原子结构和元素周期律

1、1 原子结构的认识史原子结构的认识史2 原子结构理论原子结构理论3 3多电子原子的核外电子排布多电子原子的核外电子排布4 4 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律1 1 原子结构认识史原子结构认识史 公元前五世纪，希腊唯物主义哲学家得莫克利特提出“古原子说” 十九世纪初，英国化学家道尔顿创立了“原子论”,简明而深刻地说明了质量守恒定律、定组成定律和倍比定律。化学的新时代随着原子论而开始，道尔顿成为近代化学之父。 1897年英国科学家汤姆逊证明阴极射线是带负电的微粒电子，并证明电子是物质普遍的组成要素。1904年他提出了原子的“枣糕模型”，并于1906年获得诺贝尔物理学奖。但枣糕模型无法说明

2、元素化学反应本质 1911年卢瑟福通过粒子流穿过金箔时，部分粒子被散射的实验发现了原子核，提出“太阳系”原子模型，使人们对原子结构认识前进一大步。但它无法对元素发射光谱现象加以解释。Next阴极射线的性质与组成阴极管的材料无关阴极射线的性质与组成阴极管的材料无关返回返回氢原子光谱 410.2nm 434.1nm 486.1nm 656.3nm 1900年德国物理学家普朗克提出量子理论： 一个原子不能连续地吸收或发射能量，只能按某一最小能量一份一份地或按此最小能量的倍数吸收或发射能量。这种情况被称为能量的量子化（quantization），这个能量最小单位被称为能量子能量子。普朗克假说成为20世

3、纪物理学研究的基础，他获得1918年诺贝尔物理学奖l 爱因斯坦的光量子学说 hPhvE2 2 原子结构理论原子结构理论2.1经典原子结构理论经典原子结构理论玻尔玻尔(Bohr)(Bohr)理论理论 氢原子中的电子只能在原子核周围确定半径圆形轨道中运动。氢原子中的电子只能在原子核周围确定半径圆形轨道中运动。电子在这些轨道上运动不吸收能量也不放出能量，即电子处于电子在这些轨道上运动不吸收能量也不放出能量，即电子处于某种定态。某种定态。 在一定轨道上运动的电子有一定的能量。而能量只能取某在一定轨道上运动的电子有一定的能量。而能量只能取某些由量子化条件决定的数值，不能取处于两相临轨道之间的些由量子化条

4、件决定的数值，不能取处于两相临轨道之间的数值。能量最低的定态称基态，其余称激发态。数值。能量最低的定态称基态，其余称激发态。).3 , 2 , 1(1818. 2182nJnZEE为能量；Z为核电荷数；n为量子数nEn/J1-2.179 10-18 2-5.45 10-19 3-2.42 10-19 4-1.36 10-19 5 -8.72 10-20 6-6.05 10-20 n越小越小, 离核越近离核越近, 轨道能量越低轨道能量越低, 势能值越负。势能值越负。 一般情况下，电子尽可能处于能量最低轨道上。获得能量后一般情况下，电子尽可能处于能量最低轨道上。获得能量后可跃迁到激发态，激发态不稳

5、定，电子会释放能量回到基态。可跃迁到激发态，激发态不稳定，电子会释放能量回到基态。hvEEE低高原因：未完全摆脱经典力学的束缚，仍然用宏观物体的原因：未完全摆脱经典力学的束缚，仍然用宏观物体的固定轨道来描述高速电子的运动状态固定轨道来描述高速电子的运动状态 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+)的光谱的光谱现象现象, 指出了核外电子运动的一个重要特性指出了核外电子运动的一个重要特性能量能量的量子化，对近代原子结构理论的发展做出了重大的量子化，对近代原子结构理论的发展做出了重大贡献。获得贡献。获得1922年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 严重的局限性。只

6、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)光谱的光谱的一般现象，不能解释多电子原子光谱，更不能解释一般现象，不能解释多电子原子光谱，更不能解释原子如何结合成分子的化学键的本质。原子如何结合成分子的化学键的本质。波尔理论的优点和不足波尔理论的优点和不足2.2 2.2 近代原子结构理论近代原子结构理论1 1、电子的波粒二象性（、电子的波粒二象性（wave-particle quality）1924年法国物理学家德布罗依在光的波粒二象性启发下提出所有微观粒子都具有波粒二象性mvhph电子束通过镍箔所得衍射图2 、测不准原理（、测不准原理（uncertainty principl

