《工程化学基础》第1章-2015秋

1、第一章第一章 物质结构基础物质结构基础 1. 了解微观粒子运动的特殊性了解微观粒子运动的特殊性 波粒二象性波粒二象性； 2. 理解波函数、几率密度的意义；理解波函数、几率密度的意义； 熟悉熟悉原子轨道和电子云的角度分布图原子轨道和电子云的角度分布图； 3. 掌握掌握四个量子数四个量子数的意义及取值范围；的意义及取值范围；熟悉原子轨道的熟悉原子轨道的近似能级图近似能级图 ；4. 能够运用核外电子排布原则能够运用核外电子排布原则, 熟练写出原子的熟练写出原子的核外电子排布式核外电子排布式； 熟悉熟悉元素周期表元素周期表的结构及周期、族、区的划分；的结构及周期、族、区的划分； 掌握元素基本性质的周期

2、性变化规律掌握元素基本性质的周期性变化规律 。.本章要点本章要点Atomos：indivisibleAtom：原子：原子Democritus德谟克里特斯(460-370B.C.) 1803年提出化学原子论：年提出化学原子论： 1. 原子在化学变化中保持其本性不变；原子在化学变化中保持其本性不变； 2. 同元素原子其性质和重量相同，否则不同；同元素原子其性质和重量相同，否则不同； 3. 化合物质量为所含元素原子的质量总和。化合物质量为所含元素原子的质量总和。 道尔顿道尔顿（J. Dalton）英国科学家英国科学家 近代化学之父近代化学之父葡萄干面包模型葡萄干面包模型/ /蛋糕模型蛋糕模型 190

3、3年年Thomson，Joseph John约瑟夫约翰汤姆逊18561940英国物理学家英国物理学家 卢瑟福卢瑟福Ernest Rutherford18711937英国物理学家英国物理学家 1911年年 行星式模型行星式模型尼尔斯尼尔斯波尔波尔Niels Henrik David Bohr 1885-1962 丹麦物理学家丹麦物理学家1.1 玻尔原子模型玻尔原子模型一、原子光谱原子光谱二、能量量子化概念能量量子化概念三三、氢原子模型（氢原子模型（Bohr理论）理论）一、原子光谱一、原子光谱1. 光谱光谱 物质受高温或电弧作用物质受高温或电弧作用后发出不同波长或频率的光后发出不同波长或频率的光线

4、，利用分光器折射后，按线，利用分光器折射后，按照波长大小依次排列在屏幕照波长大小依次排列在屏幕上，并用照相的办法记录下上，并用照相的办法记录下各光线的位置，这种图形就各光线的位置，这种图形就称为光谱。称为光谱。 具有各种不同波长的光具有各种不同波长的光谱叫谱叫连续光谱连续光谱。可见光连续光谱可见光连续光谱 任何元素的气态原子在高温火焰的激发下任何元素的气态原子在高温火焰的激发下发光，经分光后，产生一条条不连续的谱线，发光，经分光后，产生一条条不连续的谱线，称为称为线状光谱线状光谱, 又叫又叫原子光谱原子光谱（不连续光谱不连续光谱）。）。 每种元素都有它自己的每种元素都有它自己的特征光谱特征光谱

5、。原子光。原子光谱在一定程度上反映了原子内部的结构。谱在一定程度上反映了原子内部的结构。2. 原子光谱原子光谱连续连续光谱和原子发射光谱光谱和原子发射光谱( (线状线状光谱光谱) )比较比较红外区红外区 红红 蓝绿蓝绿 蓝蓝 紫紫 紫紫氢原子光谱最简单，在可见光区氢原子光谱最简单，在可见光区(波长为波长为400760 nm)的光谱有的光谱有H 、H 、H 、H 和和H 等主要谱线。等主要谱线。H H H H H /nm 660 480 435 408 400 当当n1为不同数值时，即成为几个光谱系。为不同数值时，即成为几个光谱系。 如如n1 = 1紫外区，拉曼系；紫外区，拉曼系； n1 = 2

6、可见光区，巴尔麦系；可见光区，巴尔麦系； n1 = 3红外区，帕邢系；红外区，帕邢系；。 152212113.29 10 ()nn 1885年，巴尔麦年，巴尔麦(J.J.Balmer 18851898，瑞士，瑞士)发现这发现这5条谱线符合下式：条谱线符合下式： n为大于为大于2的正整数的正整数1522113.29 10 ()2nn2 n1 1890年，里德堡年，里德堡(J.R.Rydberg 18541919，瑞典，瑞典)发现所有谱线频率都符合同一公式：发现所有谱线频率都符合同一公式：二、能量量子化概念能量量子化概念 1. 量子化：不连续的变化规律。量子化：不连续的变化规律。 把不连续的形成等

