第6章 原子结构-大学化学=精品课程

1、第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系本 章 目 录6.1 人类对原子的认识人类对原子的认识6.2 核外电子的运动状态核外电子的运动状态6.3 原子电子层结构和元素周期律原子电子层结构和元素周期律第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系学习要求：1.掌握四个量子数的符号和表示的意义掌握四个量子数的符号和表示的意义2.掌握电子排布原则及方法掌握电子排布原则及方法3.了解元素周期表了解元素周期表1.了解原子结构的近代理论了解原子结构的近代理论第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系6.1 人类对原子的

2、认识人类对原子的认识一、人类对原子认识的基本过程一、人类对原子认识的基本过程19世纪初，道尔顿和阿佛加德罗建立了世纪初，道尔顿和阿佛加德罗建立了原子原子-分子论分子论。 19世纪末，英世纪末，英 J. J. Thomson, 通过阴极射线研究发现通过阴极射线研究发现电子电子（人类发现的第一个基本粒子）。（人类发现的第一个基本粒子）。1910年，美年，美 Robert A. Millikan，油滴实验，证实电子的，油滴实验，证实电子的质量质量m、电荷、电荷e。 1911年，英年，英 Rutherford 粒子散射实验发现进一步粒子散射实验发现进一步证实原子内部的基本结构，并提出了著名的原子核型结

3、证实原子内部的基本结构，并提出了著名的原子核型结构，其基本观点如下：构，其基本观点如下：第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系粒子散射实验示意图 2页第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系a) 原子由原子核（体积小、质量较大）和电子组成；原子由原子核（体积小、质量较大）和电子组成；b) 核内外电荷相等，原子电中性；核内外电荷相等，原子电中性；c) 原子质量主要是原子核提供的。原子质量主要是原子核提供的。 20世纪世纪30年代人们发现原子核由带正电荷的质子和年代人们发现原子核由带正电荷的质子和不带电的中子组成。不带电的中子组成。 20世纪世纪60年代发现了物质的更

4、深层结构：质子和年代发现了物质的更深层结构：质子和中子等所谓基本粒子是由更微小的叫做夸克的粒子中子等所谓基本粒子是由更微小的叫做夸克的粒子组成。组成。二、近代原子结构理论的简介二、近代原子结构理论的简介第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系1. 普郎克（普郎克（M. Planck)的量子化理论的量子化理论物质吸收或发射能量是不连续的，即量子化的。物质吸收或发射能量是不连续的，即量子化的。 2. 玻尔理论玻尔理论a) 电子绕核运动时，只能在某些特定的轨道上运动。电子绕核运动时，只能在某些特定的轨道上运动。在这些轨道上既不吸收能量也不释放能量。这些稳定的在这些轨道上既不吸收能量也不

5、释放能量。这些稳定的状态成为定态。能量最低的定态称为基态；其余的则称状态成为定态。能量最低的定态称为基态；其余的则称为激发态。为激发态。b) 电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定会放出或吸收电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定会放出或吸收能量，其大小取决于两个定态能量差能量，其大小取决于两个定态能量差第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3. 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性人们对光的认识人们对光的认识光运动的波粒二象性；光运动的波粒二象性；1 1）德布罗依关系式法）德布罗依关系式法De Broglie De Broglie 提出实物粒子也具有提出实物粒子也具有波粒

6、二象性，并计算出电子的波长；波粒二象性，并计算出电子的波长；两年后，英两年后，英 Thomson等和美等和美 Davisson等分别证实了等分别证实了 De Broglie De Broglie 的假设。的假设。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系2 2）测不准原理）测不准原理19271927年，德年，德 HesenbergHesenberg根据微粒的波粒根据微粒的波粒二象性，提出二象性，提出 海森堡测不准原理；即电子运动的海森堡测不准原理；即电子运动的位移与速度不可能同时位移与速度不可能同时测定准确。测定准确。图：图：海森堡海森堡第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和

