天津大学无机化学第五章原子结构与元素周期性(全)

2020/5/23,.,第一节原子与元素,无机化学多媒体电子教案,第五章原子结构和元素周期性,第一节原子与元素,2020/5/23,.,5-1-3原子轨道能级,5-1-3原子轨道能级,aa,为连续光谱,氢原子光谱,为带状光谱,2020/5/23,.,波尔氢原子模型,n越小,离核越近,轨道能量越低,势能值越负,n,2020/5/23,.,波尔氢原子模型,基态激发态(电子处于能量较高的状态),2020/5/23,.,-0.445-0.605-0.872-1.36-2.42-5.45-21.79,E/10-19J,7654321,n,121.6nm,120.6nm,97.25nm,94.98nm,93.78nm,93.14nm,656.5nm,486.1nm,434.1nm,410.2nm,397.2nm,HHHHH,如氢原子光谱中的H线,2020/5/23,.,波尔氢原子模型,2020/5/23,.,第二节原子结构的近代概念,第五章原子结构和元素周期性,第二节原子结构的近代概念,无机化学多媒体电子教案,2020/5/23,.,原子结构的近代概念,电子的波粒二象性概率和概率密度原子轨道电子云量子数,2020/5/23,.,5.2.1电子的波粒二象性,20世纪初人们已经发现，光不仅有微粒的性质，而且有波动的性质，即具有波粒二象性。,1924年，LouisdeBroglie(德布罗意)认为：质量为m,运动速度为的粒子，相应的波长为：,=h/m=h/p，h=6.62610-34Js，Plank常量。,1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。,2020/5/23,.,5.2.2概率和概率密度,概率：电子在原子核外空间某处出现的机率。,量子力学认为，原子中个别电子运动的轨迹是无法确定的，亦即没有确定的轨道，这一点是与经典力学有原则的差别。但是原子中电子在原子核外的分布还是有规律的：核外空间某些区域电子出现的概率较大，而另一些区域电子出现的概率较小。,概率密度：电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概率。,2020/5/23,.,5.2.3原子轨道,1.波函数,Schrdinger方程,2020/5/23,.,直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,)的转换,2020/5/23,.,在量子力学中是用波函数和与其对应的能量来描述微观粒子的运动状态的.,原子中电子的波函数既然是描述电子云运动状态的数学表达式,而且又是空间坐标的函数,其空间图象可以形象地理解为电子运动的空间范围,俗称”原子轨道”.为了避免与经典力学中的玻尔轨道相混淆,又称为原子轨函(原子轨道函数之意),亦即波函数的空间图象就是原子轨道,原子轨道的数学表达式就是波函数.,2020/5/23,.,波函数的物理意义,2：原子核外出现电子的概率密度。,电子云是电子出现概率密度的形象化描述。,2020/5/23,.,2.原子轨道角度分布图,将波函数的角度分布部分（Y）作图，所得的图象就称为原子轨道的角度分布图。,如氢原子的1s轨道的波函数为：1s=(1/a03)1/2e-r/a0其中径向部分为：R10(r)=2(1/a0)3/2*e-r/a0角度部分为：Y00=(1/4)1/2,2020/5/23,.,对于2p轨道,2020/5/23,.,2020/5/23,.,2020/5/23,.,5.2.4电子云,1.概率密度,在光的波动方程中，代表电磁波的电磁场强度。由于：光的强度光子数目/V（体积）=光子密度而光的强度又与电磁场强度（）的绝对值成正比：光的强度|2,所以，光子密度是与|2成正比的。同理，在原子核外某处空间，电子出现的概率密度（）也是和电子在该处的强度（）的绝对值平方成正比的：|2,2020/5/23,.,2.电子云,为了形象地表示核外电子运动的概率分布情况，化学上惯用小黑点分布的疏密表示电子出现概率密度的相对大小。小黑点较密的地方，表示概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。用这种方法来描述电子在核外出现的概率密度分布所得的空间图象称为电子云。,2020/5/23,.,既然概率密度可直接用|2来表示，那么以|2作图可得到电子云的近似图像。为作图方便讲|2分为角度部分|Y|2和径向部分R2。|Y|2的图像称为电子云角度分布图。,2020/5/23,.,电子云角度分布图与原子轨道角度分布图相似，但有两点不同：(1)原子轨道分布图有正、负之分，而电子云角度分布图均为正值；(2)电子云角度分布图比原子轨道角度分布图瘦些，这是因为Y值小于1，所以|Y|2更小。