7、差级数的数称量子数。把不连续的形成等差级数的数称量子数。 例如：时间的变化是连续的（宏观量）例如：时间的变化是连续的（宏观量） 电量（微观量）最小单位电量（微观量）最小单位1e = 1.610-19 C， 电量是量子化的。电量是量子化的。 量子化概念只有涉及到微观世界才有重要意义。量子化概念只有涉及到微观世界才有重要意义。能量是量子化的，这种能量的最小单位即能量子或能量是量子化的，这种能量的最小单位即能量子或量子量子(quantum)。光子光子 = h h = 6.62610-34 Js， Plank常数常数 “ “试想有一位矿工，他竭尽全力地进行贵重矿石的勘试想有一位矿工，他竭尽全力地进行贵

8、重矿石的勘探，有一次他找到了天然金矿脉，而且在进一步研究探，有一次他找到了天然金矿脉，而且在进一步研究中发现它是无价之宝，比先前可能设想的还要贵重无中发现它是无价之宝，比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏，那么无疑地，数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏，那么无疑地，他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。” 普朗克普朗克 “ “我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。” 洛仑兹洛仑兹当能量以光的形式传播时，当能量以光的形式传

9、播时，最小单位是光量子（简称光子最小单位是光量子（简称光子photon)，光量子能量光量子能量 = h ，h = 6.62610-34 Js， Plank常数常数一束单色光有一束单色光有n个光子，个光子，具有的能量具有的能量E = nh （n N）。）。爱因斯坦爱因斯坦Albert Einstein1879-1955德裔美国科学家德裔美国科学家 3. 爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说三、玻尔理论三、玻尔理论（一）经典轨道加定态条件（一）经典轨道加定态条件原子核外有特定半径的圆形轨道原子核外有特定半径的圆形轨道(orbit)，在每条特定轨道上运动的电子都具有一定的能量。在每条特定轨道上运动的

10、电子都具有一定的能量。这些轨道的能量不随时间变化，称为定态轨道。这些轨道的能量不随时间变化，称为定态轨道。在定态在定态(stationary states)下运动的电子不辐射能量。下运动的电子不辐射能量。（二）轨道能级（二）轨道能级不同半径的轨道，具有不同的能量，不同半径的轨道，具有不同的能量， 离核越近，能量越低；离核越远，能量越高，离核越近，能量越低；离核越远，能量越高， 这些一级一级的能量状态，就称为这些一级一级的能量状态，就称为能级能级。对氢原子来说，每条特定轨道的能量为：对氢原子来说，每条特定轨道的能量为： En = 13.6/n2 eV = 2.17910-18/n2 J （n为轨

11、道层数，即主量子数为轨道层数，即主量子数）。）。基态基态(ground state): 常态时原子中电子尽可能处于常态时原子中电子尽可能处于 能量最低能量最低的轨道的状态。的轨道的状态。氢原子的基态氢原子的基态： n=1，1813.6 eV2.179 10JE 电子跃迁电子跃迁：电子只有在：电子只有在不同的轨道之间不同的轨道之间跃迁时，跃迁时， 以光能的形式吸收或辐射出能量，以光能的形式吸收或辐射出能量， 其值为两个定态轨道的能量之差。其值为两个定态轨道的能量之差。 光子的频率决定于两个轨道的能量差：光子的频率决定于两个轨道的能量差： E=EnEn1hv （光子学说）（光子学说）（三）电子跃迁

12、（三）电子跃迁激发态激发态(excited states): 电子受外界能量激发时跃迁到电子受外界能量激发时跃迁到 能量较高能量较高的轨道时原子所处的状态。的轨道时原子所处的状态。)11(1029. 3)11(10626. 610179. 222211521223418nnnn21810179. 2nEhEEhE12)10179.210179.2(121182218nnh152212113.29 10 ()nn氢原子光谱谱线系列示意图氢原子光谱谱线系列示意图 成功之处成功之处: 解释了解释了氢原子光谱氢原子光谱产生的原因和规律性，产生的原因和规律性， 提出了原子轨道能级和主量子数等概念；提出了

13、原子轨道能级和主量子数等概念； 关键在于引入了关键在于引入了量子化量子化概念，认为电子的概念，认为电子的 运动状态是定态、不连续的，所以电子跃运动状态是定态、不连续的，所以电子跃 迁发射的原子光谱也是线状、不连续的。迁发射的原子光谱也是线状、不连续的。局限性局限性: 未能完全冲破经典物理学的束缚：未能完全冲破经典物理学的束缚： 无法解释氢原子光谱精细结构；无法解释氢原子光谱精细结构； 无法解释对多电子原子的光谱；无法解释对多电子原子的光谱； 不能解释化学键的本质。不能解释化学键的本质。1.2 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 量子力学原子模型量子力学原子模型一、微观粒子的一、微观粒

