原子结构的近代概念资料PPT课件

1、第第5章章 物质结构基础物质结构基础 5.1 氢原子结构的近代概念氢原子结构的近代概念 5.2 多电子原子结构与元素周期多电子原子结构与元素周期 5.3 化学键和分子间相互作用力化学键和分子间相互作用力 5.4 晶体结构晶体结构 5.5 离子极化离子极化 5.1.1 氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论 1808年道尔顿模型（原子学说） 原子是一个坚硬的小球 。 1879年 汤姆生模型 原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似 一块“布满浆果的松糕” 。 1911年 卢瑟福模型 原子的大部分体积是空的，电子随意的围绕着一个带正电 荷的很小的原子核运转。 1913年波尔模型电子分层排

2、布模型：将卢瑟福的原子结构和光谱系统结合起来。 1926年量子力学模型(电子云模型） 卢瑟福被公认为是二十世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结构等 方面，都做出了重大的贡献。 1911年，卢瑟福根据年，卢瑟福根据粒子散射实验现象提出原子核式结构模粒子散射实验现象提出原子核式结构模 型。型。1919年，卢瑟福做了用年，卢瑟福做了用粒子轰击氮核的实验。他从氮核粒子轰击氮核的实验。他从氮核 中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，命名为质子。中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，命名为质子。 他通过他通过粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证

3、了原子的 核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于 是他被誉为原子物理学之父。是他被誉为原子物理学之父。 由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛 盾，才导致玻尔理论提出，成为量子力学的先驱。盾，才导致玻尔理论提出，成为量子力学的先驱。 玻尔理论 1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3-7月曾在卢瑟 福的实验室进修，在这期间孕育了他的原子理论。玻尔首先 把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福 原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能

4、量子来改变它的能量，即原子只能处在分立的定态之中，而 且最低的定态就是原子的正常态。 1913年由玻尔提出玻尔理论。是在卢瑟福原子模型基础上 加上普朗克的量子概念后建立的。 （1）原子中的电子在原子核周围）原子中的电子在原子核周围有确定半径和能量有确定半径和能量的圆形轨道中运动。的圆形轨道中运动。 电子在这些轨道上运动不吸收能量或放出能量。电子在这些轨道上运动不吸收能量或放出能量。 在轨道上运动的电子处于在轨道上运动的电子处于“稳定状态稳定状态”定态。电子处于定态。电子处于定态的原子不定态的原子不 辐射能量辐射能量。原子内电子可以处于不同的定态，。原子内电子可以处于不同的定态，能量最低能量最低

5、的定态称为基态，的定态称为基态， 能量较高能量较高的定态称为的定态称为激发态激发态。 1913年波尔原子结构模型 1913年玻尔运用量子概念提出了基于三个基本假设的原子结构壳层年玻尔运用量子概念提出了基于三个基本假设的原子结构壳层 模型。模型。 跃迁所吸收或辐射的辐射能量频率由下式决定。跃迁所吸收或辐射的辐射能量频率由下式决定。 （2）正常状态下原子中的电子尽可能在离核最近、能量最低的轨道上）正常状态下原子中的电子尽可能在离核最近、能量最低的轨道上 运动运动(基态基态) h=E2-E1 hPlanck常数常数; 光的频率光的频率 基态基态 激发态激发态 吸收能量吸收能量(跃迁跃迁) 放出能量放

6、出能量 称为波尔频率规律。称为波尔频率规律。E2E1，若，若E1为始态能量则放出辐射能，若为始态能量则放出辐射能，若E2为终为终 态能量则吸收辐射能。态能量则吸收辐射能。 （3）原子内电子运动的轨道能量是量子化的，这些轨道上的电子运）原子内电子运动的轨道能量是量子化的，这些轨道上的电子运 动的角动量，必须是动的角动量，必须是h/2的整数倍，即的整数倍，即 m为电子的质量；为电子的质量；v为电子运动的速度；为电子运动的速度；r是轨道的半径；是轨道的半径；h是普朗克是普朗克 常数，常数，n是正整数，称为是正整数，称为“量子数量子数”。 这个关系式就是这个关系式就是“玻尔的量子化条件玻尔的量子化条件

7、”。 2/nhmvr,4,3,2, 1n 基于上述假设和经典力学规律，计算得到：基于上述假设和经典力学规律，计算得到： 氢原子基态轨道半径为氢原子基态轨道半径为52.9pm波尔半径波尔半径a0 ， 是原子是原子分子理论中常用的一个长度单位分子理论中常用的一个长度单位 ； 氢原子中的电子在基态时作圆周运动速度为氢原子中的电子在基态时作圆周运动速度为2.188106ms-1 ；约为光速的；约为光速的 1/137,基态时氢原子中的基态时氢原子中的 电子的能量电子的能量-13.6eV； 根据波尔频率规律计算出氢光谱各条谱线的频率，与实验结果吻合很好。根据波尔频率规律计算出氢光谱各条谱线的频率，与实验结

