高考化学一轮复习 原子结构 ppt.ppt

在原子中最简单的是氢原子和类氢体系he li2 对这类体系进行的理论处理所得到的结论可以推广到多电子原子 解这类体系的薛定谔方程可以得到描述核外电子运动规律的波函数 原子轨道 2 3氢原子的结构与原子轨道 由于使用的是球极坐标 波函数中包含的变量分别是r 波函数具体数学形式实际上由三个整数n l m来确定 这三个整数是在解方程得过程中自然而然地得到的 我们把这三个整数称之为量子数 量子数n l m的物理意义确定原子轨道的三个量子数n l m它们的取值是相互制约的 n l m之间的关系是三个量子数作用和物理意义分别介绍如下 主量子数n主量子数n决定能级的高低可见 原子核外电子能级的变化是不连续的 量子化的 当我们按照能级的高低对核外电子分层时 n就表示电子所在的层数 n 123456 电子层符号klmnop 角量子数l角量子数确定原子轨道的形状 由于轨道角动量的大小与原子轨道的形状有关 所以被称为角量子数 按光谱学的习惯有下列对应关系 角量子数原子轨道我们把角量子数l相同的原子轨道定义为亚层 因此 角量子数确定电子所在的亚层 角量子数的取值受主量子数n的限制 有n 1中取值 磁量子数m磁量子数m确定原子轨道的空间伸展方向 磁量子数m的取值受角量子数l的限制 只能取m l l 1 1 0 1 l 1 l共有2l 1种取值 因此 原子轨道的空间伸展方向有2l 1种 s轨道和p轨道的角度分布图 d轨道的角度分布图 了解原子轨道的角度波函数的分布图象对于掌握原子轨道在化学成键过程中的相互作用是十分重要的 特别要注意角度分布的形状 最大值的方向 对于一个给定的n值 l有n个不同的取值 对应每一个l m又有 2l 1 个不同的取值 所以 在同一个电子层中有n个亚层 每一个亚层中又有 2l 1 个空间伸展方向各不相同的原子轨道 在一个电子层中包含的原子轨道的总数为 电子云所谓的电子云就是用疏密不同的点来表示几率密度 的图形 氢原子1s电子的电子云 2 4多电子原子及原子核外的电子排布 从氢原子和类氢体系得到的原子轨道的概念对于多电子原子也同样适用 但是氢原子的原子轨道能级仅仅与主量子数n有关 主量子数相同的所有原子轨道能级相等 例如 而多电子原子的原子轨道能级不仅与主量子n数有关 而且和角量子数l有关 其能级的高低顺序如下图所示 核外电子填充顺序图 一般来说 多电子原子核外能级由低到高的顺序是 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 其中3d排在4s之后 4d排在5s之后 4f 5d排在6s之后 5f 6d排在7s之后 这种现象叫做能级交错现象 电子自旋原子核外电子的运动状态用三个量子数就可以得到很满意的描述 可是进一步研究却发现了例外的情况 在高分辨率的光谱仪中观测到钠光谱的黄线 d线 分裂成两条靠得很近的谱线 波长只相差6 分别是5890 和5896 过去已经知道这条谱线是电子从3p回到3s态产生的 它为什么会发生分裂 根据我们已经掌握的关于电子运动的知识是无法解释的 可以肯定电子除了轨道运动 还有尚未被我们认识到的其它运动方式 1925年g uhlenbeck和s goudsmit提出电子具有不依赖轨道运动的自旋运动方式 遗憾的是电子的自旋运动方式本身是无法进行经典类比的 不能说电子的自旋运动就象行星的自转一样 类似的比喻都是不恰当的 实验证实电子的自旋运动方式有两种 由于自旋产生的磁矩的方向相反 习惯上我们把其中的一种叫 自旋态 用箭头 表示 也叫向上的自旋 另一种叫 自旋态 用箭头 表示 也叫向下的自旋 泡利 pauli 不相容原理同一个原子轨道中最多能容纳两个电子 而且两个电子的自旋必须相反 有了原子轨道能级顺序 我们就可以根据能量最低原理和泡利原理来研究原子核外的电子排布 也就是原子的电子结构 电子排布式我们先用阿拉伯数字写出电子层的序号 主量子数 然后再写出亚层的符号 s p d f 再把亚层中包含的电子数标记在亚层符号的右上方 例如 氢原子的电子排布式为由于2s 2p 中没有电子填充 书写时可以略去 电子式表示了电子所在的电子层及亚层 氦的电子排布式为 第二周期元素的电子排布式libebcnofne 洪特规则洪待规则是电子在同一亚层轨道上排布时遵循的规律 它指出电子在在同一亚层中 如3个p轨道 5个d轨道 7个f轨道 上排布时 将尽可能分占不同轨道 并且自旋平行 这样排布的原因是这种排布使整个原子的能量最低 例如在碳原子中氮原子中 