14、子的玻粒二象性玻粒二象性二、二、Schrdinger方程方程三、四个量子数三、四个量子数四、原子轨道的空间图像四、原子轨道的空间图像五、几率密度和电子云五、几率密度和电子云六、原子轨道能级图六、原子轨道能级图一、微观粒子的波粒二象性一、微观粒子的波粒二象性2,Em cvhphm c1. 光的波粒二象性光的波粒二象性粒子性粒子性与实物相作用的现象与实物相作用的现象波动性波动性与光的传播有关的现象与光的传播有关的现象原子光谱、光电效应原子光谱、光电效应光的干涉、衍射光的干涉、衍射可用最小能量单位光子可用最小能量单位光子解释解释可用波动的概念解释可用波动的概念解释粒子性粒子性E、p波动性波动性、2.

15、 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性Louis de Brglie(18921989)mvhph 根据该公式，可算出电子波长根据该公式，可算出电子波长( v =106 ms1)343161106.626 109.1 10107.3 100.73J skgm smnm 相当于相当于x射线的波长范围。射线的波长范围。德布罗依公式德布罗依公式符合符合L. de Broglie关系式的微粒的波关系式的微粒的波 称称德布罗依波或物质波德布罗依波或物质波。 23345231310 kg10 m /s6.626 10J s1 10kg 10 m s6.6 10mvhmv对于质量，的子弹:波长太短可以忽

16、略不计。波长太短可以忽略不计。波粒二象性是一切微观粒子的一种特性。波粒二象性是一切微观粒子的一种特性。（见（见P133图图5-3）3. 物质波的意义物质波的意义 实物微粒运动的统计规律实物微粒运动的统计规律 较强的电子流可在短时间内得到电子衍射照片，较强的电子流可在短时间内得到电子衍射照片， 但较弱的电子流时间足够长也可得同样的相片。但较弱的电子流时间足够长也可得同样的相片。 明处衍射强度大，波的振幅大；明处衍射强度大，波的振幅大； 从粒子性来看，入射到此处的电子数就较多，从粒子性来看，入射到此处的电子数就较多， 所以电子出现几率少的地方出现暗纹，所以电子出现几率少的地方出现暗纹， 即即电子的

17、波动性是粒子统计规律的体现。电子的波动性是粒子统计规律的体现。物质波物质波 与几率有关，与几率有关，即即| | | |2 2代表微粒出现的代表微粒出现的几率密度几率密度（单位体积中粒子出现的机会，与（单位体积中粒子出现的机会，与该处该处波强度波强度大小成正比）。大小成正比）。只要知道物质波只要知道物质波 的方程，的方程，解出解出 就可描述电子的运动状态。就可描述电子的运动状态。玻恩玻恩MaxBorn18821970德国物理学家德国物理学家 “压倒多数的物理学家都承认我的波压倒多数的物理学家都承认我的波函数统计分析，但是也有不承认的，函数统计分析，但是也有不承认的，诸如像普朗克、爱因斯坦、薛定锷

18、诸如像普朗克、爱因斯坦、薛定锷等著名科学家，因此，我的这项研等著名科学家，因此，我的这项研究成果足足等待了究成果足足等待了28年才获得诺贝年才获得诺贝尔奖。尔奖。” (1954年年)量子化学借用物理学中波的描述方法，量子化学借用物理学中波的描述方法，用用波函数波函数 来描述电子的运动状态。来描述电子的运动状态。 4. 测不准原理测不准原理 /不确定原理不确定原理 (uncertainty principle) 海森堡海森堡Werner Heisenberg1901年年1976年年德国物理学家，量子力学创立人德国物理学家，量子力学创立人 xp h/2x位置坐标位置坐标p动量动量 ()2hxmv

19、2hxvm 不可能同时测得电子的不可能同时测得电子的 精确位置和精确动量。精确位置和精确动量。测不准原理是微观粒子第二个显著的运动特点。测不准原理是微观粒子第二个显著的运动特点。 一电子在原子核外运动，运动速度为一电子在原子核外运动，运动速度为106107 ms1，原子半径的数量级为原子半径的数量级为 1010m，x小于小于1011m。347131116.626 10v1.16 10229.1 1010hm smx 速度的测不准量已大大超过合理误差范围。速度的测不准量已大大超过合理误差范围。位置测得越准确位置测得越准确(x越小越小)，速度的测不准量就越大；，速度的测不准量就越大；而而v越小，则