7、e）1927年海森堡提出测不准原理：不可能同时准确测定微观粒子运动的位置和动量，位置测得越准，动量就测得越不准，反之亦然。4/hpxx电子质量 ，电子在原子中运动速度约为 ，原子半径约 ，故电子坐标测定误差 至少要小于 才有意义，计算 是多大？ Kgm31101 . 91610smm11101010 x1110v1611311234108 . 5410101 . 910625. 64/smmKgsmKgxmhv微观粒子运动不符合经典力学规律电子运动有规律但无法确定电子运动有规律但无法确定其运动轨迹其运动轨迹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

8、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，概率小核外空间某些区域电子出现的机会少，概率小概率密度概率密度电子在原子核外某处单位体积内电子在原子核外某处单位体积内 出现的概率出现的概率3、微观粒子运动的统计性、微观粒子运动的统计性如如 1s的电子云的电子云小黑点较密的地方，概率小黑点较密的地方，概率密度较大，单位体积内电密度较大，单位体积内电子出现的机会多。子出现的机会多。l电子云电子云用小黑点的疏密表示电子出现概率用小黑点的疏密表示电子出现概率 密度的相对大小密度的相对大小4 4、薛定谔方程、薛定谔方程微粒的波动方程微粒的波动方程薛定谔方程的解-波函数波函数（x x，y y

9、，z z）及对应的能量）及对应的能量E E p137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 Es、 Es、 Ep . 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的空间图象叫原子轨道的空间图象叫原子轨道为得到有意义的合理解，必须使波函数中某些常数的取值受为得到有意义的合理解，必须使波函数中某些常数的取值受特定的限制，这些受特定限制的常数称为量子数，它们是主特定的限制，这些受特定限制的常数称为量子数，它们是主量子数量子数n、较量字数、较量字数l、和磁量子数、和磁量子数m。是描

10、述核外电子在三维空间中运动状态的一个数学函数式 量子数量子数主量子数主量子数(n)表示电子在核外空间出现概率最大区域离核的远表示电子在核外空间出现概率最大区域离核的远近，是决定电子能力高低的主要因素近，是决定电子能力高低的主要因素n=1、2、3、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电子层符号号KLMNOn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。角量子数角量子数()表示原子轨道或电子云的形状。多电子原子中，表示原子轨道或电子云的形状。多电子原子中，它和主量子数共同决定电子的能量它和主

11、量子数共同决定电子的能量=0、1、2、3 .(n-1) 的正整数的正整数 形状形状球形球形哑铃形哑铃形花瓣形花瓣形 电子亚层电子亚层符号符号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。该电子亚层能级越低。n010120123符号符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f 磁量子数磁量子数(m m)表示原子轨迹或电子云在空间的伸展方向表示原子轨迹或电子云在空间的伸展方向 m m值：值： - 、0、+ 的正整数的正整数, 共共(2l+1+1)个个每一个每一个m值代表一个取向，即一个原子轨道值代表一个取向，即一个原子轨道 m0-1、0、+-2、-1、0、+1 、+2原子轨道原

12、子轨道符号符号spy、px、pzdxy、dyz、dz2、dxz、 dx2-y2同一亚层内的各原子轨道同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场下在没有外加磁场下, 能量是相等的能量是相等的,称等价轨道称等价轨道 (简并轨道简并轨道) 。zzzzzzxxxxxxxxyyyyyspx py pzdxy dyz dxzdx2 dx2-y2 自旋量子数自旋量子数(m ms s) 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：电子所处的电子层副量子数副量子数(l)：电子所处的电子亚层：电子所处的电子亚层及原子轨道

13、、电子云的形状及原子轨道、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自旋状态描述电子的自旋状态m ms s值：值：+ 、 顺时针方向或逆时针方向顺时针方向或逆时针方向如如 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、轨道、自旋方向为自旋方向为的电子。的电子。12212112nm轨道数轨道数电子数电子数(2n2)K1s00122L2s0428p10、 16M3s009218p10、 16d20、1、210N4s0016232p10、 16d

