子结构式电子结构式 外围电子构型外围电子构型24 Cr28 Ni29 Cu38 Sr50 SnAr 3d104s1 3d104s1Kr 5s2 5s2Kr 4d105s25p2 5s25p2原子失去或得到电子从原子失去或得到电子从最外层最外层开始开

22、始元素符号元素符号 原子价电子构型原子价电子构型 离子价电子构型离子价电子构型 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简述题简述题：量子力学原子模型是如何描述核外电：量子力学原子模型是如何描述核外电子运动状态的？子运动状态的？量子力学原子模型用薛定谔方程及波函数来描量子力学原子模型用薛定谔方程及波函数来描述原子中电子的运动状态。从波动方程中解出述原子中电子的运动状态。从波动方程中解出的每一个波函数

23、的每一个波函数 n,l,m(r,)代表电子的一种代表电子的一种可能的稳定的运动状态。当四个量子数的取值可能的稳定的运动状态。当四个量子数的取值和组合确定之后，电子的运动状态也被确定。和组合确定之后，电子的运动状态也被确定。波函数波函数 (r,)的图形反映电子在某一空间出的图形反映电子在某一空间出现的概率，电子的运动没有固定轨道。现的概率，电子的运动没有固定轨道。三、原子的电子层结构和元素周期系三、原子的电子层结构和元素周期系在周期表中，在周期表中，元素的性质元素的性质随原子序数的递增而随原子序数的递增而呈现周期性变化，这个规律叫做呈现周期性变化，这个规律叫做元素周期律元素周期律。此来源于原子此

24、来源于原子电子层结构的周期性电子层结构的周期性变化。变化。1.元素周期表元素周期表（见书后附表）（见书后附表）元素周期表分为 s 区、p 区、d 区、ds 区、和 f区，每一族元素的价层电子排布相同（少数例外）。到目前为止，周期表分为七个周期（第七周期是不完整周期）。周期数周期数=电子层数电子层数=最外层电子所在轨道主量子数最外层电子所在轨道主量子数（46Pd例外）例外）2.电子层结构、族与元素的分区电子层结构、族与元素的分区主族元素主族元素：I（注：（注：族也称族也称 0 族族）s区区元素：最后一个电子填充在元素：最后一个电子填充在 s 轨道上轨道上 p区区元素：最后一个电子填充在元素：最后

25、一个电子填充在 p 轨道上轨道上 族数族数=价电子层电子数价电子层电子数价电子层价电子层为参与反应的电子层，主族的价电为参与反应的电子层，主族的价电子层为子层为nsnp，副族的价电子层为，副族的价电子层为(n-1)dns。d区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在 d 轨道上轨道上 族数族数=价电子层电子数（价电子层电子数（VIII族例外）族例外）ds区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在 d或或s 轨道轨道 上，且上，且d 轨道完充满。轨道完充满。族数族数=s 轨道上电子数轨道上电子数 f 区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在 f 轨道上，包轨道上，

26、包 括括镧系元素镧系元素和和锕系元素锕系元素。副族元素副族元素：IB VIIB、VIII族例例：根据外围电子构型判断元素在周期表中的位置根据外围电子构型判断元素在周期表中的位置4s1 4d15s25s25p5 5d76s23s23p2 第三周期A 3d104s1 第四周期B 第四周期A 第五周期 B 第五周期 A 第六周期 族例例：某元素原子序数为某元素原子序数为30，试指出它属于哪一周，试指出它属于哪一周期？哪一族？哪一区？是什么元素？期？哪一族？哪一区？是什么元素？解：解：Ar 3d104s2 第四周期第四周期 B族族 ds区区 Zn元素。元素。四、元素性质周期系四、元素性质周期系1.原子

27、半径原子半径 共价半径共价半径、范德华半径范德华半径、金属半径金属半径2.电离势电离势 元素的一个气态原子气态原子在基态时失去一个电子失去一个电子 成为气态的正一价离子时所消耗的能量，称 为该元素的第一电离势第一电离势（I1）。电离势的大小可表示原子失去电子的倾向，可电离势的大小可表示原子失去电子的倾向，可说明元素的金属性。说明元素的金属性。3.电子亲合势电子亲合势元素的一个气态原子气态原子在基态时获得一个电子获得一个电子 成为气态的负一价离子时所放出的能量，称为该元素的第一亲合势第一亲合势（E1）4.电负性电负性 原子的电负性是衡量分子中原子对成键电子原子的电负性是衡量分子中原子对成键电子吸

28、引能力相对大小的一种标度。吸引能力相对大小的一种标度。电负性越大，则吸电子能力越强。电负性越大，则吸电子能力越强。-+A BAB电负性电负性 A B B A本章知识重点本章知识重点1.基本概念基本概念 能量量子化、波粒二象性、能级、玻尔半径、能量量子化、波粒二象性、能级、玻尔半径、波函数、原子轨道、电子云、周期性、电负性波函数、原子轨道、电子云、周期性、电负性2.核外电子运动特征核外电子运动特征 能量量子化特性、波粒二象性能量量子化特性、波粒二象性3.几个公式几个公式Eh21hvEE21EEvh4.四个量子数四个量子数5.原子轨道及电子云角度分布图原子轨道及电子云角度分布图6.多电子基态原子及离子核外电子排布多电子基态原子及离子核外电子排布本章知识重点本章知识重点