20、越小，则x就越大。就越大。一质量为一质量为50g的子弹的子弹v = 300米米/秒，准确到秒，准确到0.01，则则 x = h /(2 p) = h / (2m v) = 4.42 10 31(m)。这远远超过测量所能达到的精度。这远远超过测量所能达到的精度。薛定谔薛定谔Erwin Schrdinger18871961二、Schr dinger方程方程你的方程出自于一个真正的天才。你的方程出自于一个真正的天才。 爱因斯坦致薛定谔爱因斯坦致薛定谔(1926年年) 奥地利物理学家奥地利物理学家谁如果在量子面前不感到震惊，谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样他就不懂得现代物理学；同

21、样如果谁不为此理论感到困惑，如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。他也不是一个好的物理学家。 玻尔玻尔我思考量子力学的时间百倍于我思考量子力学的时间百倍于思考广义相对论的时间，思考广义相对论的时间，但我还是不明白它。但我还是不明白它。 爱因斯坦爱因斯坦习惯上借经典力学中轨道的说法表示波函数，习惯上借经典力学中轨道的说法表示波函数，把一个把一个波函数波函数称为一个称为一个“原子轨道原子轨道”。电子处于某种运动状态，即电子在某个原子轨道上。电子处于某种运动状态，即电子在某个原子轨道上。 原子轨道原子轨道电子的空间运动状态电子的空间运动状态等价等价波函数的平方波函数的平方|2即几率密度

22、即几率密度： 反映电子在核外空间某微小体积内出现的几率大小，反映电子在核外空间某微小体积内出现的几率大小，2dd1. 将直角坐标转换成球面坐标将直角坐标转换成球面坐标(r, , )(r)( , )RY 求解求解Schrdinger方程的两个条件方程的两个条件2. 为使解出为使解出Schrdinger方程中的方程中的 有物理意义有物理意义 （单值、有限、连续单值、有限、连续），必须引入三个量子数），必须引入三个量子数 (n, l, m)作为限制条件。作为限制条件。 为精细描绘电子运动状态，为精细描绘电子运动状态， 提出电子自旋假设，提出电子自旋假设， 引入第四个量子数：自旋量子数引入第四个量子数

23、：自旋量子数ms。三个量子数一旦确定，波函数也就随之确定，三个量子数一旦确定，波函数也就随之确定，即即三个量子数决定一个波函数的形式，三个量子数决定一个波函数的形式，波函数与原子轨道等价，所以又说，波函数与原子轨道等价，所以又说，三个量子数决定一个原子轨道的运动状态。三个量子数决定一个原子轨道的运动状态。 n是决定核外电子能量高低和离核平均距离远近是决定核外电子能量高低和离核平均距离远近的主要因素，称主量子数。的主要因素，称主量子数。 取值范围：取值范围：n1，2，3，4 正整数正整数 三、四个量子数三、四个量子数1. 主量子数主量子数n (principal quantum number)

24、n ： 1 2 3 4 5 6 7光谱符号：光谱符号：K L M N O P Q R(r)可有多次方，可得一系列与主量子数有关的解可有多次方，可得一系列与主量子数有关的解: n = 1、2、3、电子层还可细分为若干不同电子亚层。电子层还可细分为若干不同电子亚层。用用角量子数角量子数l 代表代表电子亚层电子亚层，l 还同时确定了原子轨道的形状。还同时确定了原子轨道的形状。在在多电子原子多电子原子中，中，l 和和n 共同决定电子的共同决定电子的能量能量。取值范围：取值范围： l0，1，2，3，（，（n1） （ 0l n， 小于小于n 的非负整数的非负整数） l： 0，1，2，3，光谱符号：光谱符号

25、： s，p，d，f，2. 角量子数角量子数l (angular momentum quantum number)例如：例如：n3 根据根据 0 l n 的取值范围，则有：的取值范围，则有： l 可以有三个取值可以有三个取值: l0，1，2 即第三电子层有三个亚层，即第三电子层有三个亚层， 分别是：分别是：3s、3p、3d。 多电子原子中，多电子原子中，同一电子层同一电子层(n相同相同)，l 越大，轨道能量越高。越大，轨道能量越高。dpsEEE333 m决定原子轨道在空间的取向。决定原子轨道在空间的取向。同一形状的原子轨道（同一形状的原子轨道（l 相同），相同），在空间会有不同的取向，用在空间会

26、有不同的取向，用m来表示。来表示。 取值范围：取值范围：m0，1，2，l （ m l，可以取可以取 2l1个值）个值）l1时时0 ()1 ()1 ()zxypppm p轨道在空间有三个不同的取向轨道在空间有三个不同的取向: px、py和和pz。3. 磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number) d轨道在空间有轨道在空间有5个不同取向。个不同取向。222yzxyxzzxyddddd,磁量子数与轨道的能量无关，磁量子数与轨道的能量无关，只要只要n 和和l 相同，轨道的能量就相同，相同，轨道的能量就相同，能量相同的轨道称为简并轨道（或等价轨道）能量相同的轨道称为简并轨道（或

