基础化学：第九章 原子结构和元素周期表

1、1预习提纲：预习提纲：1.核外电子的运动有固定的轨道吗？核外电子的运动有固定的轨道吗？2.如何理解氢原子的原子轨道和电子云？如何理解氢原子的原子轨道和电子云？ 从原子轨道的图形得到什么信息？从原子轨道的图形得到什么信息？3. 核外电子的排布规律是什么？核外电子的排布规律是什么？4. 如何判断元素在周期表中的位置和推如何判断元素在周期表中的位置和推 测元素的性质？测元素的性质？ 2作业作业: P. 176 6、7、8、9、10、11、14、15 自学自学: P.170 （一）、（一）、 （二）（二）P.172 第五节第五节不要求不要求：3问：问：1. 为什么元素性质发生周期性变化？为什么元素性质

2、发生周期性变化？2. 蛋白质的性质？蛋白质的性质？蛋白质性质蛋白质性质蛋白质结构（蛋白质结构（分子结构分子结构）C、O、H、N等结构（等结构（原子结构原子结构）3. 人缺铁会贫血，缺碘呢？人缺铁会贫血，缺碘呢？4主要内容：主要内容：v核外电子运动状态的近代概念核外电子运动状态的近代概念v氢原子的原子轨道和电子云氢原子的原子轨道和电子云(重点重点)v多电子原子结构和周期表多电子原子结构和周期表(重点重点)v元素性质的周期性和原子结构的关系元素性质的周期性和原子结构的关系5第一节第一节 核外电子运动状态的近代概念核外电子运动状态的近代概念一、量子化特征一、量子化特征1. 量子理论量子理论例：微观带

3、电体例：微观带电体 q=ne一个电子电量一个电子电量n：1、2、3氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论微观带电体的电量是不连续的微观带电体的电量是不连续的6量子理论的基本思想：量子理论的基本思想：表征微观物体性质的物理量是表征微观物体性质的物理量是不连不连续续的，它们只能以某个的，它们只能以某个最小单位最小单位作作跳跃式的增减。这种不连续的物理跳跃式的增减。这种不连续的物理量变化量变化，其最小单位，其最小单位。量子的。量子的整数倍数整数倍数 n量子数量子数。量子性是微观世界中极其普遍的特性量子性是微观世界中极其普遍的特性量子化量子化这个物理量的这个物理量的 量子量子7宏观：量宏观：量大大微

4、观：量微观：量小小称米称米称一袋米称一袋米称几粒米称几粒米10.1，a，10.2，10.3.2a,3a.连续的连续的不连续的不连续的8mmtt宏观宏观微观微观9势能如何变化？势能如何变化？102. 氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论 氢原子光谱氢原子光谱当氢原子被火焰、电弧、电火当氢原子被火焰、电弧、电火花或其它方法使之花或其它方法使之激发激发，发射，发射出来的光谱。出来的光谱。1112)11(12221nncRHn1=2, n2=3,4,5,.线状光谱线状光谱13连续光谱 14Bohr理论：理论： 氢原子氢原子中的电子只能在核外一系列中的电子只能在核外一系列特定能量特定能量的轨道上运动

5、。（的轨道上运动。（定态定态）15n=1、2、3 n=1，基态，基态n2，激发态，激发态n= ，E=E = 2.1810-18 n2Jr=a0n2a0=52.9(pm)0 量子数量子数玻尔半径玻尔半径能量最高能量最高16E= E2-E1 = h n=2频率频率吸收吸收能量能量辐射辐射能量能量n=1ch1718二、波粒二象性二、波粒二象性particle-wave duality 波动性波动性粒子性粒子性光的波粒二象性：光的波粒二象性：Einstein波长，频率波长，频率能量，动量能量，动量19德布罗意关系式：德布罗意关系式：vmhph电子的波粒二象性电子的波粒二象性物质波（德物质波（德布罗意波