8、果吻合很好。 氢原子光谱（原子发射光谱） 在真空管中充入少量 H2 ，通过高压放电，氢气可以产生可见光、紫外光和红外光，这些光经过三棱镜分成一系 列按波长大小排列的线状光谱。 此外，除氢原子外，其他原子也可以产生特征的发射管谱线，我们可以利用原子的特征谱线来鉴定原子的存 在。 装有低压高纯装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光的放电管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区通过棱镜分光后，在可见光区 波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线。波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线。 nm 410.2 434.1 486.1 656.3 aa H H H H 为带状光谱为带状光谱 严重的局限性。只

9、能解释单电子原子严重的局限性。只能解释单电子原子(或离子或离子)光谱的一般现象，不能光谱的一般现象，不能 解释多电子原子光谱。解释多电子原子光谱。 波尔氢原子结构模型 波尔理论的缺陷，促使人们去研究和建立能描述原子内电子运动规律波尔理论的缺陷，促使人们去研究和建立能描述原子内电子运动规律 的量子力学原子模型。的量子力学原子模型。 成功地解释了氢原子和类氢原子成功地解释了氢原子和类氢原子(如如He+、Li2+)的光谱现象的光谱现象, 推动了原子推动了原子 结构的发展。结构的发展。 5.1.2 电子的波粒二象性 20世纪初，爱因斯坦提出光子学说解释了光电效应使人们认识到 光具有波动性和粒子性的双重

10、特性。 1924年，法国科学家德布罗意认为：既然光具有二象性，则电子等微 观粒子也可有波动性，他指出，具有质量为m，运动速度为v的粒子， 相应的波长为： =h/mv=h/p 式中p为动量。 这一关系式将电子的粒子性（p是粒子性的特征）与波动性（是波动 性的特征）定量地联系了起来。 1927年，美国科学家戴维逊年，美国科学家戴维逊Davisson和革末和革末Germer应用应用Ni晶体进行晶体进行 的电子衍射实验证实了德布罗意的假设：电子具有波动性。将一束的电子衍射实验证实了德布罗意的假设：电子具有波动性。将一束 电子流经一定电压加速后通过金属单晶体，像单色光通过小圆孔一电子流经一定电压加速后通

11、过金属单晶体，像单色光通过小圆孔一 样发生衍射现象，在感光底片的屏幕上，得到一系列明暗相间的衍样发生衍射现象，在感光底片的屏幕上，得到一系列明暗相间的衍 射环射环 。 实验证明电子具有粒子性，且长时间的大量电子形成衍射图样， 才显示出波动性，可见微粒的波动性是遵守“统计性”规律的。 统计性统计性大量粒子综合表现一个特定行为的最大概率。衍射图像大量粒子综合表现一个特定行为的最大概率。衍射图像 是由大量电子形成的。是由大量电子形成的。 概率概率出现机会多少出现机会多少 核外空间某些区域电子出现的机会多，概率大；核外空间某些区域电子出现的机会多，概率大； 核外空间某些区域电子出现的机会少，概率小。核

12、外空间某些区域电子出现的机会少，概率小。 原子核外电子的运动特性：能量量子化、波粒二象性、原子核外电子的运动特性：能量量子化、波粒二象性、 统计性。统计性。 5.1.3 波函数波函数和量子数和量子数 由于微观粒子具有波粒二象性，描述宏观物体运动规律的经典物理学方法由于微观粒子具有波粒二象性，描述宏观物体运动规律的经典物理学方法 对微观粒子已不适用。对微观粒子已不适用。 1926年由奥地利物理学家薛定谔提出了量子力学中的一个基本方程年由奥地利物理学家薛定谔提出了量子力学中的一个基本方程 薛定谔方程，也是量子力学的一个基本假定。薛定谔方程，也是量子力学的一个基本假定。 是将物质波的概念和波动方程相

13、结合建立的二阶偏微分方程，可描述微是将物质波的概念和波动方程相结合建立的二阶偏微分方程，可描述微 观粒子的运动，每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式，通过解方程观粒子的运动，每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式，通过解方程 可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质。可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质。 波函数 5.1.3 波函数波函数和量子数和量子数 薛定谔波动方程（薛定谔波动方程（1926）：）： 描述微观粒子运动状态的基本方程描述微观粒子运动状态的基本方程 0)( 8 )( 2 2 2 2 2 2 2 2 VE h m zyx (x、y、z

14、) 波函数，是描述微观粒子（如原子核外电子）运动状波函数，是描述微观粒子（如原子核外电子）运动状 态的数学表达式。态的数学表达式。 m电子质量电子质量 h普朗克常数普朗克常数 E体系总能量体系总能量 V电子的势能电子的势能 x、y、z 电子的空间坐标电子的空间坐标 方程体现了微观粒子的粒子性方程体现了微观粒子的粒子性(m和和E)和波动性和波动性()的特性，是描述微观的特性，是描述微观 粒子运动变化规律的基本方程粒子运动变化规律的基本方程。 波函数 对薛定谔方程求解，可以得到一系列波函数对薛定谔方程求解，可以得到一系列波函数 s、 、 s、 、 p. i 相应的能量值相应的能量值 E s、 、