27、等价轨道），如：如：3px、3py、3pz 互相称为等价轨道。互相称为等价轨道。m-2，-1，0，+1，+2。l2时时 m l Y(,)可以得到一系列与可以得到一系列与l、m有关的解有关的解: l = 0、1、2、3n-1（n个值）个值） m = 1、2.l （2l+1个值）个值） 根据根据n、l、m三个量子数的取值范围，三个量子数的取值范围，可以确定每个电子层中原子轨道的数目。可以确定每个电子层中原子轨道的数目。n1 ： l0，m0n2 ： 1, 1, 0, 10, 0mml4个轨道个轨道 2s, 2pz, 2px, 2pyn3： 2, 1, 2, 1, 0, 21, 1, 0, 10, 0

28、mmml9个轨道个轨道3s, 3pz , 3px , 3py , 3dxy , 3dxz , 3dyz , 3dz2 , 3dx2-y2每个电子层中的轨道数每个电子层中的轨道数n2 1个轨道个轨道 1sms表示电子的自旋运动状态。表示电子的自旋运动状态。4. 自旋量子数自旋量子数ms (spin quantum number)电子除了在核外空间绕核的运动，电子除了在核外空间绕核的运动，还有本身的自旋运动。还有本身的自旋运动。 ms只有只有1/2两个取值，两个取值， 代表电子自旋的两个方向。代表电子自旋的两个方向。 “”和和“ ”表示自旋方向。表示自旋方向。 “ ”自旋相反，自旋相反， “ ”自

29、旋平行。自旋平行。 电子在核外的运动，包括电子在核外的运动，包括轨道运动轨道运动和和自旋运动自旋运动。n、l、m三个量子数分别确定了三个量子数分别确定了原子轨道的能量高低、轨道形状和轨道取向原子轨道的能量高低、轨道形状和轨道取向；只要这三个量子数取一定的值，只要这三个量子数取一定的值，就确定了唯一的一个就确定了唯一的一个原子轨道原子轨道(波函数波函数)；n、l、m, ms四个量子数，四个量子数，完全确定完全确定电子所处的运动状态电子所处的运动状态。 (n,l,m)：原子轨道（原子轨函）：原子轨道（原子轨函） (n,l,m,ms)：电子的运动状态：电子的运动状态解：解：21 或或“”。(2) n

30、4，l0，m0，(2) 电子处于电子处于4s轨道，自旋方向为轨道，自旋方向为 或或“”。spEE42 例例1.1 由下列四个量子数的取值，判断电子运动的由下列四个量子数的取值，判断电子运动的 有关信息有关信息(轨道、自旋方向轨道、自旋方向)。 (1) n2，l1，m0，12sm 12sm (1) 电子处于电子处于2pz轨道，自旋方向为轨道，自旋方向为12四个量子数的取值规则四个量子数的取值规则符号符号nlmms名称名称主量子数主量子数角量子数角量子数磁量子数磁量子数 自旋量子数自旋量子数取值范围取值范围1,2,3n0,1,n-10, 1, l 1/2取值个数取值个数nn2l+12意义意义层数层

31、数决定能量决定能量形状形状影响能量影响能量空间空间取向取向电子电子自旋自旋B. 每组量子数确定一个波函数每组量子数确定一个波函数 和对应的能量和对应的能量En,l 。 但但单电子单电子的的Schr dinger方程方程 ( n,l,m)和和En ， n 一定，对应只有一个能量值一定，对应只有一个能量值En（简并轨道）。（简并轨道）。 m l n （n, m, l都属于整数）都属于整数）说明说明A. l受受n的限制，的限制，m受受l的限制；的限制； 如如: n = 3，有，有9个波函数，对应一个能量值个波函数，对应一个能量值E3 。 即有即有9个简并轨道。个简并轨道。 例例1.2m l l。 m

32、 l E4s，3d和和4s属同一能级组。属同一能级组。 4f、5d 、6s轨道轨道 4f轨道轨道: (n + 0.7l) = 4 + 0.73 = 6.1 5d轨道轨道: (n + 0.7l) = 5 + 0.72 = 6.4 6s轨道轨道: (n + 0.7l) = 6 + 0 = 6 所以所以: E5d E4f E6s，4f、5d、6s属同一能级组。属同一能级组。93徐光宪的近似规则徐光宪的近似规则各原子轨道能级的高低主要根据光谱实验确定，各原子轨道能级的高低主要根据光谱实验确定，能级高低可用图示法表示。能级高低可用图示法表示。最简单明了的是最简单明了的是鲍林近似能级图鲍林近似能级图(19

