原子结构和元素周期表

1、第第 2 2 章章原子结构和元素周期表原子结构和元素周期表2.初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。四个量子数的物理意义、取值范围。3熟悉熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。原子轨道的形状和方向。 4理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布 的一般规则和的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特

2、点。区元素的原子结构特点。4.会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。本章教学要求本章教学要求2.1 原子结构理论及发展原子结构理论及发展2.1.2 玻尔模型玻尔模型 2.1.1 经典物理学概念面临的窘境经典物理学概念面临的窘境2.1.1 经典物理学概念面临的窘境经典物理学概念面临的窘境 Rutherford 卢瑟福的卢瑟福的“太阳太阳-行星模型行星模型 ”的要点的要点： 1. 所有原子都有一个核即原子核所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2.

3、核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动，并向外辐射能量。电子像行星绕着太阳那样绕核运动，并向外辐射能量。2.1.2 玻尔模型玻尔模型爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型Bohr在在的基础上，建的基础上，建立了立了Bohr理论理论波粒二象性波粒二象性 原子只能处于限定的几个能态原子只能处于限定的几个能态。 指除基态以外的其余定态指除基

4、态以外的其余定态. 各激发态的能量随各激发态的能量随 n 值增大而增高值增大而增高。电子电子只有从外部吸收足够能量时只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态才能到达激发态。定态定态(stationary states)： 所有这些允许能态之统称。所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动半径和能量的定态轨道上运动, 且不辐射能量且不辐射能量。基态基态(ground state): n 值为值为 1 的定态。的定态。通常电子保持在能量最低通常电子保持在能量最低的这一基态的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态基态是能量最低即最稳定的状态。激发态激发态(exc

5、ited states):关于轨道、能量量子化的概念关于轨道、能量量子化的概念 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 不能解释氢原子光谱的精细结构不能解释氢原子光谱的精细结构 不能解释多电子原子的光谱不能解释多电子原子的光谱氢原子光谱的特征氢原子光谱的特征: 不连续的、线状的不连续的、线状的; 是很有规律的。是很有规律的。2.2.1 不确定原理和波动力学的轨道不确定原理和波动力学的轨道 Uncertainty principle and orbital on the wave mechanical model2.2 原子结构的波动力学模型原子结构的波动力学模型 Th

6、e wave mechanical model of atomic structure 2.2.2 描述电子运动状态的四个量子描述电子运动状态的四个量子数数 Four quantum nummers defining the movement state of electron2.2.1 不确定原理和波动力学的轨道概不确定原理和波动力学的轨道概 念念 重要暗示重要暗示不可能存在不可能存在 Rutherford 和和 Bohr 模型中模型中 行星绕太阳那样的电子轨道。行星绕太阳那样的电子轨道。 具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律，具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律， 它们的运动没

7、有确定的轨道，只有一定的空间概率分它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分 布。实物的微粒波是概率波。布。实物的微粒波是概率波。 海森堡的不确定原理海森堡的不确定原理 (Heisenbergs uncertainty principle )不可能同时测得电子的精确位置和精确动量不可能同时测得电子的精确位置和精确动量 ！)/(4hpxH+ H H- D He 薛定谔等薛定谔等则以微粒波动则以微粒波动性为基础建立性为基础建立起原子的波动起原子的波动力学模型。力学模型。（1）主量子数主量子数 n (principal quantum number)2.2.3 描述电子运动状态的四个量子数描述电

8、子运动状态的四个量子数J10179.2218nE 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决 定于定于n 确定电子出现概率最大处离核的距离确定电子出现概率最大处离核的距离 不同的不同的n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 . K L M N O. 与与角动量有关，对于多电子原子角动量有关，对于多电子原子, , l 也与也与E 有关有关 l 的取值的取值 0，1，2，3n-1(亚层）亚层） s, p, d, f. l 决定了决定了的角度函数的形状的角度函数的形状（2） 角量子数角量子数l (angular momentum quantum