15、E s、 、 E p . Ei 方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态 在量子力学中，波函数不是具体的数值，而是用空间坐标（波函数）在量子力学中，波函数不是具体的数值，而是用空间坐标（波函数） 和与其对应的能量来描述电子的运动状态。和与其对应的能量来描述电子的运动状态。 是描述电子运动状态的数学表达式，是描述电子运动状态的数学表达式，的空间图象叫原子轨道，原子的空间图象叫原子轨道，原子 轨道的数学表达式就是波函数。轨道的数学表达式就是波函数。 波函数在核外不同区域的值可正、可负，但概率密度永远是正值。 掌握概率密度，可以掌握核外电子的运动状态。 波函数

16、的物理意义：解薛定谔方程得到波函数波函数的物理意义：解薛定谔方程得到波函数(x、y、z) ，如果把，如果把 空间某点的坐标代入方程，可求得对应数值，但空间某点的坐标代入方程，可求得对应数值，但本身没有明确的本身没有明确的 物理意义。物理意义。 2有明确的物理意义：有明确的物理意义： 的绝对值的平方，表示在空间某一处附近单位体积中微粒出现的概率，的绝对值的平方，表示在空间某一处附近单位体积中微粒出现的概率， 即即“概率密度概率密度” 。 (x、y、z) 1.为了便于求解薛定谔方程，将直角坐标变成球坐标，则波函数 写成(r ,). 2.在求解薛定谔方程中，为了求得有意义的合理解，波函数中必 须引入

17、三个常数项（三个量子数） 精确求解薛定谔方程的处理方法精确求解薛定谔方程的处理方法 量子数是量子力学中表述原子核外电子运动的一组整数或半整数。 因为核外电子运动状态的变化不是连续的，而是量子化的，所以 量子数的取值也不是连续的，而只能取一组整数或半整数。 量子数包括主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数 ms四种，前三种是在数学解析薛定谔方程过程中引出的，而最 后一种则是为了表述电子的自旋运动提出的。 量子数 表示原子轨道或电子云离核距离的远近表示原子轨道或电子云离核距离的远近电子层数。它是描述原子轨电子层数。它是描述原子轨 道能级高低的主要因素。道能级高低的主要因素。n=1、2、3、

18、4、5 . 正整数正整数 。 n12345 电子层电子层第一层第一层第二层第二层第三层第三层第四层第四层第五层第五层 电子层符号电子层符号 KLMNO n值越小，该电子层离核越近，能级越低值越小，该电子层离核越近，能级越低。 （1）主量子数(n) （2）角量子数() 表征电子的角动量大小，即决定电子在空间的角度分布表征电子的角动量大小，即决定电子在空间的角度分布原子轨道或电原子轨道或电 子云的形状。在多电子原子中，子云的形状。在多电子原子中， l值的大小还影响原子轨道的总能量。值的大小还影响原子轨道的总能量。 l的每一个数值表示一个亚层的每一个数值表示一个亚层, l 的取值受的取值受n值的限制

19、。值的限制。 l = 0，1，2， 3（n-1）的正整数。）的正整数。 如如 n =1， l =0； n =2 ， l =0，1 两个数值。两个数值。 在在n值相同的同一层中，具有相同值相同的同一层中，具有相同l值的原子轨道的能级相同、形状相同值的原子轨道的能级相同、形状相同 (或相近或相近)，称为处于同一亚层；，称为处于同一亚层； n相同、相同、 l不同时，不同时， l值越大，能级越高。值越大，能级越高。 （2）角量子数(l) 形状形状球形球形哑铃形哑铃形花瓣形花瓣形 复杂复杂更复杂更复杂 电子亚层符电子亚层符 号号 spdfg 同一电子层，同一电子层，值越小值越小，该电子亚层能级越低。，该

20、电子亚层能级越低。 n 010120123 符号符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f l数值与光谱学规定的亚层符号及原子轨道形状的关系为数值与光谱学规定的亚层符号及原子轨道形状的关系为 （3）磁量子数(m) 磁量子数表征每个亚层中原子轨道的数目及原子轨道在空间的不同取向。磁量子数表征每个亚层中原子轨道的数目及原子轨道在空间的不同取向。 m值由值由l决定：决定： - 、0、+ 的正整数的正整数, 共共(2l+1)个个 ,意味着亚层中原子轨道有意味着亚层中原子轨道有 2l+1个取向。个取向。 m0-1、0、+-2、 -1 、 0、 +1 、 +2 原子轨道符原子轨道符 号号 spx、 py