33、39年年) 。(只适用于多电子原子只适用于多电子原子)近似能级图按照原子轨道的近似能级图按照原子轨道的能量高低能量高低排列，排列，而不是按原子轨道离核远近顺序排列。而不是按原子轨道离核远近顺序排列。2. 鲍林原子轨道能级图鲍林原子轨道能级图 “鲍林在他的一生中主要扮鲍林在他的一生中主要扮演了三个角色，即科学家、政治演了三个角色，即科学家、政治活动家和医学鼓吹者。无论扮演活动家和医学鼓吹者。无论扮演哪一个角色，鲍林都表现得很投哪一个角色，鲍林都表现得很投入，专心致志，而且很自信。入，专心致志，而且很自信。” “即使是像鲍林这样即使是像鲍林这样的的现世的天下英雄现世的天下英雄，也未能自始至终地保持

34、英也未能自始至终地保持英雄本色。雄本色。”鲍林鲍林(Linus Pauling)1901 1994 鲍林原子轨道能级图鲍林原子轨道能级图 l 相同，相同，n ，E ，E1sE2sE3s； n 相同，相同，l ，E ，E4s E4p E4d E4s，E5d E4f E6s能级组的划分是造成元素周期表中元素划分为周能级组的划分是造成元素周期表中元素划分为周期的本质原因。期的本质原因。周期表中有七个能级组（周期表中有七个能级组（E n + 0.7l）：）：电子的填充次序电子的填充次序A 只反映只反映同一原子同一原子内的内的 原子轨道能级情况；原子轨道能级情况；B 近似近似能级高低；能级高低；C 电子

35、在某一轨道上的电子在某一轨道上的 能量实际与原子序数能量实际与原子序数 有关。有关。 1.3 多电子原子结构与周期系多电子原子结构与周期系一、原子核外电子的分布一、原子核外电子的分布（一）泡利不相容原理（一）泡利不相容原理（二）能量最低原理（二）能量最低原理（三）（三） 洪特规则洪特规则（一）泡利不相容原理（一）泡利不相容原理 (1925年年1月月) 沃尔夫冈沃尔夫冈泡利泡利Wolfgang E. Pauli19001958 美籍奥地利科学家美籍奥地利科学家1945年年Nobel物理学奖物理学奖同一原子同一原子中，中，不可能有四不可能有四 个量子数完全相同个量子数完全相同的电子，的电子， 或者

36、说，不可能有或者说，不可能有运动状运动状 态完全相同态完全相同的电子。的电子。 每个原子轨道最多只能容纳每个原子轨道最多只能容纳自旋相反的两个电子自旋相反的两个电子。 若两个电子若两个电子n、l、m (确定一确定一 个原子轨道个原子轨道)都相同，则其自旋状都相同，则其自旋状态一定相反。态一定相反。量子数取值量子数取值轨道数目轨道数目电子最大容量电子最大容量n = 1 l = 0；m = 012n = 2 l = 0；m = 0 l = 1；m = 0, 11+3 = 48n = 3l = 0；m = 0 l = 1；m = 0, 1 l = 2；m = 0, 1, 21+3+5 = 918n

37、= n l = 0,1,2n-1； m = 0, 1, 2 l n22n2每一层中最多容纳的电子数为：每一层中最多容纳的电子数为：2n2。在不违背泡利不相容在不违背泡利不相容 原理的前提下，电子原理的前提下，电子 将将优先占据能量最低优先占据能量最低 的轨道的轨道，保持体系的，保持体系的 能量处于最低状态。能量处于最低状态。（二）能量最低原理（二）能量最低原理电子的填充次序电子的填充次序 在在n 和和l 相同的等价轨道上相同的等价轨道上 分布的电子，总是分布的电子，总是尽可能尽可能 分占不同的轨道，并且自分占不同的轨道，并且自 旋平行旋平行（自旋状态相同）。（自旋状态相同）。（三）洪特规则（三

38、）洪特规则（最多轨道最多轨道规则，规则，1925年）年）Friedrich Hund18961997 德国理论物理学家德国理论物理学家 226261011324233sspspds22692621223343sspsdps29号元素号元素Cu 轨道顺序书写时按主量子数由小到大排列，轨道顺序书写时按主量子数由小到大排列， 电子的填充按轨道能级顺序由低到高填入。电子的填充按轨道能级顺序由低到高填入。 书写电子分布式的注意事项书写电子分布式的注意事项 如：如：26Fe26626224333221sdpspss 原子序数较大时，为书写方便，常原子序数较大时，为书写方便，常把内层电子分把内层电子分布用相

