5_原子结构和元素周期律ppt课件

1、第五章第五章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律本章学习要求本章学习要求1了解微观粒子的运动特征、波函数与原子轨道、了解微观粒子的运动特征、波函数与原子轨道、概率密度与电子云、原子轨道和电子云角度概率密度与电子云、原子轨道和电子云角度分布图等基本概念；分布图等基本概念；2掌握四个量子数的物理意义、相互关系及合理掌握四个量子数的物理意义、相互关系及合理组合；组合；3掌握单电子原子、多电子原子的轨道能级和核掌握单电子原子、多电子原子的轨道能级和核外电子排布规律，熟练写出第四周期以内元外电子排布规律，熟练写出第四周期以内元素原子的核外电子排布式；素原子的核外电子排布式；4掌握原子结构与周期系的

2、关系掌握原子结构与周期系的关系,了解元素基本了解元素基本性质的变化规律；性质的变化规律；物质结构概述物质结构概述 物质结构就是要回答：物质的构成物质结构就是要回答：物质的构成? 物质结构的三个层次：物质结构的三个层次： 物质物质分子分子原子原子 原子是由原子核和电子组成的，通常在发生化学原子是由原子核和电子组成的，通常在发生化学反应时，原子核并不发生变化，变化的只是电子，反应时，原子核并不发生变化，变化的只是电子，所以讲物质结构就是讲电子是如何运动的。所以讲物质结构就是讲电子是如何运动的。氢原子光谱与氢原子光谱与Bohr理论理论Bohr理论假设：理论假设： (1)核外电子只能沿着一定能量的轨道

3、核外电子只能沿着一定能量的轨道(稳定轨稳定轨道道)运动运动 (2)通常，电子只有从一个轨道跃迁到另一个轨通常，电子只有从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才有能量的吸收或放出。处在离核最近的道时，才有能量的吸收或放出。处在离核最近的轨道上，能量最低轨道上，能量最低基态；原子获得能量后，基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发激发态态 Bohr理论把宏观的牛顿经典力学用于微理论把宏观的牛顿经典力学用于微观粒子的运动，没有认识到电子等微观粒子的观粒子的运动，没有认识到电子等微观粒子的运动必须遵循特有的运动规律和特征，即能量运动必须遵循特有的运动规律和

4、特征，即能量量子化。量子化。一一原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态电子的波粒二象性电子的波粒二象性(电子衍射实验电子衍射实验) 1927年，年，Davisson和和Germer应用应用Ni晶晶体进行的电子衍射实验证实了电子具有波体进行的电子衍射实验证实了电子具有波动性。将一束电子流经过一定的电压加速动性。将一束电子流经过一定的电压加速后通过金属单晶，象单色光通过小圆孔一后通过金属单晶，象单色光通过小圆孔一样发生衍射现象，在感光底片上，得到一样发生衍射现象，在感光底片上，得到一系列明暗相间的衍射环纹。系列明暗相间的衍射环纹。 微观粒子的主要运动特征是波粒二象性。微微观粒子的主要运动特征

5、是波粒二象性。微观粒子与宏观物体的不同之处在于宏观物体可以观粒子与宏观物体的不同之处在于宏观物体可以用经典力学来描述其运动时的具体位置和速度。用经典力学来描述其运动时的具体位置和速度。但是微观粒子遵循测不准原则，无法准确测定其但是微观粒子遵循测不准原则，无法准确测定其位置和动量。对于在原子核外运动的电子，虽然位置和动量。对于在原子核外运动的电子，虽然无法在某一时刻准确预测其具体位置，但可以用无法在某一时刻准确预测其具体位置，但可以用统计学的方法描述在核外出现的频率。其运动规统计学的方法描述在核外出现的频率。其运动规律须用量子力学来描述，它的基本方程是律须用量子力学来描述，它的基本方程是Schr

6、dinger方程。方程。2.波函数及原子轨道波函数及原子轨道Schrdinger方程方程 量子力学中描述核外电子在空间运动的量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即原子轨道数学函数式，即原子轨道 (x, y, z)波函数波函数 ，x, y, z 为微粒的空间为微粒的空间坐标坐标 E 轨道总能量轨道总能量 (动能与势能总和动能与势能总和) m 微粒质量，微粒质量，h 普朗克常数普朗克常数0222222228 m(EV)xyzh 直角坐标与球坐标直角坐标与球坐标 的转换的转换 ( x,y,z)(r,) (x,y,z)= (r, , )=R(r)Y(,)222sin cossin sinco