21、、pzdxy、dyz、dxz、 dx2-y2 、dz2 在没有外加磁场下，同一亚层（在没有外加磁场下，同一亚层（n、l相同，相同，m不同）内的各原子轨道，能量不同）内的各原子轨道，能量 是相等的，称等价轨道是相等的，称等价轨道 (简并轨道简并轨道) 。 自旋量子数(ms) 描述原子中每个电子的运动状态必须用描述原子中每个电子的运动状态必须用四个量子数四个量子数： 即即 主量子数主量子数(n)：电子所处的电子层：电子所处的电子层 角量子数角量子数(l )：电子所处的电子亚层及原子轨道、：电子所处的电子亚层及原子轨道、 电子云的形状电子云的形状 磁量子数磁量子数(m)：轨道在空间的伸展方向：轨道在

22、空间的伸展方向 自旋量子数自旋量子数(ms)：电子自旋方向：电子自旋方向 描述电子的两种不同的自旋状态。描述电子的两种不同的自旋状态。 ms值：值：+ 、 ，常用正、反箭头，常用正、反箭头表示。表示。 2 1 2 1 如如 n=2、 =1、m= -1、ms=+ ，则可知是第二电子层、，则可知是第二电子层、p亚层、亚层、px 轨道、自旋方向为轨道、自旋方向为的电子。的电子。 1 2 1 2 2 1 2 1 主量子数主量子数 n 角量子数角量子数 l 磁量子数磁量子数 m 轨道空间取轨道空间取 向数向数 电子层中总电子层中总 轨道数轨道数 ms 电子容量电子容量 (2n2) K1s00112 L2

23、 s001 4 8 p10、13 M3 s001 9 18p10、13 d20、1、25 N4 s001 16 32 p10、 13 d20、1、25 f30、1、2、37 核外电子运动的可能状态核外电子运动的可能状态 返回返回 原子轨道还可用相应的图像表示，可将波原子轨道还可用相应的图像表示，可将波 函数分解为两个函数的乘积：函数分解为两个函数的乘积： (r,)=R(r)Y(,) R(r)径向部分，仅随径向部分，仅随r变化；变化； Y(,)角度部分，仅随角度角度部分，仅随角度(,)变化。变化。 将波函数将波函数的角度部分的角度部分(Y)随角度随角度(,)作图，作图， 所得的图象即为原子轨道的

24、角度分布图。所得的图象即为原子轨道的角度分布图。 z x + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - z z z z z xxx xx xx y y y y s px py pz dxy dyz dxz dz2 dx2-y2 原子轨道的角度分布图 px、py、pz轨道的角度分布图图轨道的角度分布图图 形相似，只是对称轴或者说极大形相似，只是对称轴或者说极大 值的空间取向不同而已。由于波值的空间取向不同而已。由于波 函数的角度部分函数的角度部分Y只与量子数只与量子数l、 m有关，而与有关，而与n无关，因此只要无关，因此只要l、 m相同，它们

25、的原子轨道角度分相同，它们的原子轨道角度分 布图都是相同的。布图都是相同的。 z x + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - z z z z z xxx xx xx y y y y s px py pz dxy dyz dxz dz2 dx2-y2 原子轨道的角度分布图 原子轨道的角度分布图并不是电子运原子轨道的角度分布图并不是电子运 动的具体轨迹，只反映出波函数在空动的具体轨迹，只反映出波函数在空 间不同方向上的变化情况。它突出表间不同方向上的变化情况。它突出表 示示“原子轨道原子轨道”的极大值方向以及的极大值方向以及 “原子轨道原

26、子轨道”的正、负号，它们在化的正、负号，它们在化 学键能否成键及成键方向方面有着重学键能否成键及成键方向方面有着重 要意义。要意义。 z x + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - z z z z z xxx xx xx y y y y s px py pz dxy dyz dxz dz2 dx2-y2 原子轨道的角度分布图 5.1.4 电子云与概率密度电子云与概率密度 概率密度：概率密度： |2 表示电子在原子内核外某处出现的概率密度表示电子在原子内核外某处出现的概率密度 电子云：电子在空间的概率密度分布电子云：电子在空间的概率密度

27、分布 |2的空间分布的空间分布 用小黑点的疏密表示电子出现概率密度的相对大小。小黑点较密的地用小黑点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，概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。方，概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。 在氢原子中，电子的概率密度随离核在氢原子中，电子的概率密度随离核 距离的增大而减小，也就是电子在单距离的增大而减小，也就是电子在单 位体积内出现的概率以接近原子核处位体积内出现的概率以接近原子核处 为最大。为最大。 如如 氢原子的电子云氢原子的电子云 电子云角度分布图电子云角度分布图 将将|2的的 角度部分角度部分Y 2随随,角的变化角的变化作作 图