6、）布罗意波）20子弹子弹电子电子质量质量（kg） 1.0 x10-29.1x10-31速率速率（m/s） 1x1031x106波长波长（m）6x10-357x10-10直径直径（m）10-210-15波动性波动性不显著不显著显著显著为什么子弹不显波性，而电子显波性？为什么子弹不显波性，而电子显波性？原因：直径原因：直径 波长，不显波性波长，不显波性2119271927年，美国物理学家戴维逊年，美国物理学家戴维逊（Davissn,C.J.Davissn,C.J.）和盖末（）和盖末（Germer,L.H.)Germer,L.H.)通过电子衍射实验证实了德布罗意的通过电子衍射实验证实了德布罗意的假设

7、。假设。electron diffraction22 电子衍射实验电子衍射实验电子束电子束晶体晶体23少量，几次少量，几次大量，千万次大量，千万次 问：若电子没有波动性，结果？问：若电子没有波动性，结果？24v电子的波性是电子粒性运动统计规律的电子的波性是电子粒性运动统计规律的 表现。表现。v电子具有波动性。电子具有波动性。v电子波是几率波。电子波是几率波。 亮，电子出现机会大亮，电子出现机会大暗，电子出现机会小暗，电子出现机会小波的强度波的强度 2 几率密度几率密度25三、测不准原理三、测不准原理W.Heisenberg :无法无法同时同时确定微观粒子的确定微观粒子的位置位置和和动量动量4h

8、pxx位置误差位置误差动量误差动量误差26小结：小结：1.能量是不连续的。能量是不连续的。2.没有确定的运动轨道。没有确定的运动轨道。3.只能知道它在空间某区域出现只能知道它在空间某区域出现 的概率。的概率。27第二节第二节 氢原子的原子轨道和电子云氢原子的原子轨道和电子云1. 波动方程（薛定谔方程式）波动方程（薛定谔方程式）0)VE(hm8zyx22222222psaipsai波函数（波函数（方程的解方程的解）：）：一、波函数一、波函数wave function是波的振幅与坐标的函数是波的振幅与坐标的函数28(x,y,z) (r,) x=r sin cos y=r sin sin z=r c

9、os222zyxrrxyzP P(x,y,z)(r, , )29E = 2.1810-18 4J2. （原子轨道原子轨道）的涵义）的涵义是描述核外电子空间运动状态是描述核外电子空间运动状态的的数学函数式数学函数式例：例： 2px34 sin=A3eBr/2cos 概率密度概率密度 2核外空间某处微单位体积核外空间某处微单位体积内电子出现的概率内电子出现的概率 。30电子云电子云electron cloud定义：单位体积内黑点数与定义：单位体积内黑点数与 2值成值成正比的图形。正比的图形。 基态氢原子的电子云基态氢原子的电子云31n,n,l,m,m (r,)一般形式：一般形式：常量常量变量变量1

10、 1，0 0，0 0 (r,)22 2，1 1，0 0 (r,)232二、量子数二、量子数quantum number（一）、波函数的确定（一）、波函数的确定yab(x)=ax+b当当a=1,b=2, y=x+2当当a=2,b=1, y=2x+1.33当当n=1,l=0,m=0,1 1，0 0，0 0 (r,)当当n=1,l=1,m=0,1 1，1 1，0 0 (r,)当当n=1,l=0,m=1,1 1，0 0，1 1 (r,).但不是每个但不是每个都是合理的，即都是合理的，即n n、l、m m的的取值不是任意的。取值不是任意的。 n,n,l,m,m (r,)34n只能取：只能取： 1，2，3