,2020/5/23,.,n=3,l=2,m=0,2020/5/23,.,n=3,l=2,2020/5/23,.,n=3,l=2,2020/5/23,.,n=3,l=2,2020/5/23,.,n=3,l=2,2020/5/23,.,5.2.5量子数,1.主量子数（n）,主量子数(n)12345电子层：第一层第二层第三层第四层第五层电子层符号：KLMNO,n值越小，该电子层离核越近，其能级越低。n值越大，该电子层离核越远，其能级越高。,主量子数(n)为正整数。,2020/5/23,.,2.副量子数（l）,n值确定后，副量子数(l)可为零到(n-1)的正整数。其中每一个l值代表一个电子亚层，也代表原子轨道的一种形状。,副量子数（l）：012345电子亚层符号：spdfgh,对于多电子来说，同一电子层中的l值越小，该电子亚层的能级越低。,2020/5/23,.,3.磁量子数(m),磁量子数(m)的取值决定于l值，可取(2l+1)个从-l到+l（包括零在内）的整数。每一个m值代表一个具有某种空间取向的原子轨道。,4.自旋量子数(ms),自旋量子数(ms)只有+1/2或-1/2这两个数值，其中每一个值表示电子的一种自旋方向（如顺时针或逆时针方向）。,2020/5/23,.,第三节原子中电子的分布,第五章原子结构和元素周期性,第三节原子中电子的分布,无机化学多媒体电子教案,2020/5/23,.,5-1基态原子中电子分布原理,5-3-1基态原子中电子的分布原理,如7N1s22s22p3,2020/5/23,.,5-3-2多电子原子轨道的能级,5-3-2多电子原子轨道的能级,6s5s4s3s2s1s,6p5p4p3p2p,5d4d3d,4f,PONMLK,1s,2p2s,3p3s,4p3d4s,5p4d5s,6p5d4f6s,1.能级KLMNOP,3.同一原子，不同电子亚层有能级交错现象如E5sE4dE5p,2.同一电子层：EnsEnpEndEnf,近似能级图,2020/5/23,.,对近似能级图的几点说明,2020/5/23,.,5-基态原子中电子的分布,5-3-3基态原子中电子的分布,(2)2s,(4)3s,(1)1s,(6)4s,(9)5s,(16)7s,(3)2p,(12)6s,(5)3p,(8)4p,(11)5p,(15)6p,(19)7p,(7)3d,(10)4d,(14)5d,(18)6d,(13)4f,(17)5f,应用核外电子填入轨道顺序图，根据泡利不相容原理、能量最低原理、洪德规则，可以写出元素原子的核外电子分布式.,如19K1s22s22p63s23p64s1,26Fe1s22s22p63s23p63d64s2,核外电子填入轨道的顺序,2020/5/23,.,19种元素原子的外层电子分布有例外,基态原子电子分布,其中：29Cu1s22s22p63s23p63d104s1全充满,24Cr1s22s22p63s23p63d54s1半充满,同样有：46Pd、47Ag、79Au,同样有：42Mo、64Gd、96Cm,当电子分布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时,原子结构较稳定,例外的还有：41Nb、44Ru、45Rh、57La、58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、93Np,2020/5/23,.,基态原子的价层电子构型,价层价电子所在的亚层价层电子构型指价层的电子分布式,ns12(n-1)d19ns12ns2np16,(n-1)d10ns12,2020/5/23,.,5-3-4简单基态阳离子的电子分布,基态原子外层电子填充顺序：ns(n-2)f(n-1)dnp价电子电离顺序：npns(n-1)d(n-2)f,5-3-4简单基态阳离子的电子分布,例26Fe1s22s22p63s23p63d64s2或Ar3d64s2Fe2+1s22s22p63s23p63d6或Ar3d6,原子实原子中除去最高能级组以外的原子实体,经验规律,2020/5/23,.,5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系,5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系,S,d,ds,p,f,最后一个电子一般填入次外层d亚层,区,最后一个电子一般填入次外层d亚层,最后一个电子填入s亚层,2020/5/23,.,5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