7、元素周期系 根据量子力学理论，对微粒的运动只能采取统计的根据量子力学理论，对微粒的运动只能采取统计的方法，作出几率性的判断。方法，作出几率性的判断。4 . 薛定锷方程薛定锷方程 提出了描述氢原子核外电子运动状态的数学表达式，提出了描述氢原子核外电子运动状态的数学表达式，建立了氢原子的波动方程建立了氢原子的波动方程亦称薛定锷方程。此方程是量亦称薛定锷方程。此方程是量子力学的基本方程，其具体表达式为：子力学的基本方程，其具体表达式为：0282222VEhzyx描述核外电子运动状态的一种数学表达式。描述核外电子运动状态的一种数学表达式。 第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系6.2

8、核外电子的运动状态核外电子的运动状态一、一、 电子云电子云图图6-2 氢原子氢原子1s电子云图电子云图 小黑点较密的地方表示电子小黑点较密的地方表示电子在核外空间这些地方出现机会较多。在核外空间这些地方出现机会较多。 小黑点较稀疏的地方，即小黑点较稀疏的地方，即电子在核外空间某处出现机电子在核外空间某处出现机会较小会较小 这些密密麻麻的小黑点象一团这些密密麻麻的小黑点象一团 带负电的云，把整个原子核包围带负电的云，把整个原子核包围起来，如同天空的云雾一样，人起来，如同天空的云雾一样，人们就形象的称它为们就形象的称它为电子云电子云 第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系二、二、

9、四个量子数四个量子数1. 主量子数主量子数 n取值取值： 1，2，3，4，5 等正整数等正整数 意义：意义： 代表电子出现几率最大区域离核的远近，代表电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它代表电子层数。或者说它代表电子层数。例如例如n=1，代表第一电子层，代表第一电子层，n=2代表第二电子层。代表第二电子层。光谱符号：光谱符号：K，L，M，N，O，Pn是决定原子内电子能量高低的主要因素。是决定原子内电子能量高低的主要因素。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系2. 角量子数角量子数 l取值：取值：0，1，2，3，4， n-1；取值数：取值数：n 个个n取值数取值数l光谱符号光

10、谱符号轨道符号轨道符号110s1s220s2s1p2p330s3s1p3p2d3d第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系意义：意义： 表示原子轨道（或电子云）形状；表示原子轨道（或电子云）形状；例例如如： l =0 时，原子轨道呈球状；时，原子轨道呈球状；l =1 时时，原子轨道呈哑铃状原子轨道呈哑铃状；l=2 时，原子轨道呈花瓣状；时，原子轨道呈花瓣状； 表示同一电子层具有不同的亚层；表示同一电子层具有不同的亚层；例如，当例如，当n n =1时，时，l 0，只有一个数值，即第一电子层，只有一个数值，即第一电子层只有一个只有一个1s 亚层；亚层； 当当n n =2 时，时，l

11、可有两个数值可有两个数值0和和1，即第二电子层有，即第二电子层有两个电子亚层两个电子亚层(2s, 2p)第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系 它是决定电子能量的一个次要因素它是决定电子能量的一个次要因素； 单电子体系：单电子体系：各种状态电子能量只与各种状态电子能量只与n有关。例如有关。例如当当n不同时，其能量次序为不同时，其能量次序为 E1S E2SE3S E4S ；当当 n 相同，相同，l 不同时，其能量次序为不同时，其能量次序为 E4 s= E4p=E4d= E4 f 多电子体系：多电子体系：当当n 相同，相同，l 不同时，各种状态的电子不同时，各种状态的电子能量也不同

12、。一般来说，对于相同的电子层，能量也不同。一般来说，对于相同的电子层，l 值越大的值越大的电子能量越高，例如电子能量越高，例如 E4S E4pE4d E4 f第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3 .磁量子数磁量子数 m取值：取值：0，1，2，3，4， l ；取值数：取值数：2l + 1 个个例如：例如：l = 0m = 0；l =1m = 0， 1意义：意义： 表示表示 原子轨道（或电子云）的伸展方向。原子轨道（或电子云）的伸展方向。常把常把n、l和和m都确定的电子运动状态称为原子轨道都确定的电子运动状态称为原子轨道S亚层只有一个原子轨道亚层只有一个原子轨道， p亚层可有三