11、，4.l只能取：只能取： 0，1，2，3，4n-1n个个lm只能取：只能取：0， 1， 2. l(2l+1) 个个m量子数量子数35例：例：01 1，0 0，0 0 (r,)2 2，0 0，0 0 (r,)n=1, l=0 ,m=0n=2, l=0 ,m=0n=2, l=1 ,m=1n=2, l=1 ,m=-1n=2, l=1,m=2 2，1 1，0 0 (r,)2 2，1 1，1 1 (r,)2 2，1 1，-1-1 (r,)36由由三个三个量子数量子数合理组合合理组合所限定的所限定的为为“合理的合理的”(二）、四个量子数及其含义二）、四个量子数及其含义1. 主量子数主量子数 n (电子层电

12、子层）决定决定能量能量和和离核平均距离离核平均距离。37例：例：1HE = 2.1810-18 n2Jn ，E ，离核平均距离，离核平均距离 问：问：1 1，0 0，0 0 (r,)2 2，0 0，0 0 (r,)有何不同？有何不同？对于氢原子：对于氢原子：n决定决定E382. 角量子数角量子数 l（电子亚层）（电子亚层）可确定轨道形状。可确定轨道形状。s p d f.l =0、1、 2、 3.(n-1)取值：取值：符号：符号：spd39取值：取值： m=0、1、2、3 . l3. 磁量子数磁量子数m：表示轨道的空间取向表示轨道的空间取向l =0 m=0 l =1 m=0 m=1 m=-1 l

13、 =2 m=0 m=1 m=2一种取向一种取向三种取向三种取向五种取向五种取向一个一个m值表示一种取向值表示一种取向40+S+- -Pzxz+- -Pxxz+- -Pyxyxyzl=0l=141xyzxyzzyxzxyzxydxydzxdx2-y2dzydz2l=24200 ,m=0n=2, l = 0 ,m=0n=2, l = 1 ,m=1n=2, l = 1 ,m=-1n=2, l = 1,m=n=1, l =1s2s2p2p2pE1sE2sE2p简并轨道简并轨道430n=3,l = 0 ,m=0n=2,l = 1 ,m=0, 1, n=2,l = 0 ,m=n=1,l = 0,m=1s2

14、p2s03sn=3,l = 1 ,m=0, 1, 3pn=3,l = 2 ,m=0, 1, 2 3d44主量主量子数子数n轨道轨道角动角动量量量量子数子数l磁量磁量子数子数m波函波函数数同层同层轨道轨道数数 （n2）容纳容纳电子电子数数（2n2）1001s2002s1012pz 2px 2py124845氢原子：氢原子：E与与n有关，与有关，与l无关。无关。多电子原子：多电子原子：E与与n、l有关有关. n相同，相同，l ,El 相同，相同，n ,En、l 相同，相同，E相同相同（构成一个能级构成一个能级）。）。E：3s3p3dE：1s2s3s同层电子主要在同层出现同层电子主要在同层出现683

15、d4srD(r)4s的第一个峰钻到的第一个峰钻到3d的主峰之内的主峰之内69小结：小结： （r, ， ）Y(, )，Y 2(, )D(r)如何理解如何理解 1s与与 2s？练习题练习题70第三节第三节 多电子原子结构和周期表多电子原子结构和周期表一、原子核外电子的排布：一、原子核外电子的排布：单单电子原子电子原子E=多多电子原子电子原子Ei=（一）、多电子原子的能级（一）、多电子原子的能级2.1810-18Z2n22.1810-18n2711H：3Li:1s11s22s1屏蔽作用屏蔽作用screening effect由于电子相互排斥对核电荷的由于电子相互排斥对核电荷的抵消作用。抵消作用。13

16、72Z有效核电荷：该电子实际承受有效核电荷：该电子实际承受的核电荷。的核电荷。Z=Z- 屏蔽常数：其余电子所抵消的屏蔽常数：其余电子所抵消的核电荷数。核电荷数。多多电子原子电子原子Ei=2.1810-18Z2n2 , , Z, E, E73外层电子对内层电子，外层电子对内层电子，=0； n-1层电子对层电子对 n层层s、p电子，电子，=0.85；更内层的电子对外层电子，更内层的电子对外层电子，=1.00；同层电子之间，同层电子之间，=0.35； 1s电子之间，电子之间，=0.30。74多多电子原子电子原子Ei=2.1810-18(Z- ) ) 2n2讨论讨论:1. 判断判断能量能量高低：高低：