系,S,d,ds,p,f,区,最后一个电子填入外层p亚层,最后一个电子一般填入外数第三层f亚层,2020/5/23,.,5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系,区,根据最后一个电子填入的亚层确定,2020/5/23,.,5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系,族,根据区和最外层、次外层电子数确定,2020/5/23,.,5-3-元素周期表,5-3-6元素周期表,例20Ca,写出电子排布式1s22s22p63s23p64s2,Ca为第四周期、A族元素,2020/5/23,.,例24Cr,写出电子排布式1s22s22p63s23p63d54s1,Cr为第四周期、B族元素,2020/5/23,.,例47Ag,写出电子排布式Kr4d105s1,Ag为第五周期、IB族元素,2020/5/23,.,例已知某副族元素A原子，最后一个电子填入3d轨道，族号3,电子排布式1s22s22p63s23p63d14s2,2020/5/23,.,第四节原子性质的周期性,第五章原子结构和元素周期性,第四节原子性质的周期性,无机化学多媒体电子教案,2020/5/23,.,原子的电子层结构随核电荷的递增呈周期性变化，促使原子的某些性质呈周期性变化如原子半径、电离能、电子亲合能、电负性,2020/5/23,.,5-1原子半径,5-1原子半径,d=198pmr(Cl)=99pm,d=154pmr(C)=77pm,2020/5/23,.,5-1原子半径,d=256pmr(Cu)=128pm,2020/5/23,.,5-1原子半径,d=320pmr(Ne)=160pm,2020/5/23,.,变化规律,非金属为共价半径、金属为金属半径、稀有气体为范德华半径,2020/5/23,.,26021016011060,原子半径/pm,族号,2020/5/23,.,镧系元素,自左到右,随核电荷的增加,原子半径总的趋势缓慢减小，即镧系收缩,210200190180170,原子半径/pm,原子序数,铕4f76s2,2020/5/23,.,26021016011060,原子半径/pm,族号,2020/5/23,.,26021016011060,原子半径/pm,族号,2020/5/23,.,26021016011060,原子半径/pm,族号,2020/5/23,.,5-2电离能和电子亲合能,5-2电离能和电子亲合能,第一电离能(I1)基态的中性气态原子失去一个电子形成气态阳离子所需的能量,Mg(g)-e-Mg+(g)I1=H1=738kJmol-1,第二电离能(I2)氧化数为+1的气态阳离子失去一个电子形成氧化数为+2的气态阳离子所需的能量,Mg+(g)-e-Mg2+(g)I2=H2=1451kJmol-1,其余依次类推.,电离能(I),2020/5/23,.,气态原子失去电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子的引力所消耗的能量,电离能(I),Mg(g)-e-Mg+(g),Mg+(g)-e-Mg2+(g),.,电离能用来衡量气态原子失去电子的难易电离能越小，原子越易失去电子电离能越大，原子越难失去电子,2020/5/23,.,电离能(I),2160186015601260960660360,I1/(kJmol-1),原子序数,He,Ne,Li,Xe,Na,Ar,Kr,K,Rb,Cs,H,N,P,Sb,As,2020/5/23,.,电离能(I),2160186015601260960660360,I1/(kJmol-1),原子序数,He,Ne,Li,Xe,Na,Ar,Kr,K,Rb,Cs,H,N,P,Sb,As,2020/5/23,.,第一电子亲合能(EA1)基态气态原子得到一个电子形成气态阴离子所放出的能量,O(g)+e-O-(g)EA1=-141kJmol-1,第二电子亲合能(EA2)氧化数为-1的气态阴离子得到一个电子形成氧化数为-2的气态阴离子所放出的能量,O-(g)+e-O2-(g)EA2=+780kJmol-1,其余依次类推.,基态气态原子得到电子变为气态阴离子，所放出的能量。,电子亲合能(EA),电子亲合能用来衡量气态原子得电子的难易电子亲合能代数值越小,原子越易得到电子,2020/5/23,.,5-4-3电负性,5-3电负性(p),分子中元素原子吸引电子的能力以最活泼非金属元素原子p(F)=4.0为基础，计算其它元素原子的电负性值。,电负性越大,元素原子吸引电子能力越强,即元素原子越易得到电子,越难失去电子；电负性越小,元素原