化学原理原子结构ppt课件.ppt

3 3 3原子的电子层结构与元素周期性 元素的性质主要取决于原子的电子层结构 尤其是价层电子结构 所以元素周期表明确地反映了元素的性质随原子序数的增加呈周期性的变化规律 原子的电子层结构 由于能级交错 第六周期电子排布顺序是 6s1 2 4f1 14 5d1 10 6p1 6第七周期电子排布顺序是 7s1 2 5f1 14 6d1 10 未完 第六周期中 从58号 71号的14个元素 其中最后一个电子填满4f轨道 这些元素和La称为镧系元素 第七周期中 从90号 103号的14个元素 其中最后一个电子填满5f轨道 这些元素和Ac称为锕系元素 这两组元素的最后一个电子排布在 n 2 f轨道 称为内过渡元素 元素的分区 f区元素 金属 原子最外层的s电子 次外层的d电子 外数第三层的部分或全部f电子参与反应 例 CeO2中Ce原子失去2个6s电子 1个5d电子和1个4f电子 s区元素 活泼金属 易失去最外层s亚层的1个或2个电子形成正离子 p区元素 稀有气体 非金属 半导体 只有最外层的s和p电子参与反应成键 8 N 规则 族序号为N的元素 其原子一般可提供 8 N 个电子与 8 N 个邻近原子形成具有 8 N 个共价键的分子 例VA的白磷分子为P4 每个磷与另外 8 5 3个P原子以共价单键连结 电子层结构与族的关系 凡是最后一个电子填入ns或np轨道的都是主族元素 其价电子的总数等于其族数 例 元素S 原子序数16核外电子排布 1s22s22p63s23p4价电子为3s23p4或写作 Ne 3s23p4 S是主族元素 第六主族 族数 最外层电子数 最高氧化数 O F除外 IIIB VIIB族元素 d区 族数 价电子 最外层和次外层电子 总数 IB和IIB族元素 ds区 族数 最外层电子数 例 Mn 原子序数25 电子构型 1s22s22p63s23p63d54s2 Ar 3d54s2VIIB族 电子构型 1s22s22p63s23p64s23d104p64d105s2 Kr 4d105s2IIB族 凡最后一个电子填入 n 1 d或 n 2 f轨道上的元素都属于副族 过渡元素 Cd 原子序数48 同一主族内 虽然不同元素的原子电子层数是不同的 然而都有相同的外层电子数 如IA为ns1 VIIA为ns2np5同一副族内 各元素原子的电子层虽不同 但它们最外层的ns和次外层 n 1 d能级上的电子数之和相同 第VIII族元素的原子结构没有这么明显的规律 例题 具有如下价电子的元素 它们属于哪一族或哪一种元素 具有3个p电子 3d轨道全满 4s轨道上有2个电子 有两个n 4 l 0的电子 8个n 3 l 2的电子 VA族元素Zn 3d104s2 Ni 3d84s2 3 4元素基本性质的周期性 原子电子层结构的周期性变化 导致了与原子结构有关的 影响甚至决定元素的性质一些原子参数 如 原子半径 电离能 电子亲合能 电负性等性质出现显著的周期变化规律 严格地讲 由于电子云没有边界 原子半径也就无一定数 迄今所有的原子半径都是在结合状态下测定的 3 4 1原子半径 原子半径 pm Li123 Be89 Mg136 Na154 Ca174 K203 Rb216 Sr191 Ba198 Cs235 Sc144 Mo130 Cr118 Mn117 Tc127 Re128 Os126 Ru125 Fe117 Co116 Rh125 Ir127 Pt130 Pd128 Ni115 Cu117 Ag134 Au134 Hg144 Cd148 Zn125 Ti132 V122 Nb134 Y162 Hf144 Ta134 W130 Lu158 Zr145 B82 C77 N70 O66 F64 Al118 Si117 P110 S104 Cl99 Ge122 Ga126 Tl148 In144 Br114 As121 Se117 Sn140 Sb141 Te137 I133 Bi146 Pb147 各周期末尾稀有气体的半径较大 是范德华半径所致 总趋势 随着原子序数的增大 原子半径自左至右减小 解释 电子层数不变的情况下 有效核电荷的增大导致核对外层电子的引力增大 原子半径在周期中的变化 主族元素 电子逐个填加在最外层 对原最外层上电子的屏蔽常数小 有效核电荷 Z 迅速增大 过渡元素 电子逐个填加在次外层 增加的电子对原来最外层上电子的屏蔽较强 有效核电荷增加较小 内过渡元素 电子逐个填加在倒数第三层 增加的电子对原来最外层上电子的屏蔽很强 有效核电荷增加甚小 主族元素 过渡元素 内过渡元素 相邻元素原子半径的减小幅度 主族元素 从左向右 逐渐减小 其中短周期 平均幅度 10pm 过渡元素 半径减小的幅度较为缓慢 平均幅度 4pm 全充满时 原子半径略有增加 内过渡元素 半径减小的幅度更为缓慢 镧系15个元素平均减小 1pm 主族元素的原子半径变化趋势 内部效应 