13、个原子轨道亚层可有三个原子轨道d亚层可有五个原子轨道，亚层可有五个原子轨道， f亚层可有七个原子轨道亚层可有七个原子轨道l相同的几个原子轨道能量是相同的，叫等价轨道。相同的几个原子轨道能量是相同的，叫等价轨道。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系4.4.自旋量子数自旋量子数ms 21取值取值: , ( ( 独立量独立量) )2121（ n, l, m,ms）代表每一个电子；）代表每一个电子；范围（离核远近）范围（离核远近） 形状形状伸张方向伸张方向自旋方向自旋方向第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系三、三、 核外电子排布规律核外电子排布规律1. 保里（保里（

14、W.Paulin）不相容原理）不相容原理 在一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子在一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子存在。根据保里原理，每条轨道上最多只能容纳存在。根据保里原理，每条轨道上最多只能容纳2个电子，个电子，而每个电子层所容纳的电子数最多为而每个电子层所容纳的电子数最多为2n2 ；2. 2. 能量最低原理能量最低原理 电子在原子轨道上的排布，总是尽先排在能量最低电子在原子轨道上的排布，总是尽先排在能量最低的轨道上，然后依次排在能级较高的轨道。的轨道上，然后依次排在能级较高的轨道。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3. 洪特（洪特（Hund）规

15、则）规则 （1）在等价轨道上排布电子，将尽可能分占不同）在等价轨道上排布电子，将尽可能分占不同轨道，且取自旋平行态。轨道，且取自旋平行态。 （2）当等价轨道处于全空（）当等价轨道处于全空（p0或或d0或或f 0）、全充满）、全充满（p6或或d10或或f 14）以及半充满（）以及半充满（p 3或或d 5或或f 7）时，体系能）时，体系能量最低，原子较为稳定。量最低，原子较为稳定。四、四、 多电子原子轨道近似能级图多电子原子轨道近似能级图 对于单电子体系，电子的能量只取决于主量子数对于单电子体系，电子的能量只取决于主量子数n与角与角量子数量子数l无关。但对于多电子体系，电子的能量除由主量子无关。但

16、对于多电子体系，电子的能量除由主量子数数n决定外，角量子数决定外，角量子数l也是一个重要影响因素。也是一个重要影响因素。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系一、鲍林（一、鲍林（L.Pauling)近似能级图近似能级图： 4s 3d 4p： 3s 3p ： 2s 2p ： 1s 能级顺序：能级顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p注意：注意： n 相同，相同，l不同，能量不等；不同，能量不等； 3d的能量高于的能量高于4s；能级图p21第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系例如：例如：HeHe：2 2个电子个电子1s1s2 2(1,0,0,+1/2)(1,0,0

17、,+1/2)； (1,0,0,-1/2)(1,0,0,-1/2)C: 6C: 6个电子个电子1s1s2 22s2s2 22p2p2 2 p p2 2: :N: 7N: 7个电子个电子1s1s2 22s2s2 22p2p3 3p p3 3: :Cr:24Cr:24个电子个电子 1 1s s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d5 54s4s1 11s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d4 44s4s2 21s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 64s4s1 13d3d5 5（对）（对）（错）（错）（

18、错）（错）可简写为：可简写为： ArAr 3d 3d5 54s4s1 1 ArAr ：原子实；：原子实； 3 3d d5 54s4s1 1：价电子层构型：价电子层构型第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系4s1这个电子用四个量子数表示为：这个电子用四个量子数表示为： 4，0，0，+1/2或或-1/23d5这五个电子用四个量子数表示为：这五个电子用四个量子数表示为：3，2，2，+1/2或或-1/2 3，2，1，+1/2或或-1/23，2，0，+1/2或或-1/2 3，2，-1，+1/2或或-1/23，2，-2，+1/2或或-1/2第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周

19、期系6.3 原子电子层结构和元素周期律原子电子层结构和元素周期律一、一、 原子的电子层结构与周期表原子的电子层结构与周期表 元素的性质随着核电荷的递增呈现周期性变化的规律元素的性质随着核电荷的递增呈现周期性变化的规律就称为元素周期律。就称为元素周期律。 依照这个规律把众多化学元素组织在一起形成的依照这个规律把众多化学元素组织在一起形成的系统叫化学元素周期系。周期系的具体表现形式是系统叫化学元素周期系。周期系的具体表现形式是各种各样的元素周期表。各种各样的元素周期表。周期表分为周期表分为周期（横行）和周期（横行）和 族（竖行）族（竖行）；第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系周期

