无机化学课件第五章原子结构与元素周期性-PPT精选

1、第一节原子与元素无机化学多媒体电子教案 第五章 原子结构和元素周期性 第一节 原子与元素7/26/20221课件5-1-3 原子轨道能级5-1-3 原子轨道能级日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续变化的谱带装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线aa为连续光谱氢原子光谱 nm 410.2 434.1 486.1 656.3aa H H H H为带状光谱7/26/20222课件氢原子中的电子在原子核周围有确定半径和能量的圆形轨道中运动。电子在这些轨道上运动不吸收能量或放出能量波尔氢原子模型nEn/J1-2.179

2、10-18 2-5.4510-19 3-2.4210-19 4-1.3610-19 5 -8.7210-20 6-6.0510-20 n越小, 离核越近, 轨道能量越低, 势能值越负n7/26/20223课件处于激发态的电子不稳定，要跳回到能量较低的轨道, 以光的形式放出能量(即光谱谱线对应的能量) 正常状态下，原子中的电子尽可能在离核最近、能量最低的轨道上运动(基态)波尔氢原子模型基态 激发态(电子处于能 量较高的状态)吸收能量(跃迁)放出能量En(2)-En(1)=h h Planck常数 光的频率7/26/20224课件 -0.445 -0.605 -0.872 -1.36 -2.42

3、-5.45 -21.79E/10-19J7 6 5 4 3 2 1n121.6nm120.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nmH H H H H 如氢原子光谱中的H线 En2-En1= h h Planck常数 光的频率= = = 4.571014s-1 En3-En2 -2.4210-19J- (-5.4510-19J) h 6.62610-34Js 32= = = 656.5nm 32 4.571014s-1 c(光速) 3108ms-1 7/26/20225课件严重的局限性。只能解释单电子原子

4、(或 离子)光谱的一般现象，不能解释多电子 原子光谱成功地解释了氢原子和类氢原子(如He+、 Li2+)的光谱现象, 推动了原子结构的发展 波尔氢原子模型波尔理论的缺陷，促使人们去研究和建 立能描述原子内电子运动规律的量子力 学原子模型7/26/20226课件第二节原子结构的近代概念第五章 原子结构和元素周期性 第二节 原子结构的近代概念无机化学多媒体电子教案 7/26/20227课件原子结构的近代概念电子的波粒二象性概率和概率密度原子轨道电子云量子数7/26/20228课件5.2.1 电子的波粒二象性 20世纪初人们已经发现，光不仅有微粒的性质，而且有波动的性质，即具有波粒二象性。 1924

5、年，Louis de Broglie(德布罗意)认为：质量为m, 运动速度为的粒子，相应的波长为：=h/m=h/p，h=6.62610-34Js，Plank常量。 1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。7/26/20229课件5.2.2 概率和概率密度概率：电子在原子核外空间某处出现的机率。 量子力学认为，原子中个别电子运动的轨迹是无法确定的，亦即没有确定的轨道，这一点是与经典力学有原则的差别。但是原子中电子在原子核外的分布还是有规律的：核外空间某些区域电子出现的概率较大，而另一些区域电子出现的概率较小。概率密度：电子在原子核外空间某处单

6、位体积内出现的概率。7/26/202210课件5.2.3 原子轨道1. 波函数Schrdinger方程7/26/202211课件直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222zyxr+=cosrz=qsinsinry=qcossinrx=q()()q, , rzyx ()()q,YrR=7/26/202212课件 在量子力学中是用波函数和与其对应的能量来描述微观粒子的运动状态的. 原子中电子的波函数既然是描述电子云运动状态的数学表达式,而且又是空间坐标的函数,其空间图象可以形象地理解为电子运动的空间范围,俗称”原子轨道”.为了避免与经典力学中的玻尔轨道相混淆,又称为原子轨函(原子轨道函