第三周期元素的电子排布式namgalsipsclar 从第四周期开始出现能级交错现象 3d和4s轨道的能级之差很小 同时还由于洪特规则的作用 因此 情况比较复杂 kcasctivcrmn feconicuzngageassebrkr 根据洪特规则 人们总结出 当同一亚层轨道半满 全满 以及全空 时 都可使原子整体能量处于相对较低的状态 正因为如此 铬cr的外围电子排布变为 而不是 特别是第46号元素鈀pd 外围电子排布是而不是 这是周期表中唯一的电子层数与元素所在的周期数不相等的元素 2 5元素周期律 总结一下原子核外电子排布的特点 特别是外层电子结构的变化 第一周期hhe外层电子数12第二周期line外层电子数18第三周期naar外层电子数18第四周期kkr外层电子数18次外层电子数818 经过总结可以得出这样的结论 随着原子序数的递增 原子核外的电子排布呈周期性的变化 由于元素的性质由原子的电子层结构所决定 因此 我们可以重新阐述元素周期律的本质 随着原子序数的递增 原子电子层结构呈周期性变化 因而元素的性质也呈周期性的变化 电离能气态原子失去一个电子成为一价气态阳离子所需的最低能量称为原子的第一电离能 i1 即气态失去一个电子成二价气态正离子所需的能量为第二电离能 i2 依次类推 原子的电离能用来衡量一个原子丢失电子的难易程度 电离能特别是第一电离能反映了单个原子失去电子能力的大小 元素的原子电离能越小 说明它越容易失去电子 其金属性越强 图2 5 1示出原子的i1 和i2与原子序数z的关系 由图中i1 z的曲线可见电离能具有明显的周期性 对于多电子原子来说 各级电离能的大小顺序是i1 i2 i3 这是因为离子的电荷正值越大 离子半径越小 失去电子越困难 需要的能量越高 电离能数值的大小 主要取决于原子的核电荷数 原子半径以及原子的电子层结构 因此在周期表中 各元素的电离能 特别是第一电离势i1必然也呈周期性变化 一般说来 同一周期的元素电子层数相同 从左到右核电荷数增大 原子半径减小 核对外层电子的引力增大 因此越靠右的元素 越不易失去电子 电离能也就越大 对于同一族来说 最外层的电子数相同 但自上而下 电子层数增多 原子半径增大起主要作用 半径越大 核对外层电子的引力越小 越容易失去电子 电离能就越小 因此元素第一电离能的周期性变化也是原子电子层结构周期性变化的必然结果 1 稀有气体的电离能总是处于极大值 而碱金属处于极小值 这是由于稀有气体的原子形成完满电子层 从完满电子层移去一个电子是很困难的 碱金属只有一个电子在完满电子层之外 很易失去 但若再电离第二个电子就困难了 所以碱金属容易形成一价正离子 碱土金属的i1比碱金属稍大一些 i2仍比较小 其原因和碱金属的i1较小一样 因此碱土金属较易成二价正离子 2 除过渡金属元素外 同一周期元素的i1 基本上随着原子序数的增加而增加 例如h he li ne na ar k kr等等 而同一族元素随原子序数的增加 i1趋于减小 因此周期表左下角的碱金属的第一电离能最小 最容易丢失电子成正离子 金属性最强 周期表右上角的稀有气体元素的i1最大 最不易丢失电子 3 过渡金属元素的第一电离能不规则地随原子序数的增加而增加 4 同一周期中 第一电离能的变化具有起伏性 如第二周期由li ne并非单调上升 be n ne都较相邻两元素为高 这是由于能量相同的轨道电子填充出现全满 半满或全空等情况 li的第一电离能最低 由li到be随核电荷升高电离能升高 这是由于be为电子组态 b失去一个电子可得的结构 所以b的第一电离能反而比be低 氮原子有较高的电离能 因它为半充满的 的结构 氧原子的电离能又低于氮原子 因失去一个电子可得半充满的组态 ne为的稳定结构 在这一周期中电离能最高 你能根据第三周期元素原子的电子结构来说明第一电离能随原子序数的变化图吗 第三周期元素第一电离能变化图 电子亲和能气态原子获得一个电子成为一价负离子时所放出的能量称为电子亲和能 常用y表示 即由于负离子的有效核电荷较原子少 电子亲和能的绝对数值一般约比电离能小一个数量级 加之数据测定的可靠性较差 重要性不如电离能 电子亲和能的大小涉及 i 核的吸引和 ii 核外电子相斥两个因素 原子半径减小 核的吸引力增大 但电子云密度也大 电子间排斥力增强 虽然一般说来 电子亲和能随原子半径减小而增大 在同一周期中 从左到右电子亲和能增大 在同一族中 从上到下电子亲和能减小 但同一周期和同一族元素都没有严格的单调变化规律 