7、sxryrzrrxyz 求解薛定谔方程，就是要求出其中的求解薛定谔方程，就是要求出其中的E和和 为了得到电子运动状态合理的解，必须引用只为了得到电子运动状态合理的解，必须引用只能取某些整数值的三个参数，就是量子数。能取某些整数值的三个参数，就是量子数。 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ms、p轨道角度部分剖面图轨道角度部分剖面图zx+pxzy+pypzzx+zx+s波函数的角度分布图波函数的角度分布图d 轨道轨道+yxdxy+zydyz+zxdxz+d x2y2yx+d z2zx四四花花瓣瓣形形(2)电子在空间出现的机会称为概率。在某单位体电子在空间出现的机会称为概

8、率。在某单位体积内出现的概率称为概率密度。一般认为，波积内出现的概率称为概率密度。一般认为，波函数函数表示电子的运动状态，那么表示电子的运动状态，那么 |2表示电表示电子在原子内的某点附近出现的概率密度。子在原子内的某点附近出现的概率密度。3.概率概率(几率几率)密度与电子云密度与电子云(1) 具有波动性的微观粒子不再服从经典力学规律，具有波动性的微观粒子不再服从经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，遵循测不准原则，故对微观粒子的运动率分布，遵循测不准原则，故对微观粒子的运动状态只能采用统计的方法，做出几率性的判断。状态只能采

9、用统计的方法，做出几率性的判断。宏观物体宏观物体机械波机械波微观粒子微观粒子粒子性粒子性波动性波动性波粒二象性波粒二象性可准确确定位可准确确定位置和速度置和速度波函数，可描波函数，可描述波在空间的述波在空间的分布情况分布情况概率波函数概率波函数，少数粒子表现少数粒子表现出粒子性，大出粒子性，大量粒子表现出量粒子表现出波动性波动性匀速运动的物体匀速运动的物体波函数的物理意义波函数的物理意义2 ：原子核外出现电子的概率密度。：原子核外出现电子的概率密度。 电子云是电子电子云是电子出现概率密度的形出现概率密度的形象化描述。象化描述。2(a) 1s (b) 1s r 的图及电子云电子云的界面图各种状态

10、的电子云的分布形状各种状态的电子云的分布形状微观粒子运动的一般规律有以下特点：微观粒子运动的一般规律有以下特点：微观粒子的运动具有波粒二象性，其运动的不确微观粒子的运动具有波粒二象性，其运动的不确定性决定了电子的运动状态要用波函数来描述，定性决定了电子的运动状态要用波函数来描述，并用四个量子数来确定。并用四个量子数来确定。波函数波函数可以描述电子的运动状态，电子在核外出可以描述电子的运动状态，电子在核外出现的概率密度可以用图形来描述。不同运动状现的概率密度可以用图形来描述。不同运动状态的电子有不同的波函数，其图形也不同。态的电子有不同的波函数，其图形也不同。波函数波函数又称为原子轨道。而电子云

11、则是又称为原子轨道。而电子云则是|2的形的形象化描述，是电子在空间出现的概率密度分布象化描述，是电子在空间出现的概率密度分布的形象化表示。波函数表示的原子轨道的图像的形象化表示。波函数表示的原子轨道的图像有正负之分，而电子云的图像则没有。有正负之分，而电子云的图像则没有。主量子数主量子数n，角量子数，角量子数l和磁量子数和磁量子数m。另。另外，还有一个自旋量子数外，还有一个自旋量子数ms。用这些量子数可。用这些量子数可以表示原子轨道或电子云离核的远近、外形、在以表示原子轨道或电子云离核的远近、外形、在空间的伸展方向以及电子的自旋状态，各量子数空间的伸展方向以及电子的自旋状态，各量子数必须符合一

12、定的条件必须符合一定的条件 。4.四个量子数四个量子数物理意义：物理意义： 描述电子层描述电子层(能层能层) 描述电子离核远近描述电子离核远近 n 是决定电子能量的主要因素是决定电子能量的主要因素 物理意义：物理意义： 描述原子轨道或电子云形状；描述原子轨道或电子云形状； 表示同一电子层中具有不同的亚层；表示同一电子层中具有不同的亚层； 在多电子原子中，确定能量的次要因素。在多电子原子中，确定能量的次要因素。取值取值: 0，1， 2， ，(n-1)对于给定的主量子数对于给定的主量子数n，可能有，可能有n个不相同的角量个不相同的角量子数子数l，这些，这些l值表示在同一电子层中不同状态的值表示在同