17、 锂锂的的1s氧氧的的1s Z,相同轨道的相同轨道的 E.38同层电子有屏蔽，外层对内层电子没屏蔽同层电子有屏蔽，外层对内层电子没屏蔽Z= 3-0.3=2.7Z= 8-0.3=7.7752. 判断判断能量能量高低：高低：1s2s3s3Li:1s22s1n n ,E同一原子同一原子l 相同相同3内层电子对外层电子有屏蔽内层电子对外层电子有屏蔽763. 判断判断能量能量高低：高低： 3s3p3d钻穿作用钻穿作用由于电子的穿透作用由于电子的穿透作用而使其能量降低的现象。而使其能量降低的现象。同一原子同一原子, n相同相同, l , 钻穿作用钻穿作用,E.77屏蔽作用使电子能量屏蔽作用使电子能量钻穿作

18、用使电子能量钻穿作用使电子能量。，升高升高降低降低问问能量能量：1s3s3p3d2s2p 4s4p4d？能级交错能级交错4s3d规律规律:78能级交错能级交错:能级顺序：能级顺序：3d4s4p4d5s5p6s4f5d6p1s3s3p 2s2pns(n-2)f(n-1)dnp4f6s5d 6p3d 4s 4p4d 5s 5p7980( n+0.7l )整数相同原子轨道整数相同原子轨道能级组能级组:1s2s, 2p3s, 3p4s, 3d, 4p5s, 3d, 5p6s, 4f, 5d, 6p7s, 5f, 6d能级组能级组(周期周期)徐光宪徐光宪: ( n+0.7l ) ,能级能级.组内电子数组

19、内电子数28818183232P.18381问：问：2p48O：8O的电子排布式？的电子排布式？1s22s2(二二)、核外电子排布的规律、核外电子排布的规律1. Pauli不相容原理：同一轨道只不相容原理：同一轨道只 能容纳自旋方向相反的两个电子。能容纳自旋方向相反的两个电子。822. 能量最低原理：电子的排布应使整能量最低原理：电子的排布应使整 个原子的能量达最低。个原子的能量达最低。3. Hund规则：电子尽量分占不同的规则：电子尽量分占不同的简并简并 轨道轨道，且自旋平行。这样可减少，且自旋平行。这样可减少成对能成对能。1s22s22p63s23p64s11s22s22p63s23p63

20、d54s124Cr：例：例：19K：28Ni：1s22s22p63s23p63d84s2或或Ar4s1原子芯原子芯83注：注：1. 填充电子顺序填充电子顺序不同于不同于排列顺序排列顺序按能级高低按能级高低按按n的大小的大小2. 简并轨道简并轨道全充满全充满(p6,d10,f14)、半充满半充满(p3,d5,f7)或全空或全空(p0,d0,f0)时原子能量最低时原子能量最低练习题练习题84二、原子的电子组态和元素周期表二、原子的电子组态和元素周期表（一）、周期律和周期表（一）、周期律和周期表 周期律：当元素按周期律：当元素按原子序数原子序数递增的次递增的次序排列时，相似的化学和物理性质周序排列时

21、，相似的化学和物理性质周期性的再现。期性的再现。原因原因：元素原子的电子结构周期性的元素原子的电子结构周期性的变化（变化（电子组态电子组态）851s22s22p63s21s22s22p63s23p64s21s22s22p5解：解：12Mg20Ca9F17Cl1s22s22p63s23p5AA价电子层：参与形成化学键的电子。价电子层：参与形成化学键的电子。问：问：Mg 与与Ca, F与与Cl，Cr与与Mo是什么是什么关系？关系？Na与与Cl有何不同？有何不同？861s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1B1s22s22p63s124