镧系中相邻元素的半径十分接近 用普通的化学方法将很难分离 外部效应 使第5 6两周期的同族过渡元素性质极为相似 往往导致在自然界共生 而且相互分离不易 同族元素原子半径的变化趋势 同族元素原子半径自上而下增大 电子层依次增加 有效核电荷的影响退居次要地位 第6周期过渡元素 如Hf Ta 的原子半径与第5周期同族元素 如Zr Nb 相比几乎没有增大 这是镧系收缩的重要效应之一 3 4 2电离能 1mol基态的气态原子失去1个电子成为 1价气态离子所需的能量 为该元素第一电离能 I1 从1mol的 1价气态离子再失去一个电子成为 2价气态离子所吸收的能量 为该元素的第二电离能 I2 依此类推 同一元素的原子 I1 I2 I3 I4 同族总趋势 主族元素自上至下减小 与原子半径增大的趋势一致 同周期总趋势 自左至右增大 与原子半径减小的趋势一致 影响电离能大小的因素 与原子的核电荷数 原子半径有关 同一周期 自左向右 电子层数相同 核电荷数增加 半径减小 最外层电子数逐个增多 电离能随之增大 IA的I1最小 稀有气体的I1最大 过渡元素 由于电子加到次外层 有效核电荷增加不多 原子半径减小缓慢 电离能仅略有增加 在同一主族中 从上到下 最外层电子数相同 电子层数增加 半径增大 电离能也随之减小 与电子的构型有关 半充满 全充满的轨道具有较稳定的结构 因此具有较大的电离能 1mol的基态气态原子 得到电子生成 1价气态负离子时所放出的能量 称为该元素的第一电子亲合能 E1 3 4 3电子亲合能 元素1mol的 1价气态负离子 得到电子生成 2价气态负离子时所放出的能量 称为该元素的第二电子亲合能E2 一般元素的第二亲合能为负值 即此过程为吸收能量 因为负离子在得到电子需要吸收能量来克服电子之间的排斥力 电子亲合能的大小反映了原子得到电子的难易 若原子的核电荷Z大 原子半径r小 核对电子引力大 结合电子释放的能量多 电子亲合能E大 电子亲合能越大 原子得到电子变成负离子的倾向越大 非金属性也越强 3 4 4电负性 元素的电负性是指原子在分子中对成键电子吸引力相对大小的量度 鲍林 pauling 电负性 1932年 Pauling首先提出用电负性表示一个元素的原子在分子中吸引电子的能力 并规定F的电负性约为4 0 其它元素与F相比 得出相应的数据 一般地说 金属元素的电负性在2 0以下 非金属元素的电负性在2 0以上 同一周期中 从左到右元素的电负性增大 元素的非金属性变强 同一主族中 从上到下元素的电负性减小 副族元素电负性没有明显的变化 马利肯 Muliken 法 I E 分别为元素M的电离能和电子亲合能 计算公式 思考与回顾 两种原子的电子组态为 He 2s1和 He 2s2 加入的电子进入Li的2s轨道 但对Be而言必须进入2p轨道 核对2p轨道上的电子束缚较松 1 解释S的第一电离能为什么小于P P Ne 3s23px13py13pz1S Ne 3s23px23py13pz1S原子的电子有两个处于同一个3p轨道 紧密的接近引起强烈排斥 使核电荷更多被抵消 2 解释Cl的第一电离能为什么小于F 3 解释Be的核电荷大于Li 但电子亲和势却较小 4 解释N的电子亲和势小于C的原因 思考题 1 解释氢原子为什么是线状光谱 Bohr理论对氢原子光谱的解释 理论的意义和局限性 2 微粒运动的特点及其实验证据 3 利用deBroglie关系式计算物质波的波长 4 如何理解 s电子云是球形对称的 5 氢原子的1s电子于核外出现的概率最大的地方在离核52 9pm的球壳上 所以1s电子云的界面图的半径也是52 9pm 这句话对么 1 子弹质量10g 速度1000m s 2 电子质量9 1 10 31kg 运动速度5 9 105m s 6 为什么说p轨道有方向性 d轨道是否有方向性 7 量子力学如何描述原子中电子的运动状态 一个原子轨道要用哪几个量子数来描述 各量子数的物理意义和其取值的要求 量子力学的原子轨道与Bohr原子轨道的区别是什么 8 以2p n 2 l 1 为例 1 指出波函数 2 1 的径向分布函数D r 概率密度 电子云界面图等概念有何区别 2 原子轨道角度分布和电子云角度分布的含义的不同 其图象的区别在哪里 9 Cotton原子轨道能级图与Pauling近似能级图的区别 10 什么是钻穿效应 屏蔽效应 如何解释原子的M电子层最多可容纳18个电子 但第三周期只有8中元素 11 构造原理的主要内容 12 主族元素和过渡元素的原子半径随原子序数的增加 在周期表中由上到下和由左到右呈什么规律 当原子失去电子变成正离子和得电子变成负离子时 半径分别有什么变化 13 F 离子与Ne原子都具有8个价电子 它们的电离能有无区别 14 解释为什么H的第一电离能比Na第一电离能大得多 15 电子亲和能为什么有正有负 16 判断正误 1 价电子层排布为ns1的元素都是碱金属元素 2 第VIII族元素的价电子层排布为 n