9、 umber)nl1234（亚层亚层0000s111p22d3f ) 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取可取 0，1, 2l 取值决定了取值决定了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 m 值相同的轨道互为等价轨道值相同的轨道互为等价轨道（3） 磁量子数磁量子数m ( magnetic quantum number)Lm轨道数轨道数 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357s 轨道轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一一种取值种取值, 空间一种取向空间一种取向, 一条一条 s

10、轨道轨道 p 轨道轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值三种取值, 三种取向三种取向, 三条等价三条等价(简并简并) p 轨道轨道d 轨道轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五五种取值种取值, 空间五种取向空间五种取向, 五条等价五条等价(简并简并) d 轨道轨道 f 轨道轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种取值七种取值, 空间七种取向空间七种取向, 七条等价七条等价(简并简并) f 轨道轨道（4） 自旋量子数自旋量子数 ms (spin quantum number)

11、 描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示磁场磁场屏幕屏幕窄缝窄缝银原子流银原子流炉炉n, l, m 一定一定, 轨道也确定轨道也确定 0 1 2 3轨道轨道 s p d f例如例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1个能量个能量Ei)n l

12、m ms什么是轨道的什么是轨道的 “节点节点” 和和 “节面节面” ？Question 5Question 5Solution 对对p轨道轨道, 电子概率为零的区域是个平面电子概率为零的区域是个平面, 称之为称之为节节面面。px轨道的节面是轨道的节面是 yz 平面平面, py 轨道和轨道和 pz 轨道的节面轨道的节面分别是分别是 xz 平面平面和和 xy 平面平面。 如如2s轨道的两种表示轨道的两种表示法法中，中，(a)中原子核附近中原子核附近(r = 0)电子电子概率最高概率最高, 在离核某个距离处下降在离核某个距离处下降到零到零, 概率为零的这个点叫概率为零的这个点叫节点节点。2.4.1

13、鲍林近似能级图鲍林近似能级图 Portrayal of Pauling approximation energy level 2.4.2 屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻 Shielding and penetration2.4.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 n 值相同时值相同时,轨道能级则由轨道能级则由 l 值决定值决定, 叫叫能级分裂能级分裂； l 值相同时值相同时, 轨道能级只由轨道能级只由 n 值决定值决定, 例例: E(1s) E(2s) E(3s) 1 时，时， = 0.35 被屏蔽电子为被屏蔽电子为 ns 或或 np 时，时，(n-1) 层对它层对它 = 0.85 小小 于于(n-1)的

14、的 =2.00 被屏蔽电子被屏蔽电子 nd 或或 nf 时，左边各组时，左边各组 =2.00 Z* = Z - 为什么为什么 2 2s 价电子比价电子比 2 2p 价价电电子受到较小的屏蔽子受到较小的屏蔽? ?Question 6Question 6Solution 2s电子云径向分电子云径向分布曲线除主峰外布曲线除主峰外,还还有一个距核更近的小有一个距核更近的小峰峰. 这暗示这暗示, 部分电子部分电子云钻至离核更近的空云钻至离核更近的空间间, 从而部分回避了从而部分回避了其他电子的屏蔽其他电子的屏蔽. 轨道的钻穿能力通常有如下顺序轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n s n p n d n f

15、，导致能级按导致能级按 E(ns) E(np) E(nd) 过渡元素过渡元素 内过渡元素内过渡元素同周期原子半径的变化趋势同周期原子半径的变化趋势 ( (三三) )内过渡元素有镧系收缩效应内过渡元素有镧系收缩效应(Effects of the lanthanide contraction )同族元素原子半径的变化趋势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同族元素原子半径自上而下增大: 电子层依次增加电子层依次增加, 有有 效核电荷的影响退居次要地位效核电荷的影响退居次要地位 第第6周期过渡元素周期过渡元素(如如Hf, Ta)的原子半径与第的原子半径与第5周期同族周期同族 元素