28、所得的图像。图所得的图像。 z z z zz z x xx xx x x x y y y y y s px py pz dxy dyz dxz dx2 dx2-y2 与原子轨道角度分布图的不与原子轨道角度分布图的不 同：同： 原子轨道原子轨道电子云电子云 有正、负有正、负 为正为正 (一般不标一般不标) 胖胖瘦瘦 小结 电子具有波粒二象性，需按几率分布的统计规律来进行研究。电子具有波粒二象性，需按几率分布的统计规律来进行研究。 波函数是描述核外电子运动状态的数学表达式，其空间图象为波函数是描述核外电子运动状态的数学表达式，其空间图象为“原原 子轨道子轨道”。 概率密度概率密度|2 是电子在原子

29、核外空间某处单位体积内出现的概率。是电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概率。 用小黑点表示其分布所得的空间图象称为电子云。用小黑点表示其分布所得的空间图象称为电子云。 描述原子中电子状态需用四个量子数：主量子数描述原子中电子状态需用四个量子数：主量子数(n)、角量子数、角量子数(l)、 磁量子数磁量子数(m)、自旋、自旋 量子数量子数(ms)。 第第5章章 物质结构基础物质结构基础 5.1 氢原子结构的近代概念氢原子结构的近代概念 5.2 多电子原子结构与元素周期多电子原子结构与元素周期 5.3 化学键和分子间相互作用力化学键和分子间相互作用力 5.4 晶体结构晶体结构 5.5 离子极化离

30、子极化 在多电子原子中，核外电子不仅受原子核的吸引，还存在 着电子间的相互排斥，尽管电子的运动状态比较复杂，但仍可 以根据电子能级的高低来讨论核外电子的排布规律。 美国化学家鲍林根据光谱试验及理论推算指出，在氢原子 中原子轨道的能量只与n有关, 与l无关，在多电子原子中，轨道 能量与n，l都有关。 5.2.1 多电子原子轨道的能级 5.2.1 多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级 6s 5s 4s 3s 2s 1s 6p 5p 4p 3p 2p 5d 4d 3d 4f P O N M L K 1s 2p2 s 3p3 s 4p3 d4s 5p4 d5s 6p5 d4f6 s 近似能级图 用

31、小球表示原子轨道，按能级高低顺序绘用小球表示原子轨道，按能级高低顺序绘 成近似能级图。图中每个小球的位置高低成近似能级图。图中每个小球的位置高低 表示这个轨道能量的高低；位于每一个方表示这个轨道能量的高低；位于每一个方 框中的几个轨道能量相近，称为一个能级框中的几个轨道能量相近，称为一个能级 组。组。 5.2.1 多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级 6s 5s 4s 3s 2s 1s 6p 5p 4p 3p 2p 5d 4d 3d 4f P O N M L K 1s 2p2 s 3p3 s 4p3 d4s 5p4 d5s 6p5 d4f6 s 1.当主量子数当主量子数n相同时，轨道相同时

32、，轨道 能量随着角量子数能量随着角量子数l值的增大值的增大 而升高，即而升高，即 2.当角量子数当角量子数l相同时，轨道能量随着主量子数相同时，轨道能量随着主量子数 n值的增大而升高，即：值的增大而升高，即：E1sE2sE3s Ens Enp End Enf 此现象称为此现象称为能级分裂能级分裂 近似能级图 3.当主量子数当主量子数n和角量子数和角量子数l不同时，不同时，有有能级交错能级交错现象现象 如如 E5s E4d E5p 能级分裂与能级交错现象可以用屏蔽效应和钻穿效应进行解释。能级分裂与能级交错现象可以用屏蔽效应和钻穿效应进行解释。 （1）屏蔽效应）屏蔽效应 在多电子原子中，电子不仅受

33、原子核吸引，还受到其余电子的排在多电子原子中，电子不仅受原子核吸引，还受到其余电子的排 斥。电子间的排斥作用相当于抵消了一部分原子核的吸引作用。斥。电子间的排斥作用相当于抵消了一部分原子核的吸引作用。 这种核电荷对某个电子的吸引力因其他电子对该电子的排斥而被这种核电荷对某个电子的吸引力因其他电子对该电子的排斥而被 削弱的作用称为屏蔽效应。削弱的作用称为屏蔽效应。 若以若以z表示核电荷，被抵消后的核电荷为表示核电荷，被抵消后的核电荷为z* ，称为有效核电荷，称为有效核电荷， 则则 z* = z - 为屏蔽常数，可理解为被抵消掉的那部分核电荷数。为屏蔽常数，可理解为被抵消掉的那部分核电荷数。 外层

34、电子对内层电子的屏蔽常数外层电子对内层电子的屏蔽常数为零；为零； 同层电子间的同层电子间的=0.35(第一层的第一层的=0.3)； 第第(n-1)层电子对第层电子对第n层电子的层电子的=0.85； 第第(n-2)层及其以内各层电子对第层及其以内各层电子对第n层电子的层电子的=1.00；d、f层以内层以内 各层电子对各层电子对d、f层电子的层电子的=1.00。 规则： 例如钾原子例如钾原子(z=19)作用在外层作用在外层4s1电子上的有效核电荷：电子上的有效核电荷： 若钾原子的外层电子位于若钾原子的外层电子位于3d1亚层，则亚层，则 由于由于 说明说明4s1电子受核的吸引力比电子受核的吸引力比3