39、应的稀有气体元素代替布用相应的稀有气体元素代替，即，即“原子实原子实”，然后写出外层电子分布。然后写出外层电子分布。如：如：26Fe62Ar34ds 价层电子分布式可以反映该元素原子电子层结构价层电子分布式可以反映该元素原子电子层结构 的特征，但的特征，但价层中的电子并非一定全是价电子价层中的电子并非一定全是价电子。如：如：30Zn价层电子结构为价层电子结构为3d104s2， 其氧化态为其氧化态为+2。 书写电子分布式的注意事项书写电子分布式的注意事项 熟练书写熟练书写36号之前元素的电子分布式。号之前元素的电子分布式。特别是：特别是：Cr24，Cu29。二、原子核外电子的分布和元素周期系二、

40、原子核外电子的分布和元素周期系德米特里德米特里伊万诺维奇伊万诺维奇门捷列夫门捷列夫Mendeleev Dmitrii Ivanovich 1834-1907俄国化学家俄国化学家 1869年年当时已发现当时已发现60多种元素多种元素元素周期律元素周期律: 元素性质随着元素性质随着原子量原子量的递增呈现出的递增呈现出 周期性的变化。周期性的变化。 现在的元素周期表，共有现在的元素周期表，共有118种元素，种元素， 横向横向七个周期七个周期， 纵向纵向八个主族、八个副族八个主族、八个副族， 根据外层电子构型的特点，根据外层电子构型的特点， 还可分为还可分为五个区五个区。元素周期律元素周期律: 元素性

41、质随着元素性质随着核电荷数核电荷数的递增呈现出的递增呈现出 周期性的变化。周期性的变化。元素周期律元素周期律: 元素性质随着元素性质随着核外电子的分布核外电子的分布呈现出呈现出 周期性的变化。周期性的变化。（一）周期（一）周期每一横行是一个周期。周期根据每一横行是一个周期。周期根据电子层数电子层数划分。划分。原子序数原子序数，核外电子数，核外电子数 ，电子层数，电子层数 。电子每开始排下一层时，开始新周期。电子每开始排下一层时，开始新周期。周期数原子的电子层数周期数原子的电子层数周期中元素数目周期中元素数目 相应能级组中原子轨道相应能级组中原子轨道 所能容纳的电子总数所能容纳的电子总数周期与能

42、级组周期与能级组Periods and energy levels group能级能级能级组数能级组数（周期数（周期数）能级组内最多电子数能级组内最多电子数（周期中的元素数）（周期中的元素数）周期名称周期名称1s第一周期第一周期2特短周期特短周期2s,2p第二周期第二周期8短周期短周期3s,3p第三周期第三周期8短周期短周期4s,3d,4p第四周期第四周期18长周期长周期5s,4d,5p第五周期第五周期18长周期长周期6s,4f,5d,6p第六周期第六周期32特长周期特长周期7s,5f,6d,7p第七周期第七周期32特长周期特长周期（二）族（二）族外层电子构型相同或相近、化学性质相似的外层电子

43、构型相同或相近、化学性质相似的 元素划为一族，排在同一列中。元素划为一族，排在同一列中。主族主族：最后一个电子填入：最后一个电子填入s、p 轨道的元素轨道的元素 （A）副族副族：最后一个电子填入：最后一个电子填入d、f 轨道的元素轨道的元素 （B） （过渡元素过渡元素）每一纵列是一个族（除每一纵列是一个族（除B外），外），族根据族根据外层电子构型外层电子构型划分。划分。族数外层电子数族数外层电子数 主族：最外层电子数主族：最外层电子数 副族：最外层次外层副族：最外层次外层d轨道电子数轨道电子数B、B、 和和0族例外：族例外： B、B：101 2(1)nd ns：6 81 2(1)ndns 根据

44、元素根据元素外层电子构型特征外层电子构型特征把周期表分五个区。把周期表分五个区。s 12ns（A、A）p612 npns（AA、0族）族）d 1 81 2(1)ndns（B）ds2110)1( nsdn（B、B）f 2140)2(nsfn （镧系、锕系元素）（镧系、锕系元素）区区最后电子所填入的轨道名称。最后电子所填入的轨道名称。 若最后电子填入若最后电子填入d10则称为则称为ds区。区。（三）区（三）区区区 价层电子构型价层电子构型 族族115f区区元元素素s区区元元素素素素p区区元元d区区元元素素元素阳离子的外层电子构型类型元素阳离子的外层电子构型类型A. 无无电子构型，例如电子构型，例如