13、一电子层中不同状态的分层，也叫亚层。分层，也叫亚层。主量子数主量子数n与角量子数与角量子数l的关系的关系n 1 2 3 4 5 l的取值的取值 0 0,1 0,1,2 0,1,2,3 0,1,2,3,4l0123亚层亚层spdf电子云形状电子云形状球对称球对称哑铃形哑铃形四花瓣形四花瓣形复杂复杂各电子层的亚层数各电子层的亚层数=电子层的电子层的 n值值角量子数与波函数的角度部分有关，它决定角量子数与波函数的角度部分有关，它决定了电子在空间的角度分布情况，也决定了电子云的了电子在空间的角度分布情况，也决定了电子云的形状。形状。当当l=0时的时的s轨道，其电子云的形状是呈球形的，是轨道，其电子云的

14、形状是呈球形的，是对称的，电子的运动状况与角度无关；对称的，电子的运动状况与角度无关；当当l=1时的时的p轨道，其电子云呈哑铃形，是不对称的，轨道，其电子云呈哑铃形，是不对称的，电子的运动状况与角度有关；电子的运动状况与角度有关；当当l=2时的时的d轨道，其电子云呈花瓣形，是不对称的，轨道，其电子云呈花瓣形，是不对称的，电子的运动状况与角度有关。电子的运动状况与角度有关。能量相同，处于同一能级的轨道能量相同，处于同一能级的轨道,称为等价轨道称为等价轨道(简并轨道简并轨道)。多电子原子中，轨道能量由多电子原子中，轨道能量由n 、 l 共同共同 决议。决议。 单电子原子：单电子原子： Ens= E

15、np= End= Enf多电子原子：多电子原子： Ens Enp End Enf取值取值: 0 、 1 、 2 l 共共2l+1 个值个值物理意义：描述同一亚层的原子轨道物理意义：描述同一亚层的原子轨道 ( (电子云电子云) ) 的伸展方向。的伸展方向。如如 2 p 轨道（轨道（ n = 2 ，l = 1 ）在空间有三种）在空间有三种不同的取向。不同的取向。同一亚层中，有几个不同的同一亚层中，有几个不同的m m值值, ,就有几条就有几条原子轨道。原子轨道。zyx即每一种即每一种 m 的取值，对应一种空间取向。的取值，对应一种空间取向。 n 1 2 3 l 0 0 10 1 2 m 0 0 01

16、 0 01 0 1 2 轨轨 道道1s 2s 2pz2px2py3s 3pz3px x3py3dz23dyz 3dzx 3dxy 3dx2-y2 电电子子数数 2 2 + 6 = 8 2 + 6 + 10 = 18所以，所以，n，l，m三者共同决定电子云所处三者共同决定电子云所处的位置离核的远近，能量的高低，电子云的形的位置离核的远近，能量的高低，电子云的形状和伸展方向。状和伸展方向。例如，例如，n=3，l=1，m=0所表示的所表示的3p原子轨道位原子轨道位于第三层，呈哑铃形，电子云沿于第三层，呈哑铃形，电子云沿z轴方向伸展的轴方向伸展的轨道。轨道。因此，每一原子轨道上最多能容纳因此，每一原子

17、轨道上最多能容纳2个电子。个电子。原子中每个电子的运动状态可以由原子中每个电子的运动状态可以由n，l，m，ms四个量子数共同描述。四个量子数确定以四个量子数共同描述。四个量子数确定以后，电子在核外空间的运动状态也随之确定。后，电子在核外空间的运动状态也随之确定。ms物理意义：描述电子的自旋运动。物理意义：描述电子的自旋运动。 取值：取值： +1/2， -1/2通常用通常用 “ ” 和和 “ ” 表示。表示。 由量子数的制约条件可以发现，每一电子层由量子数的制约条件可以发现，每一电子层离核远近不同，能量不同，每一电子层又有不同离核远近不同，能量不同，每一电子层又有不同的亚层，不同亚层中有若干个不

18、同的伸展方向的的亚层，不同亚层中有若干个不同的伸展方向的原子轨道。每一原子轨道中的电子可能处于不同原子轨道。每一原子轨道中的电子可能处于不同的自旋状态。因此，各层电子可能出现的运动状的自旋状态。因此，各层电子可能出现的运动状态由四个量子数确定。四个量子数、电子层、电态由四个量子数确定。四个量子数、电子层、电子亚层、各层容纳的电子数之间的关系汇列在表子亚层、各层容纳的电子数之间的关系汇列在表中。中。 11,2,0,2122,1,2133,0,244,2,1,ssssnlmmnlmmnlmmnlmm 给下列各组填入适当的量子数。例：例例: 某一多电子原子，试讨论在其第三层电某一多电子原子，试讨论在