35、d1电子大，亦即电子大，亦即4s轨道能量比轨道能量比3d轨道低。轨道低。 2.285.0800.1101919 z 00.100.1181919 z 11 34ds zz （2）钻穿效应 钻穿效应可以理解为躲避屏蔽的效应，即外层电子可以钻到内层 从而躲避了内层电子对它的屏蔽，使有效核电荷增大、能量降低 的效应。 这种外层电子穿过内层电子云，避开其他电子屏蔽的现象称为 “钻穿效应”。 从径向分布图看出，各亚层电子的钻穿能力次序为从径向分布图看出，各亚层电子的钻穿能力次序为 钻穿能力越强，能量越低。因而有下面的能级次序。钻穿能力越强，能量越低。因而有下面的能级次序。 fdpsnnnn nfndnp

36、ns EEEE 至于出现E4sE3d，E5sE3d ，但从钻穿效应考虑，4s比3d钻穿能力 强，应是E4sE3d ，最终要看哪一因素起主导作用。 5.2.2 核外电子排布原则核外电子排布原则 （1 1）泡利）泡利(Pauli)(Pauli)不相容原理不相容原理 在同一原子中不能有四个量子数完全相同的电子存在。即在每一个原在同一原子中不能有四个量子数完全相同的电子存在。即在每一个原 子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。根据这个原理，可子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。根据这个原理，可 确定各电子层、亚层最多可容纳的电子数。确定各电子层、亚层最多可容纳的电子数。 （2）能量最低原

37、理）能量最低原理 在不违背泡利不相容原理的条件下，核外电子的排布应使整个电子能在不违背泡利不相容原理的条件下，核外电子的排布应使整个电子能 量处于最低状态。即电子的排布总是尽先古据能量最低的轨道。量处于最低状态。即电子的排布总是尽先古据能量最低的轨道。 返回返回 (2)2 s (4)3 s (1)1 s (6)4 s (9)5 s (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 5.2.2 核外电子排布原则核外电子排布原则 如如7N 1

38、s22s22p3 1s 2s 2p （3）洪德规则）洪德规则 1)在同一亚层的各个等价轨道上，电子的排布将尽可能分占不同的轨在同一亚层的各个等价轨道上，电子的排布将尽可能分占不同的轨 道，而且自旋平行，这样的排布可使体系能量最低；道，而且自旋平行，这样的排布可使体系能量最低； 2)在等价轨道上排布的电子处于全充满在等价轨道上排布的电子处于全充满(p6、d10、f14)、半充满、半充满(p3、d5、 f7)或全空或全空(p0、d0、f0)时，原子具有较低的能量和较大的稳定性。时，原子具有较低的能量和较大的稳定性。 5.2.3 各元素原子的电子层结构各元素原子的电子层结构 根据上述核外电子排布原

39、则和电子填充顺序图，按 照箭头所指方向，就可顺 序地沿能级从低到高逐一 填充电子，即得到各元素 基态原子的电子层结构。 (2)2 s (4)3 s (1)1 s (6)4 s (9)5 s (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 核外电子填入轨道的顺序 (2)2 s (4)3 s (1)1 s (6)4 s (9)5 s (16) 7s (3)2 p (12) 6s (5)3 p (8)4 p (11) 5p (15) 6p (

40、19) 7p (7)3 d (10) 4d (14) 5d (18) 6d (13) 4f (17) 5f 多电子原子核外电子分布的表达式称为电子多电子原子核外电子分布的表达式称为电子 分布分布(排布排布)式。例如钪式。例如钪(Sc)原子有原子有21个电子，个电子， 按上述排布原则和电子填充顺序，它们的电按上述排布原则和电子填充顺序，它们的电 子分布式应为子分布式应为 1s22s22p63s23p64s23d1 1s22s22p63s23p63d14s2 （1）核外电子分布(排布)式 但在书写电子分布式时，要按主量子数进行但在书写电子分布式时，要按主量子数进行 调整，即将调整，即将3d轨道放在

41、轨道放在4s前面，与同层的前面，与同层的3s、 3p轨道写在一起，应写为轨道写在一起，应写为 这也可以表明Sc原子最外层4s轨道已被电子填满，而次外层3d却 未充满。 元素原子的外层电子分布有例外：元素原子的外层电子分布有例外： 其中：其中：29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 全充满全充满 24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 半充满且自旋平行 半充满且自旋平行 同样有：同样有：46Pd、 47Ag、 79Au 同样有：同样有：42Mo、 64Gd（钆）、（钆）、 96Cm（锔）（锔） 当电子分布为全充满当电子分布为全充满(p6、d10、f14)、半充满、半