45、1H+：1s0；B. 2电子构型，例如电子构型，例如3Li+：1s2；C. 8电子构型，如电子构型，如11Na+：2s22p6；D. 917电子构型，如电子构型，如26Fe2+：3s23p63d6；E. 18电子构型，如电子构型，如29Cu+：3s23p63d10；F. (18+2)电子构型，如电子构型，如50Sn2+：4s24p64d105s2。(1) 写出写出29Cu的电子分布式和价层电子构型，的电子分布式和价层电子构型， 所属周期、族和区？所属周期、族和区？例例1.4(2) 已知某元素在第四周期、已知某元素在第四周期、A族，是何元素？族，是何元素？226261011324233sspsp

46、ds11043sd(1) 电子分布式：电子分布式：价层电子构型：价层电子构型：101Ar 34ds第四周期、第四周期、B族、族、ds区。区。解：解：n4，?44ps电子分布式：电子分布式：102544Ar3spd5244psE n + 0.7l，第四能级有第四能级有 E4s E3d r金金 r共共数量级：数量级：0.1 nm（） 影响原子半径大小的两个主要因素：影响原子半径大小的两个主要因素： 核电荷数和电子层数核电荷数和电子层数 稀有气体等分子晶体稀有气体等分子晶体中，中， 原子间以范德华力结合，原子间以范德华力结合， 相邻原子核间距的一半称为该原子的范德华半径。相邻原子核间距的一半称为该原

47、子的范德华半径。4. 递变规律递变规律 同一周期从左到右：同一周期从左到右： 短周期左短周期左右逐渐缩小，稀有气体突然增大；右逐渐缩小，稀有气体突然增大； 长周期中同一周期的过渡元素左长周期中同一周期的过渡元素左右，右， 原子半径缩小程度不大，原子半径缩小程度不大， d充满充满时半径略为时半径略为增大增大。 第六、七周期中第六、七周期中f 7和和f 14时原子半径也会略有增大。时原子半径也会略有增大。 原子半径在周期表中的变化趋势原子半径在周期表中的变化趋势 同一族从上到下：同一族从上到下： 主族元素半径增大明显，主族元素半径增大明显，副族元素副族元素 镧系收缩镧系收缩导致五、六周期同族元素导

48、致五、六周期同族元素(B后后) 原子半径相近，性质十分相似，常共生而难以分离。原子半径相近，性质十分相似，常共生而难以分离。第五周期第五周期ZrNbMo原子半径原子半径145pm134pm130pm第六周期第六周期HfTaW原子半径原子半径144 pm 134 pm 130 pm 镧系收缩镧系收缩镧系元素随镧系元素随原子序数的增加原子序数的增加，有效核电荷增加得有效核电荷增加得极少，半径变化极平缓，平均不足极少，半径变化极平缓，平均不足1 pm，原子半原子半径径在总趋势上在总趋势上缓慢缩小缓慢缩小的现象。的现象。(从镧到镥，镧系从镧到镥，镧系元素的原子半径总共减小了元素的原子半径总共减小了13

49、pm。)二、电离能与电子亲合能二、电离能与电子亲合能使使基态气态基态气态原子或离子失去一个电子所需要原子或离子失去一个电子所需要 的最小能量。的最小能量。M (g)M (g) e 第一电离能（第一电离能（I1）2M (g)M(g)e 第二电离能（第二电离能（I2）I 0，单位，单位kJmol-1，衡量，衡量失电子失电子的难易程度。的难易程度。Al (g) = Al3+ (g) + 3e-I = 577.6 + 1510 + 2300 = 4388 kJmol-11. 电离能（电离能（ionization energy, I）I的大小主要取决于的大小主要取决于原子半径原子半径和和电子层结构电子层

50、结构。同一周期：左同一周期：左右，核电荷数右，核电荷数，原子半径，原子半径， 核对外层电子吸引力增大，核对外层电子吸引力增大，I逐渐逐渐。同一主族：上同一主族：上下，电子层数下，电子层数 ，半径，半径 ， 核对外层电子吸引力核对外层电子吸引力 ， I逐渐逐渐 。 同一副族：不规律同一副族：不规律 。稀有气体稀有气体元素电离能明元素电离能明显高于同周期其他元素，显高于同周期其他元素，因为其外层轨道全充满，因为其外层轨道全充满，处于稳定状态，故不容处于稳定状态，故不容易失电子。易失电子。电离能变化趋势电离能变化趋势部分元素的部分元素的I1曲线曲线A plot of the first ionization energies of elements 2. 电子亲合能（电子亲合能（electron affirity, A）使使基态气态原子基态气态原子获得获得1 mol电子成电子成1价气态阴离子价气态阴离子时所放出的能量，单位时所放出的能量，单位kJmol-1；有；有逐级电子亲合能逐级电子亲合能。习惯上电子亲合能取正值习惯上电子亲合能取正值，则，则rHm= AAr (g) + e