16、元素(如如Zr,Nb)相比几乎没有增大相比几乎没有增大, 这是镧系收缩的重这是镧系收缩的重 要效应之一要效应之一2.8.2 电离能电离能E E (g) = (g) = E E+ + (g) + e(g) + e- - I I 1 1E E+ + (g) = (g) =E E 2+ 2+ (g) + e(g) + e- - I I 2 2I I 1 1 I I 2 2 I I 3 3 I I 4 4 基态气体原子失去最外层一个电子成为气态基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离价离子所需的最小能量叫第一电离能子所需的最小能量叫第一电离能, 再从正离子相继逐个失再从正离子相继逐个失去电子所需

17、的最小能量则叫第二、第三、去电子所需的最小能量则叫第二、第三、电离能电离能。各各级电离能的数值关系为级电离能的数值关系为I1I2I3. 。同族总趋势：同族总趋势：自上至下减小自上至下减小, ,与原子半径增大的趋势一致与原子半径增大的趋势一致同周期总趋势：同周期总趋势：自左至右增大自左至右增大, ,与原子半径减小的趋势一致与原子半径减小的趋势一致 各周期中稀有气体原子的电离能最高。各周期中稀有气体原子的电离能最高。 第第 2 族元素族元素 Be 和和 Mg，第第15 族元素族元素N和和P，第第12族族 元素元素Zn, Cd 和和 Hg在电离能曲线上出现的小高峰。在电离能曲线上出现的小高峰。 您能

18、从亚层全满、半满结构的相您能从亚层全满、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？对稳定性说明下述事实吗？Question 10Question 102.8.3 电子亲和能电子亲和能X(g) + e- = X- (g) mr HAX- (g) + e- = X 2- (g) 例如例如，O- (g) + e- = O2- (g) A2 = -780 kJ . mol-1 指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量。常以符号吸收的能量。常以符号Eea表示，也有第一、第二、表示，也有第一、第二、之之分。元素第一电子亲和能的正值表示放出能量分。元素第一

19、电子亲和能的正值表示放出能量, 负值表负值表示吸收能量。示吸收能量。元素的电子亲和能越大元素的电子亲和能越大, ,原子获取电子的原子获取电子的能力越强能力越强, ,即非金属性越强。即非金属性越强。 原子结合电子的过程是放热还是吸热原子结合电子的过程是放热还是吸热? ? 原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力: : 排斥力和吸引力。是放热还是吸热排斥力和吸引力。是放热还是吸热, , 决定于吸引力和决定于吸引力和 排斥力哪一种起支配作用。排斥力哪一种起支配作用。 电子加进电中性原子时通常是吸引力起支配作用电子加进电中性原子时通常是吸引力起支配作用,

20、 , 发发 生放热过程生放热过程, ,第一电子亲和能通常为正值。第一电子亲和能通常为正值。 电子加进阴离子时排斥力起支配作用电子加进阴离子时排斥力起支配作用, , 发生吸热过程发生吸热过程, , 第二、第三电子亲和能都为负值。第二、第三电子亲和能都为负值。Question 11Question 11Solution 为什么第为什么第2族元素原子的第一电子族元素原子的第一电子亲和能为负值，而且明显低于同周期亲和能为负值，而且明显低于同周期第第1族元素？族元素？Question 12Question 12Solution 该现象的产生与两族元素的电子构型有关：两族元素该现象的产生与两族元素的电子构型有关：两族元素的电子构型分别为的电子构型分别为ns1 和和ns2。对第对第1族元素而言族元素而言, 外来电子外来电子进入进入ns轨道；但对第轨道；但对第2族元素而言族元素而言, 却只能进入却只能进入np轨道。核轨道。核的正电荷对的正电荷对 p 轨道电子束缚得比较松轨道电子束缚得比较松, 换个说法换个说法, 就是亲和就是亲和力比较小。事实上力比较小。事实上, 第第2族原子的核电荷被两个族原子的核电荷被两个 s 电子屏蔽电子屏蔽得如此有效得如此有效, 以致获得电子的过程甚至成为吸热过程。以致获得电子的过程甚至成为吸热过程。2.8.4 电负性电负性