42、充满(p3、 d5、f7)、全空、全空(p0、 d0、f0)时时, 原子结构较稳定。原子结构较稳定。 在书写核外电子分布式时，为简便起见，如可将在书写核外电子分布式时，为简便起见，如可将Cu的电子分布式写成的电子分布式写成 Ar3d104s1形式。形式。 即用即用Cu元素前一周期的稀有气体的元素符号元素前一周期的稀有气体的元素符号Ar表示原子中内层电子表示原子中内层电子 1s22s22p63s23p6和原子核所组成的一个原子实体称为和原子核所组成的一个原子实体称为“原子实原子实”。 （2）外层电子分布式）外层电子分布式 由于原子在化学反应中一般只涉及外层电子的变化，所以也可只写出外层电子分布式

43、，而不需要写出完整的由于原子在化学反应中一般只涉及外层电子的变化，所以也可只写出外层电子分布式，而不需要写出完整的 电子分布式。电子分布式。 外层电子分布式也称外层电子分布式也称价层电子分布式价层电子分布式或或价层电子构型价层电子构型。 对于原子来说，外层不一定就是最外层。对于原子来说，外层不一定就是最外层。 主族元素的外层电子分布式就是其最外层电子分布式。主族元素的外层电子分布式就是其最外层电子分布式。 例如，钾例如，钾(K)原子的外层电子分布式为原子的外层电子分布式为4s1，氯，氯(Cl)原子的外层电子原子的外层电子 分布式为分布式为3s23p5。 而副族元素，外层电子包括最外层电子及次外

44、层而副族元素，外层电子包括最外层电子及次外层d亚层上的电子，亚层上的电子， 因为这些电子在化学反应中也会参与成键，也是价电子。因为这些电子在化学反应中也会参与成键，也是价电子。 例如，铁例如，铁(Fe)原子的外层电子分布式为原子的外层电子分布式为3d64s2 ，铬，铬(Cr)原子的外原子的外 层电子分布式为层电子分布式为3d54s1 。 对于镧系和锕系元素，一般还需考虑从最外层数处于第三层的对于镧系和锕系元素，一般还需考虑从最外层数处于第三层的f电子。电子。 原子失去电子的顺序并不一定是原子填充电子顺序的逆过程。原子失去电子的顺序并不一定是原子填充电子顺序的逆过程。 例如锰例如锰(Mn)(Mn

45、)原子的核外电子分布式为原子的核外电子分布式为 1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d5 54s4s2 2 电子填充顺序是先填电子填充顺序是先填4s4s轨道后填充轨道后填充3d3d轨道，而当锰原子失去电子轨道，而当锰原子失去电子 成为成为MnMn2+ 2+时，首先失去的是最外层的电子，引起电子层数的减少， 时，首先失去的是最外层的电子，引起电子层数的减少， 因此因此MnMn2+ 2+的电子分布式为 的电子分布式为 1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d5 5 注意注意! ! Mn Mn原子的外层电子分布式为原子的外

46、层电子分布式为3d3d5 54s4s2 2，而，而MnMn2+ 2+ 的外层电子分布 的外层电子分布 式不能只写成式不能只写成3d3d5 5，而应把整个一层，而应把整个一层3s3s2 23p3p6 63d3d5 5书写完全。书写完全。 5.2.4 原子的电子层结构与元素周期系 元素按原子序数递增顺序排列后，性质上呈现出周期性变化，元素按原子序数递增顺序排列后，性质上呈现出周期性变化， 而核外电子结构的重复出现是这一变化的实质。元素周期表正而核外电子结构的重复出现是这一变化的实质。元素周期表正 是这一周期性变化规律的表现形式。是这一周期性变化规律的表现形式。 （1 1）能级组与元素的周期）能级组

47、与元素的周期 元素在周期表中所处的周期数元素在周期表中所处的周期数=能级组数能级组数=电子层数电子层数 每周期元素的数目每周期元素的数目=相应能级组中原子轨道所能容纳的电子数。相应能级组中原子轨道所能容纳的电子数。 各周期元素原子的最外层电子数最多不超过各周期元素原子的最外层电子数最多不超过8个，次外层电子数最个，次外层电子数最 多不超过多不超过18个，各周期元素的最多数目并不都是个，各周期元素的最多数目并不都是2n2个个(如第三周如第三周 期只有期只有8个元素个元素)，这是由相应能级组中原子轨道的数目来决定的。，这是由相应能级组中原子轨道的数目来决定的。 第一能级组只有一个第一能级组只有一个

48、1s轨道，最多只能容纳两个电子，所以第一轨道，最多只能容纳两个电子，所以第一 周期只有两个元素。周期只有两个元素。 第二周期元素的电子分布在第二能级组第二周期元素的电子分布在第二能级组2s2p，共有四个原子轨道，共有四个原子轨道， 可容纳可容纳8个电子，相应有个电子，相应有8个元素。第三周期与之类似。个元素。第三周期与之类似。 第四周期元素的电子分布在第四能级组第四周期元素的电子分布在第四能级组4s3d4p， 9个原子轨道包个原子轨道包 含含18个元素。第五周期与之类似。个元素。第五周期与之类似。 第六、第七第六、第七(不完全周期不完全周期)周期元素原子中的电子分别分布在第六、周期元素原子中的