14、20、1、210f3-0、1、2、3141、 多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1. 能级能级KLMNOP3. 同一原子，不同电子亚层有能同一原子，不同电子亚层有能级交错现象：如级交错现象：如E5s E4d E5p2. 同一电子层：同一电子层：Ens Enp End Enf近似能级图近似能级图 3 多电子原子的核外电子排布多电子原子的核外电子排布2 、基态原子中电子的分布原理、基态原子中电子的分布原理泡利不相容原理泡利不相容原理每一个原子轨道，最多只能容每一

15、个原子轨道，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。纳两个自旋方向相反的电子。能量最低原理能量最低原理原子为基态时，电子尽可能地原子为基态时，电子尽可能地 分布在能级较低的轨道上，使原子处于能级最低状分布在能级较低的轨道上，使原子处于能级最低状态态洪特规则洪特规则在同一亚层的等价轨道中在同一亚层的等价轨道中,电子尽可电子尽可能地单独分布在不同的轨道上能地单独分布在不同的轨道上,且自旋方向相同且自旋方向相同如如7N 1s22s22p31s 2s 2p(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(

16、7)3d(10) 4d(14) 5d(18) 6d(13) 4f(17) 5f应用核外电子填入轨道顺序应用核外电子填入轨道顺序图，根据泡利不相容原理、图，根据泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则，能量最低原理、洪特规则，可以写出元素原子的核外电可以写出元素原子的核外电子分布式。子分布式。如如 19K 1s22s22p63s23p64s1 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 核外电子填入轨道的顺序核外电子填入轨道的顺序洪特规则的特例：洪特规则的特例： 等价轨道全充满、半充满或全空的状态等价轨道全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。是比较稳定的。 全充满：全充满： S2 ,

17、p6, d10, f14 半充满半充满： s1 , p3, d5, f7 全空全空 ： S0 , p0 , d0, f0Cu29)(34332219262622误dspspss)(343322110162622正确dspspssCr24)(34332214262622误dspspss)(34332215162622正确dspspss46Pd、 47Ag、 79Au42Mo、 64Gd、 96Cm等等基态原子外层电子填充顺序：基态原子外层电子填充顺序： ns (n-2)f (n-1)d np 价电子电离顺序：价电子电离顺序： np ns (n-1)d (n-2)f3、简单基态阳离子的电子分布、简

18、单基态阳离子的电子分布例例 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 或或 Ar 3d64s2 Fe2+ 1s22s22p63s23p63d6 或或 Ar 3d6原子实原子实电子排布式中，内层已达到稀有气电子排布式中，内层已达到稀有气 体结体结构的部分。用稀有气体的元素符号加方括号表示构的部分。用稀有气体的元素符号加方括号表示经验规律经验规律4 4元素周期表和元素周期律元素周期表和元素周期律1、元素周期表的特点、元素周期表的特点元素周期律元素周期律：元素的性质随着原子序数的递增而呈周 期性变化的规律 周期律的直观表现形式是元素周期表周期：周期：元素周期表的每一行是一个周期。周期对应

19、于能级组元素周期表的每一行是一个周期。周期对应于能级组元素在周期表中所处的周期数等于它的最外电子层数，每一个周期所含元素数目与对应能级组最多能 容纳的电子数目一致6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s近似能级图近似能级图元素个数元素个数321818882族：族：性质相似的元素归为一族。族对应原子的价电子构型性质相似的元素归为一族。族对应原子的价电子构型AA0一一11s1AAAAAA21s2二二3456789 10三三11 12BBBB BBB13 14 15 16 17 18四四19 20 21 22

20、 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36五五37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54六六55 56 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86ns12 (n-1)d19ns02 ns2np16(n-1)d10ns12价电子价电子原子参加化学反应时能够用于成键的最高电子数目原子参加化学反应时能够用于成键的最高电子数目有主族、副族、零族和第八族有主族、副族、零族和第八族AA0一一1AAAAAA2二二3456789 10三三11 12BBB

21、B BBB13 14 15 16 17 18四四19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36五五37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54六六55 56 71* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86七七87 88 103*104 105 106 107 108 109 110 111 112镧系镧系57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71锕系锕系89 90 91 92 9