20、表周期表第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系 周期表中的元素共划分为周期表中的元素共划分为7个横行，每个横行称为个横行，每个横行称为一个周期。其中第一、二、三周期为短周期；第四、五、一个周期。其中第一、二、三周期为短周期；第四、五、六周期为长周期；第七周期为不完全周期。元素所在的六周期为长周期；第七周期为不完全周期。元素所在的周期数等于其基态原子中含有电子的最高能级组的序号周期数等于其基态原子中含有电子的最高能级组的序号数，数，等于原子最外层主量子数等于原子最外层主量子数n。例如，第一周期，例如，第一周期，n=1；第二周期，；第二周期，n=2；余此类推。；余此类推。第一周期：

21、第一周期：（2个）个） H、He第二周期：第二周期： （8个）个）Li 、Be 、B 、C 、N 、O 、F 、 Ne第三周期：第三周期： （8个）个）Na 、Mg 、Al 、Si 、P 、S 、Cl 、Ar第四周期：第四周期： （18个）个）K 、 Ca 、Sc 、Ti 、V 、Cr 、Mn 、Fe 、 Co 、Ni 、 Cu 、Zn 、Ga 、 Ge 、As 、Se 、Br 、Kr第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系2. 族族周期表中竖行称为族；周期表共有周期表中竖行称为族；周期表共有18个竖行，个竖行，16个族；个族；包括：包括：7 个主族（用个主族（用A A表示）；表

22、示）； 0族；族； 7个副族（用个副族（用A A表示）；表示）； 族；族； 主族主族 凡是最后一个电子填入凡是最后一个电子填入ns或或np轨道的元素称轨道的元素称为主族元素。各主族的族数等于该元原子的最外层电子为主族元素。各主族的族数等于该元原子的最外层电子数（即数（即ns+np） 副族副族 凡是最后一个电子填入次外层凡是最后一个电子填入次外层(n-1)d轨道轨道或倒数第三层或倒数第三层(n-2)f轨道上的元素称为副族元素。轨道上的元素称为副族元素。 第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3. 电子层结构与区电子层结构与区 根据价电子结构的不同，可将元素周期表分为根据价电子结构

23、的不同，可将元素周期表分为s,p,d,ds,f五个区。五个区。 s区：区： A A ns1ns2p区：区：AA，0族族 ns2np1ns2np6d 区区: B B，族族 (n-1)d19ns12ds区区: B B (n-1)d10ns12f 区区: 镧系和锕系，镧系和锕系， 排在排在B中中CAI课件课件第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系【例【例6-3】某元素的价电子层构型为】某元素的价电子层构型为3d 54s1，指出，指出 元素的原子元素的原子序数；序数； 该元素属于哪一周期？哪一族？哪一区？该元素属于哪一周期？哪一族？哪一区？ 用四个用四个量子数描述全部价电子的运动状态？

24、量子数描述全部价电子的运动状态？答：答： 核外电子排布为：核外电子排布为：1s22s22p63s23p63d 54s1；共计；共计24个电子；个电子； 原子序数为原子序数为24（铬，（铬，Cr） 该元素位于第四周期，第该元素位于第四周期，第B族，族，d 区；区； （3，2，0，+1/2）（）（3，2，+2，+1/2） （3，2，+1，+1/2） （3，2，-1，+1/2） （3，2，-2，+1/2）或）或-1/2 （4，0，0，+1/2）或）或 -1/2第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系三、三、 元素的周期性元素的周期性 元素周期律揭示了元素性质相互联系的规律，这种元素周期

25、律揭示了元素性质相互联系的规律，这种规律的内在因素就是元素的原子结构。规律的内在因素就是元素的原子结构。1. 原子半径原子半径原子半径分为原子半径分为共价半径、金属半径和范德华半径共价半径、金属半径和范德华半径三类。三类。 共价半径共价半径 同种元素的两个原子以共价单键结合时，它们同种元素的两个原子以共价单键结合时，它们 核间距离的一半。核间距离的一半。 金属半径金属半径 金属晶格中，相邻金属原子核间距离的一半。金属晶格中，相邻金属原子核间距离的一半。 范德华半径范德华半径 在单质中，两个相邻原子在没有键合的情况下在单质中，两个相邻原子在没有键合的情况下仅借范德华力联系在一起时核间距离的一半。