49、电子分别分布在第六、 第七能级组，它们与第四、五周期的不同之处在于，当最外层第七能级组，它们与第四、五周期的不同之处在于，当最外层6s 或或7s电子充满后，电子填充在倒数第三层的电子充满后，电子填充在倒数第三层的4f或或5f上，上，f轨道填轨道填 满后，再依次填充次外层的满后，再依次填充次外层的5d或或6d，最后再填充，最后再填充6p或或7p轨道。轨道。 第六周期中，从铈第六周期中，从铈(Ce)到镥到镥(Lu)的的14个元素，其性质与镧个元素，其性质与镧(La)非非 常相似，在周期表中占同一位置，称为镧系元素常相似，在周期表中占同一位置，称为镧系元素(包括镧在内共包括镧在内共15 个元素个元素

50、)。 第七周期中，从锕第七周期中，从锕(Ac)到铹到铹(Lr)的的15个元素称为锕系元素。个元素称为锕系元素。 （2 2）元素的分区）元素的分区 区 根据最后一个电子填入的亚层确定根据最后一个电子填入的亚层确定 最后一个电子填入的亚层最后一个电子填入的亚层区区 最外层的最外层的 s 亚层亚层s 最外层的最外层的 p 亚层亚层p 一般为次外层的一般为次外层的 d 亚层亚层d 一般为次外层的一般为次外层的 d 亚层亚层, 且为且为d10ds 一般为外数第三层的一般为外数第三层的 f 亚层亚层f AA 0 一一 1AA A A A A2 二二 345678910 三三1112 B B B BBB B

51、 131415161718 四四192021222324252627282930313233343536 五五 373839404142434445464748495051525354 六六 555671* 727374757677787980818283848586 七七8788 103* 104 105106107108109110111112 镧系镧系 575859606162636465666768697071 锕系锕系 8990919293949596979899100101102 103 S d ds p f ns12 (n-1)d19ns12(n-1)d10ns12 ns2np1

52、6 (n-2)f014(n-1)d02ns2 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 AA 0 一一 1AA A A A A2 二二 345678910 三三1112 B B B BBB B 131415161718 四四192021222324252627282930313233343536 五五 373839404142434445464748495051525354 六六 555657*727374757677787980818283848586 七七878889* 104 105106107108109110111112 镧系镧系

53、 575859606162636465666768697071 锕系锕系 8990919293949596979899100101102 103 S d ds p f ns12 (n-1)d19ns12(n-1)d10ns12 ns2np16 (n-2)f014(n-1)d02ns2 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 （3 3）元素的族）元素的族 族 根据区和最外层、次外层电子数确定根据区和最外层、次外层电子数确定 区区族族 s、p主族主族(A)，族号最外层电子数，族号最外层电子数 d副族副族(B) 族号族号(最外层次外层最外层次外层d)电子数电子数 d

54、s副族副族(B)，族号最外层电子数，族号最外层电子数 f镧系、锕系镧系、锕系 元素在周期表的位置(周期、区、族) 取决于该元素原子核外电子的分布取决于该元素原子核外电子的分布 例例 20Ca 写出电子排布式写出电子排布式 1s22s22p63s23p64s2 周期数电子层数周期数电子层数四周期四周期 最后一个电子填入最后一个电子填入s亚层亚层s区元素区元素 族数最外层电子数族数最外层电子数2AA Ca 为第为第四四周期、周期、A族元素族元素 元素在周期表的位置(周期、区、族) 取决于该元素原子核外电子的分布取决于该元素原子核外电子的分布 例例 24Cr 写出电子排布式写出电子排布式 1s22s

55、22p63s23p63d54s1 周期数电子层数周期数电子层数 四周期四周期 最后一个电子填入次外层最后一个电子填入次外层d亚层亚层 d区元素区元素 族数族数(最外层最外层+次外层次外层d)电子数电子数 (1+5)=6BB Cr 为第为第四四周期、周期、 B族元素族元素 元素在周期表的位置(周期、区、族) 取决于该元素原子核外电子的分布取决于该元素原子核外电子的分布 例例 47Ag 写出电子排布式写出电子排布式 Kr4d105s1 周期数电子层数周期数电子层数 五周期五周期 最后一个电子填入次外层最后一个电子填入次外层d亚层，亚层， 而而d电子数为电子数为10 ds区元素区元素 族数最外层电子数族数最外层电子数1 BB Ag 为第为第五五周期、周期、 IB族元素族元素 元素在周期表的位置(周期、区、族) 取决于该元素原子核外电子的分布取决于该元素原子核外电子的分布 例例 已知某副族元素已知某副族元素A原子，最后一个电子原子，最后一个电子 填入填入3d轨道，族号轨道，族号3。 电子排布式电子排布式 1s22s22p6