19、其第三层电子层中：子层中：亚层数是多少？并用符号表示各亚层；亚层数是多少？并用符号表示各亚层； 各亚层上的轨道数是多少？该电子层上轨道各亚层上的轨道数是多少？该电子层上轨道总数是多少？总数是多少？ 哪些是等价轨道？哪些是等价轨道？鲍林鲍林Pauling近似能级图近似能级图5.多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级 主量子数主量子数n和角量子数均不相同时，出现和角量子数均不相同时，出现 “能级交错现象能级交错现象E4s E3d E4p . 。 由图可见：由图可见： 角量子数相同，能级能量随主量子数的增角量子数相同，能级能量随主量子数的增 大而升高，即大而升高，即E1s E2s E3s E4s .

20、。 主量子数相同，能级能量随角量子数主量子数相同，能级能量随角量子数l的增的增 大而升高，即大而升高，即Ens Enp End Enf . 。(2) Pauli 不相容原理不相容原理: 在同一原子中没有四个在同一原子中没有四个量子数完全相同的两个电子存在。于是每个量子数完全相同的两个电子存在。于是每个原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。每个电子层可以容纳子。每个电子层可以容纳2n2个电子。个电子。 (1) 最低能量原理：在不违反最低能量原理：在不违反Pauli不相容原理不相容原理的前提下的前提下,电子总是尽先占据能量最低的轨道电子总是尽先占据能量最低

21、的轨道（ ns (n-2)f (n-1)d np ），使原子的能量），使原子的能量处于最低状态。处于最低状态。 二二原子中电子的排布原子中电子的排布(3) Hund 规则：在等价轨道上，电子总是尽可能规则：在等价轨道上，电子总是尽可能 以自旋相同的方向分占不同的轨道。以自旋相同的方向分占不同的轨道。 Hund 规则的特例：在等价轨道上，电子处于全规则的特例：在等价轨道上，电子处于全充满充满( p6 、 d10 、 f14 )半充满半充满( p3 、 d5 、 f7 ) 和全空和全空( p0 、 d0 、 f0 ) 时时原子能量较低，体系较稳定。原子能量较低，体系较稳定。将原子核外电子按上述顺序

22、排布后，再按轨道将原子核外电子按上述顺序排布后，再按轨道电子从内层到外层写出。即为原子的电子结构电子从内层到外层写出。即为原子的电子结构式或电子排布式电子组态）。式或电子排布式电子组态）。如如Mn: 1s22s22p63s23p63d54s2电子填充顺序为：电子填充顺序为：1s，2s 2p，3s 3p , 4s 3d4p，5s 4d 5p，6s 4f 5d 6p 例例1 1：碳原子：碳原子6C6C的电子排布为的电子排布为1s22s22p21s22s22p2，此，此时轨道上的电子排布。时轨道上的电子排布。24Cr：1s22s22p63s23p63d54s129Cu：1s22s22p63s23p6

23、3d104s1例例2 2： 24Cr 24Cr和和29Cu29Cu的电子排布的电子排布: : 此外，为方便起见，将此外，为方便起见，将24Cr写成写成Ar3d54s1，29Cu写成写成Ar3d104s1,这是由于这是由于Ar表示表示24Cr中的原子内层电子结构与中的原子内层电子结构与Ar这种稀有气体这种稀有气体的原子结构一样，称之为原子芯。的原子结构一样，称之为原子芯。 如如11Na：1s22s22p63s1，可以写成，可以写成11Na:Ne3s1 37Rb：1s22s22p63s23p63d104s24p65s1，可以写，可以写成成37Rb：Kr5s1上述三条原则是对原子核外电子排布的一上述

24、三条原则是对原子核外电子排布的一种理论约定，后来经实验证实它们符合量子力种理论约定，后来经实验证实它们符合量子力学的原理。运用上述三条原理对学的原理。运用上述三条原理对1109号原子号原子中的核外电子进行排布，其中绝大多数与光谱中的核外电子进行排布，其中绝大多数与光谱实验得到的数据一致。实验得到的数据一致。元素原子的电子层结构呈周期性变化，导致元元素原子的电子层结构呈周期性变化，导致元素性质周期性变化素性质周期性变化, 这就是元素周期律。这就是元素周期律。周期的划分与能级组的划分完全一致，每个周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自对应一个周期。共有七个能级能级组都独自对应一个周期。

