物质结构与性质之原子结构与元素性质.doc

原子结构与元素性质能层：原子核外的电子是分层排布的,每一层都可以叫做能层,这样就可以分为K.L.M.N.O.P.Q这7个能层,每个能层最多能排2n2 个电子(但是没有这么元素,目前最多的是N层有32个),每个能层又可以为多个能级,掌握电子层排布对了解性质十分重要。能级的概念由波尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。 能级高中知识基态在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态激发态原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为：n(n-1)/2辐射出的光的频率(即光子的能量)由h初终决定。构造原理随电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按如下顺序填入核外电子运动轨道，叫做构造原理（aufbau principle）。注：aubfbau是德文“构造”。所谓“随电荷递增电子填入轨道”，是一种象形的说法，是一种思维模式，事实上单独地考察某一个多电子原子的电子在原子核外排布是并没有先后填入的次序。原子核外电子排布的原理处于稳定状态的原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理排布，另外，由于电子不可能都挤在一起，它们还要遵守保里不相容原理和洪特规则，一般而言，在这三条规则的指导下，可以推导出元素原子的核外电子排布情况，在中学阶段要求的前36号元素里，没有例外的情况发生。最低能量原理电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20 层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有见过物 体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全 （或稳定）的一种状态（基态），也就是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总有时时刻刻想回到基 态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。 这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p 规则E：np（n1）d（n2）fns保里不相容原理我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没 有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是保里不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向 必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足 够小，每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据保里不相容原理，我们得知：s亚层只 有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层 （K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、 3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。洪特规则从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于 全满（s2、p6、d10、f14） 半满（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。这类似于我们坐电梯的情况中，要么电梯是空的，要么电梯里都有一个人，要么电梯里都挤满了两个人，大 家都觉得比较均等，谁也不抱怨谁；如果有的电梯里挤满了两个人，而有的电梯里只有一个人，或有的电梯里有一个人，而有的电梯里没有人，则必然有人产生抱怨 情绪，我们称之为不稳定状态。基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。这是电子的稳定状态。激发态：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到较高能级但尚未电离的状态。激发态一般是指电子激发态，气体受热时分子平动能增加，液体和固体受热时分子振动能增加，但没有电子被激发，这些状态都不是激发态。当原子或分子处在激发态时，电子云的分布会发生某些变化，分子的平衡核间距离略有增加，化学反应活性增大。所有光化学反应都是通过分子被提升到激发态后进行的化学反应，因此光化学又称激发态化学。电离辐射（或电磁辐射）与物质作用中，当转移到原子或分子的能量低于其电离电位而又足以使电子跃迁到较高能级时，原子或分子处于激发态。激发态和基态具有不同的位能曲线和平衡核间距。 产生激发态的方法主要有：光激发。处于基态的原子或分子吸收一定能量的光子，可跃迁至激发态，这是产生激发态的最主要方法。放电。主要用于激励原子，如高压汞灯、氙弧光灯。化学激活。某些放热化学反应可能使电子被激发，导致化学发光。激发态是短寿命的，很容易返回到基态，同时放出多余的能量。激发态去活的途径有：辐射跃迁（荧光或磷光 )。无辐射跃迁（系间窜越，内部转变）。传能和猝灭（激发态分子将能量传递给另一基态分子并使其激发）。原子光谱：原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂，最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ，能量高于基态的叫做激发态 ，它们构成原子的各能级（见原子能级）。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用，对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展；反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。原子或离子的运动状态发生变化时，发射或吸收的有特定频率的电磁波谱原子光谱的覆盖范围很宽，从射频段一直延伸到X射线频段，通常，原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的因此，用原子光谱可以研究原子结构由于原子是组成物质的基本单位，原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的另一方面，由于原子光谱可以了解原子的运动状态，从而可以研究包含原子在内的若干物理过程原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中电子云概念电子云就是用小黑点疏密来表示空间各电子出现概率大小的一种图形。1、表示电子在核外空间某处出现的机会，不代表电子的运动轨迹；2、小黑点的疏密表示出现机会的多少，密则机会大，疏则机会小。性质原子核周围的空间，由于电子的运动而形成的阴电气氛。描述原子或分子中电子在原子核周围各区域出现的几率。可以在图像中用电子云密度(阴电气氛的浓厚程度)来表示，以不同的浓淡点代表几率的大小，其结果像电子在原子核周围形成的云雾。电子云的空间分布也可用等密度面表示。形状电子是一种微观粒子，在原子如此小的空间(直径约10-10米)内作高速运动，并且运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会的大小。电子云图像中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一次概率（不表示一个电子）概率密度越大电子云图像中的小黑点越密，离核近处，黑点密度大，电子出现机会多，离核远处，电子出现机会少。电子云有不同的形状，分别用符s、 p、 d、 f、g、h表示，s电子云呈球形，在半径相同的球面上，电子出现的机会相同，p电子云呈纺锤形(或哑铃形)，d电子云是花瓣形，f电子云更为复杂，g、h的电子云形状就极为复杂了。有科学家在太阳辐射源里发现过电子云。最低能量原理电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20 层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有见过物 体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全 （或稳定）的一种状态（基态），也就是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总有时时刻刻想回到基 态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。 这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p 规则E：np（n1）d（n2）fns保里不相容原理我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没 有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是保里不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向 必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足 够小，每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据保里不相容原理，我们得知：s亚层只 有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层 （K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、 3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。洪特规则从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于 全满（s2、p6、d10、f14） 半满（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。这类似于我们坐电梯的情况中，要么电梯是空的，要么电梯里都有一个人，要么电梯里都挤满了两个人，大 家都觉得比较均等，谁也不抱怨谁；如果有的电梯里挤满了两个人，而有的电梯里只有一个人，或有的电梯里有一个人，而有的电梯里没有人，则必然有人产生抱怨 情绪，我们称之为不稳定状态。原子半径通常是指以实验方法测定的相邻两种原子核间距离的一半。从理论上说，核外电子无严格固定的运动轨道，所以原子的大小无严格的边界，无法精确测定一个单独原子的半径，因此目前所使用的原子半径数据只有相对的、近似的意义。根据测定的方法不同，有3种原子半径（1）共价半径：两原子之间(原子可以相同也可以不相同)以共价键结合时，两核间距离的一半。实际上核间距离即是共价键的键长。（2）金属半径：金属晶体中相邻两金属原子间距离的一半。（3）范式半径：靠范德华力相互吸引的相邻不同分子中的两个相同原子核间距离的一半。电负性电负性综合考虑了电离能和电子亲合能，首先由莱纳斯鲍林于1932年提出。它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性。元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强。电离能(I)基态的气态原子失去一个电子形成气态一价正离子时所需能量称为元素的第一电离能（I1）。元素气态一价正离子失去一个电子形成气态二价正离子时所需能量称为元素的第二电离能（I2）。第三、四