22、3 94 95 96 97 98 99100 101 102103Sddspfns12 (n-1)d19ns02(n-1)d10ns12ns2np16(n-2)f014(n-1)d02ns2最后一个电子一般填入次外层最后一个电子一般填入次外层d亚层亚层区区最后一个电子一般填入次外层最后一个电子一般填入次外层d亚层亚层最后一个电子填入最后一个电子填入s亚层亚层最后一个电子填入外层最后一个电子填入外层p亚层亚层最后一个电子一般填入外数第三层最后一个电子一般填入外数第三层 f 亚层亚层区： 价层电子构型相似的元素集中的区域价层电子构型相似的元素集中的区域2、原子结构与元素性质周期性、原子结构与元素性

23、质周期性原子的电子层结构随核电荷的递增呈周期性变化，原子的电子层结构随核电荷的递增呈周期性变化，促使元素的某些性质呈周期性变化。促使元素的某些性质呈周期性变化。 (如原子半径、电离能、电子亲合能、电负性如原子半径、电离能、电子亲合能、电负性)原子半径原子半径共价半径共价半径两个相同原子形成共价键时，其核间距离的一半。两个相同原子形成共价键时，其核间距离的一半。 d=198pm r(Cl)=99pmd=154pm r(C)=77pm金属半径金属半径金属单质晶体中，两个相邻金属原子核间距离的一半。金属单质晶体中，两个相邻金属原子核间距离的一半。 d=256pm r(Cu)=128pm范德华半径范德

24、华半径单质分子晶体中，两个相邻分子核间距离的一半。单质分子晶体中，两个相邻分子核间距离的一半。d=320pm r(Ne)=160pmIAIA0一一 H37IIAAIVIVAAVIAVIA AHe122二二 Li152Be111B88C77N70O66F64Ne160三三Na168Mg160BIVIVB VB VIBBIB IIBAl143Si117P110S104Cl99Ar191四四 K227Ca197Sc161Ti145V132Cr125Mn124Fe124Co125Ni125Cu128Zn133Ga122Ge122As121Se117Br114Kr198五五Rb248Sr215Y181Z

25、r160Nb143Mo136Tc136Ru133Rh135Pa138Ag144Cd149In163Sn141Sb141Te137I133Xe217六六 Cs265Ba217La173Hf159Ta143W137Re137Os134Ir136Pt136Au144Hg160Tl170Pb175Bi155Po153At Rn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 变化规律变化规律AABBBBB BBAAAAA0第二周期第二周期第三周期第三周期第四周期第四周期第五周期第五周期第六周期第六周期同一周期的同一周期的d区元素区元素, 自左

26、到右自左到右, 随核电荷的增加随核电荷的增加, 原子半径略有减小。原子半径略有减小。IB族开始，反而有所增加。族开始，反而有所增加。同一周期的主族元素同一周期的主族元素, 自左到右自左到右, 随核电荷的增加随核电荷的增加, 原原子半径逐渐减小。子半径逐渐减小。族号族号同一主族元素，自上往下，原子半径逐渐增大。同一主族元素，自上往下，原子半径逐渐增大。同一副族元素同一副族元素(除除BB外外),自上往下自上往下,原子半径一般略原子半径一般略有增大。五、六周期同族元素原子半径十分相似。有增大。五、六周期同族元素原子半径十分相似。电负性电负性(p)分子中元素原子吸引电子的能力分子中元素原子吸引电子的能

27、力以最活泼非金属元素原子以最活泼非金属元素原子p(F)=4.0为基础，计算其它元素原为基础，计算其它元素原子的电负性值。子的电负性值。 电负性越电负性越大大, 元素原子吸引电子能力越元素原子吸引电子能力越强强,即即元素原子越元素原子越易易得到电子得到电子,越越难难失去电子失去电子;电负性越电负性越小小, 元素原子吸引电子能力越元素原子吸引电子能力越弱弱,即即元素原子越元素原子越难难得到电子得到电子,越越易易失去电子。失去电子。AA一一 H2.1AAAAA A二二 Li1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0三三 Na0.9Mg1.2BB B B BB BAl1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0四四 K0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9