22、Cr42Mo11Na17Cl1s22s22p63s23p5金属金属非金属非金属8776543211s2s3s4s5s6s7sAAB BBAAB BB B4f5fA1sA A3d4d5d6dd10s2p3p4p5p6p05f锕锕4f镧镧MgCaFClCrMo元素周期表元素周期表88周期表：周期表：金属性金属性 ，非金属性，非金属性 主族金属性主族金属性 891. 周期表和电子结构的关系周期表和电子结构的关系 周期：周期：n(最外层电子的主量子数最外层电子的主量子数) （二）、原子的电子层结构与周期表（二）、原子的电子层结构与周期表25Mn1s22s22p63s23p63d54s2第四周期的元素第

23、四周期的元素90 族：族：原子价层电子组态原子价层电子组态相似的元素相似的元素 （性质相似）为一族（性质相似）为一族A族族最后一个电子填在最后一个电子填在最外层最外层B族族最后一个电子填在最后一个电子填在次外层次外层或次次外层或次次外层91B族族族数族数：A族族族数族数= ns+np IA VIIIAIIIB VIIBVIIIBIB-IIB 族数：族数：价层电子价层电子总数。总数。(n-1)d+ns3- -78-1011-12926C1s22s22p2A27Co1s22s22p63s23p63d74s2VIIIB22Ti1s22s22p63s23p63d24s2B30Zn1s22s22p63s

24、23p63d104s2B93例例1： 28，33号元素在周期表中的位置号元素在周期表中的位置 1s22s22p63s23p63d84s228号元素号元素：周期：周期： 区：区： 族：族： 四四dB 1s22s22p63s23p63d104s233号元素：号元素：周期：周期： 区：区： 族：族： 四四pVA 4p394 区：最后一个电子填入的轨道区：最后一个电子填入的轨道76543211s2s3s4s5s6s7sAAB BBAAB BBB B4f5fA1sA A3d4d5d6dd10s2p3p4p5p6p05f锕4f镧过渡元素过渡元素内过渡元素内过渡元素9576543211s2s3s4s5s6s

25、7sAAB BBAAB BB B4f5fA1sA A3d4d5d6dd10s2p3p4p5p6p05f锕锕4f镧镧能级顺序：能级顺序： ns(n-2)f(n-1)dnp能级组能级组元素个数元素个数28818183296小结小结:1. 多电子原子能级顺序：多电子原子能级顺序：ns(n-2)f(n-1)d 2 为非金属为非金属 X 2 为金属为金属100周期表：周期表：电负性电负性 ，非金属性，非金属性 电电负负性性 主主族族金金属属性性 101总结：总结：1. 9F的电子排布式是的电子排布式是1s22s22p5每个电子的四个量子数分别为每个电子的四个量子数分别为(1,0,0,+1/2) (1,0

26、,0,-1/2)(2,0,0,+1/2)(2,0,0,-1/2)(2,1,0,+1/2)(2,1,0,-1/2)(2,1,1,+1/2)(2,1,1,-1/2)(2,1,-1,+1/2)102它们处于它们处于条原子轨道，有条原子轨道，有52层电子，有层电子，有3个能级。个能级。内层电子主要在内层电子主要在层出现。层出现。内内它属第它属第周期周期族族区。区。二二VIIAp其价电子为其价电子为2s22p5容易夺取容易夺取1个电子，是个电子，是非金属非金属。103练习题练习题1. 2用于描述用于描述 A.电子的能量电子的能量 B.电子在空间的运动状态电子在空间的运动状态 C.电子的运动速率电子的运动速率 D.电子在某一空间出现的概率密度电子在某一空间出现的概率密度 E.电子在某一空间的位能电子在某一空间的位能1042. n=3的能层有多少个原子轨道？的能层有多少个原子轨道？无无3. 有无有无1p,2d,3f轨道？轨道？9个，个，n2105练习题练习题1