电负性 电负性 概念由pauling提出 用以量度原子对成键电子吸引能力的相对大小 当a和b两种原子结合成双原子分子ab时 若a的电负性大 则生成分子的极性是a原子带有较多的负电荷 b原子带有较多的正电荷 分子的极性愈大 离子键成分愈高 因此电负性也可看作是原子形成负离子倾向相对大小的量度 1 同一周期的元素由左向右随着族次增加 电负性增加 对第二周期元素 原子序数每增加一个 电负性值约增加0 5 同一族元素 其电负性随着周期的增加而减小 因此 电负性大的元素集中在周期表的右上角 而小的分布于左下角 2 电负性差别大的元素之间的化合物以离子键为主 电负性相近的非金属元素相互以共价键结合 金属元素相互以金属键结合 元素周期表的结构关于元素周期表的知识在中学化学中已经作了一些介绍 下面主要介绍按照外围电子 价电子结构进行分区的知识 s 包括 a和 a族 p 包括 a a a a a和0族 d 包括 b b b b和 b族 ds 包括 b和 b族 f 包括镧系元素和锕系元素 元素周期表 例1 第二十届过国际奥林匹克化学竞赛第一题1 在我们这个三维空间世界里的周期系是根据4个量子数建立的 即n 1 2 3 l 0 1 n 1 ml 0 1 2 l ms 1 2 如果我们搬到一个想象的 平面世界 去 那是一个二维世界 那里的周期系是根据三个量子数建立的 即n 1 2 3 m 0 1 2 n 1 ms 1 2 这个 平面世界 里的m所代表的意义 相当于三维世界中l和ml二者的作用 例如 用它也能表示s p d 能级 不过我们在普通三维世界中的基本原理和方法对这个二维的 平面世界 是适用的 下面几个问题都与这个 平面世界 有关 1 画出 平面世界 周期表前四个周期 在其中按照核电荷标明原子序数 并用原子序数 z 当做元素符号 写出每一元素的电子构型 2 现在研究n 3的各元素 指出与 平面世界 中每种元素相对应的我们三维空间中的各种元素的符号 根据这种相似性 你估计在常温常压下 哪些 二维世界 单质是固体 哪些是液体 哪些是气体 3 画出n 2各元素的杂化轨道 在 平面世界 中的有机化学是以哪一种元素为基础的 用原子序数作元素符号 指出乙烷 乙烯和环已烷分别与在 平面世界 中的什么化合物对应 在 平面世界 中什么样的芳香化合物可能存在 4 在这个 平面世界 中 有哪些规则和三维世界中所用的8电子和18电子规则相当 5 画图说明n 2的几个 平面世界 元素的第一电离能的变化趋势 在 平面世界 周期表中 画出元素的电负性增长方向 6 画出 平面世界 中n 2的各元素的电中性 同核双原子分子的分子轨道能级图 其中哪些分子是稳定的 7 n 2的各元素分别与最轻的元素 z 1 形成简单的二元化合物 用原子序数做为元素符号 画出它们的lewis结构式 并画出它们的几何构型 指出分别与它们中每一化合物相应的三维世界中的化合物 答案 1 2 三维空间与 平面世界 相应的元素 n 3 3 n 2元素的杂化轨道 平面世界 有机化学是以元素5为基础的 平面世界 中不可能有芳香族化合物 4 平面世界 中6电子 10电子规则分别和三维空间中8电子 18电子规则相当 5 平面世界 n 2 元素的第一电离能 i 变化趋势和电负性增长方向 6 7 平面世界 中n 2元素和最轻元素化合物的路易斯结构 几何构型及三维空间中相应的化合物 例2 2004年浙江省高中学生化学竞赛试题 若原子核外电子排布的基本规律为最外层电子数不超过5个 次外层电子数不超过10个 倒数第三层电子数不超过15个 而各电子层电子的最大容量仍为2n2 则元素周期表中第三 四 五周期含有的元素分别有 a 5种 10种 15种 b 8种 18种 18种 c 8种 10种 15种 d 9种 10种 15种答案 c 例3 中国化学会2004年全国高中学生化学竞赛 省级赛区 试题 2004年2月2日 俄国杜布纳实验室宣布用核反应得到了两种新元素x和y x是用高能48ca撞击am靶得到的 经过100微秒 x发生 衰变 得到y 然后y连续发生4次 衰变 转变为质量数为268的第105号元素db的同位素 以x和y的原子序数为新元素的代号 左上角标注该核素的质量数 写出上述合成新元素x和y的核反应方程式 答案 例4 2004年四川省高中学生化学竞赛预赛试题 1982年前联邦德国达姆塔特重离子研究中心的科学家用冷态聚变法经5826fe轰击20983bi投篮109号元素 1984年该研究中心合成了第108号元素 它是在重离子加速器中用582