26、仅借范德华力联系在一起时核间距离的一半。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系原子半径在周期表中的变化规律为：原子半径在周期表中的变化规律为：（1 1）同周期主族元素中，从左到右原子半径减小。）同周期主族元素中，从左到右原子半径减小。（2）同周期过渡元素中，从左到右随着原子序数的递增，）同周期过渡元素中，从左到右随着原子序数的递增， 原子半径减小较为缓慢，不如主族元素变化明显。原子半径减小较为缓慢，不如主族元素变化明显。（3 3）同一主族元素中，从上到下，原子半径依次增大。）同一主族元素中，从上到下，原子半径依次增大。（4）同一副族元素中，原子半径变化规律性不明显。）同一副族元

27、素中，原子半径变化规律性不明显。2. 电离能电离能 在定温定压下，基态的气态原子失去电子所需要的能量在定温定压下，基态的气态原子失去电子所需要的能量称为称为元素的电离能元素的电离能，用，用I表示，单位为表示，单位为kJmol-1。见图见图第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系返回第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系 对于多电子原子，处于基态的气态原子失去一个电子变成对于多电子原子，处于基态的气态原子失去一个电子变成+1价气态阳离子所需的能量称为价气态阳离子所需的能量称为元素的第一电离能元素的第一电离能I1。由。由+1价价阳离子再失去一个电子变成阳离子再失去一个

28、电子变成+2价阳离子所需的能量，称为元素价阳离子所需的能量，称为元素的的第二电离能第二电离能I2，余此类推。，余此类推。 意义：意义：I 越小，代表失电子越容易。越小，代表失电子越容易。电离能变化规律电离能变化规律: : 同一主族：从上到下，电子层结构相同，半径增大，电离能同一主族：从上到下，电子层结构相同，半径增大，电离能 降低。降低。 同一周期元素原子的第一电离能自左至右总的趋势是逐渐同一周期元素原子的第一电离能自左至右总的趋势是逐渐增大，某些元素具有全充满或半充满的电子结构，稳定性高，其增大，某些元素具有全充满或半充满的电子结构，稳定性高，其第一电离能比左右相邻元素都高第一电离能比左右相

29、邻元素都高 。第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系见表见表第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系3.3.电子亲合能（电子亲合能（Y Y） 在定温定压下，基态气态原子得到电子形成气态负离子在定温定压下，基态气态原子得到电子形成气态负离子所放出的能量叫所放出的能量叫元素的电子亲合能。用元素的电子亲合能。用Y表示表示，单位为，单位为kJmol-1。 电子亲合能表示元素的原子获得电子的难易程度，电子亲合能电子亲合能表示元素的原子获得电子的难易程度，电子亲合能越大，原子变成负离子的倾向越大。越大，原子变成负离子的倾向越大。 电子亲合能变化规律：电子亲合能变化规律： 同周

30、期中，从左到右，电子亲合能增大；同周期中，从左到右，电子亲合能增大； 同族中，从上到下，电子亲合能减小；同族中，从上到下，电子亲合能减小；第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系4 . 电负性电负性 元素的电负性元素的电负性 是指元素的原子在分子中对是指元素的原子在分子中对电子吸引能力电子吸引能力（或本领）的大小。（或本领）的大小。 电负性越小，金属性越强，非金属性越弱。电负性越小，金属性越强，非金属性越弱。 电负性明显的呈周期性变化：电负性明显的呈周期性变化： 同一周期自左至右，电负性增加（副族元素有些例外）；同一周期自左至

31、右，电负性增加（副族元素有些例外）； 同族自上至下，电负性依次减小，但副族元素后半部，从同族自上至下，电负性依次减小，但副族元素后半部，从上至下电负性略有增加。上至下电负性略有增加。 第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系H321312原子半径：原子半径：单位单位pm第一电离能：第一电离能：单位单位kJ mol-1He932372Li123520Be89900B82801C771086N701402O661314F641681Ne1122081Na154496Mg136738Al118578Si117787P1101012S1041000Cl991251Ar1541521返回第六章第六章 原子结构和元素周期系原子结构和元素周期系 卢瑟福是一