25、共有七个能级组，组， 所以共有七个周期。所以共有七个周期。1.元素周期律元素周期律2.元素的周期元素的周期三三原子核外电子排布与元素周期律原子核外电子排布与元素周期律周周期期数数原子原子序数序数元素元素数目数目最高能级组最高能级组最大最大电子电子容量容量11221s第一能级组第一能级组2231082s,2p第二能级组第二能级组83111883s,3p第三能级组第三能级组841936184s,3d,4p第四能级组第四能级组1853754185s,4d,5p第五能级组第五能级组1865586326s,4f,4d,6p 第六能级组第六能级组32787109(未完未完)237s,5f,5d,7p 第七

26、能级组第七能级组32族族主族主族(IA-VIIA,0)原子最后一个电子原子最后一个电子 填外层填外层 ns、np轨道轨道 副族副族(IIIB-IIB,IB)最后一个电子填最后一个电子填在在 (n-1)d或或 (n- 2)f 轨道上轨道上元素周期系元素周期系1SH He235673S4S5S6S7S3d4d5d2p3p4p5p6p4f5f4) 元素的区元素的区1 2ns s区21 6ns np p区1 92(1)ndns d区101 2(1)nd ns ds区2S1 14022(2)(1)nfndns f区习题：习题：P124 4、7、91 1 有效核电荷数有效核电荷数 2 2 原子半径原子半径

27、 r r3 3 电离能电离能 I I4 4 电子亲和能电子亲和能 Y Y5 5 电负性电负性 x x四四元素性质的周期性元素性质的周期性*Z 屏蔽效应屏蔽效应 在多电子原子中，每个电子不仅受到原子核的吸在多电子原子中，每个电子不仅受到原子核的吸引，而且还受到其他电子的排斥。引，而且还受到其他电子的排斥。 采用一种近似的处理方法，把其余电子对某个指采用一种近似的处理方法，把其余电子对某个指定电子的排斥作用简单地看成是它们抵消了一部定电子的排斥作用简单地看成是它们抵消了一部分核电荷。这种将其他电子对某个指定电子的排分核电荷。这种将其他电子对某个指定电子的排斥作用归结为对核电荷的抵消作用称为屏蔽效应

28、斥作用归结为对核电荷的抵消作用称为屏蔽效应。1 1 有效核电荷数有效核电荷数 *Z 同一周期主族元素，从左到右，随着核电荷同一周期主族元素，从左到右，随着核电荷的增加，最外层电子逐一增加。由于增加的电子的增加，最外层电子逐一增加。由于增加的电子都在同一层上，彼此间的屏蔽作用较小都在同一层上，彼此间的屏蔽作用较小, ,使有效使有效核电荷数依次显著增加。核电荷数依次显著增加。*ZZ2原子半径原子半径 共价半径共价半径 同种元素的两个原子，同种元素的两个原子， 以共价单键相连时，核间距的一以共价单键相连时，核间距的一 半，为共价半径。半，为共价半径。 d核间距为核间距为d，共价半径，共价半径 r共共

29、=2d 金属半径金属半径 金属晶体中，金属原子被视为刚性金属晶体中，金属原子被视为刚性球体，彼此相切，其核间距的一半，为金属半径。球体，彼此相切，其核间距的一半，为金属半径。 在分子晶体中，分子间以范德华力相结合，在分子晶体中，分子间以范德华力相结合，这时相邻分子间两个非键结合的同种原子，其核间这时相邻分子间两个非键结合的同种原子，其核间距离的一半，称为该原子的范德华半径。距离的一半，称为该原子的范德华半径。AACO2CO2 同一主族，从上到下原子半径逐渐增大同一主族，从上到下原子半径逐渐增大 同一副族从上到下变化幅度小，第五、同一副族从上到下变化幅度小，第五、六周期元素的原子半径非常接近。六周期元素的原子半径非常接近。 同一周期中：同一周期中：长周期过渡元素：从左到右原子半径 减小程度不大。短周期：从左到右原子半径逐渐减小 变化幅度较大。A 0 H32 He 93 Li123 Be 89 B82 C77 N70 O66 F64 Ne112 Na154Mg136 Al118 Si117 P110 S104 Cl9