7、数之意),亦即波函数的空间图象就是原子轨道,原子轨道的数学表达式就是波函数.7/26/202213课件波函数的物理意义2 ：原子核外出现电子的概率密度。 电子云是电子出现概率密度的形象化描述。7/26/202214课件2. 原子轨道角度分布图 将波函数的角度分布部分（Y）作图，所得的图象就称为原子轨道的角度分布图。 如氢原子的1s轨道的波函数为： 1s = (1 /a03)1/2 e-r/a0其中径向部分为：R10(r) = 2(1/a0)3/2*e-r/a0角度部分为： Y00 = (1/4)1/27/26/202215课件对于2p轨道7/26/202216课件+30607/26/20221

8、7课件7/26/202218课件5.2.4 电子云1. 概率密度 在光的波动方程中，代表电磁波的电磁场强度。由于：光的强度光子数目/V（体积）=光子密度而光的强度又与电磁场强度（）的绝对值成正比：光的强度|2 所以，光子密度是与|2成正比的。同理，在原子核外某处空间，电子出现的概率密度（）也是和电子在该处的强度（）的绝对值平方成正比的： |27/26/202219课件2. 电子云 为了形象地表示核外电子运动的概率分布情况，化学上惯用小黑点分布的疏密表示电子出现概率密度的相对大小。小黑点较密的地方，表示概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。用这种方法来描述电子在核外出现的概率密度分布所得的空

9、间图象称为电子云。7/26/202220课件 既然概率密度可直接用|2来表示，那么以|2作图可得到电子云的近似图像。为作图方便讲|2分为角度部分|Y|2和径向部分R2。|Y|2的图像称为电子云角度分布图。7/26/202221课件 电子云角度分布图与原子轨道角度分布图相似，但有两点不同：(1)原子轨道分布图有正、负之分，而电子云角度分布图均为正值；(2)电子云角度分布图比原子轨道角度分布图瘦些，这是因为Y值小于1，所以|Y|2更小。7/26/202222课件n=3, l=2, m=07/26/202223课件n=3, l=27/26/202224课件n=3, l=27/26/202225课件n

10、=3, l=27/26/202226课件n=3, l=27/26/202227课件5.2.5 量子数1. 主量子数（n）主量子数(n) 1 2 3 4 5电子层：第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 电子层符号： K L M N On值越小，该电子层离核越近，其能级越低。n值越大，该电子层离核越远，其能级越高。主量子数(n)为正整数。7/26/202228课件2. 副量子数（l） n值确定后，副量子数(l)可为零到(n-1)的正整数。其中每一个l值代表一个电子亚层，也代表原子轨道的一种形状。副量子数（l）： 0 1 2 3 4 5电子亚层符号： s p d f g h 对于多电子来说，同一电

11、子层中的l值越小，该电子亚层的能级越低。7/26/202229课件3. 磁量子数(m) 磁量子数(m)的取值决定于l值，可取(2l+1)个从-l到+l（包括零在内）的整数。每一个m值代表一个具有某种空间取向的原子轨道。4.自旋量子数(ms) 自旋量子数(ms)只有+1/2或-1/2 这两个数值，其中每一个值表示电子的一种自旋方向（如顺时针或逆时针方向）。7/26/202230课件第三节原子中电子的分布第五章 原子结构和元素周期性 第三节 原子中电子的分布无机化学多媒体电子教案 7/26/202231课件5-1基态原子中电子分布原理5-3-1 基态原子中电子的分布原理泡利不相容原理每一个原子轨道

12、，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子.能量最低原理原子为基态时，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态.洪德规则在同一亚层的等价轨道中电子尽可能地单独分布在不同的轨道上, 且自旋方向相同.如7N 1s22s22p31s 2s 2p7/26/202232课件5-3-2多电子原子轨道的能级5-3-2 多电子原子轨道的能级6s 5s 4s 3s 2s 1s6p 5p 4p 3p 2p5d 4d 3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1. 能级KLMNOP3. 同一原子，不同电子亚层有能级交错现象 如E5s E4d E5p 2. 同一电子层

13、： Ens Enp End Enf 近似能级图7/26/202233课件它是从周期系中各元素原子轨道图中归纳出的一般规律,不能反映每种元素原子轨道能级的相对高低, 所以是近似的。对近似能级图的几点说明只能反映同一原子内各原子轨道能级的相对高低, 不能比较不同元素原子轨道。 只能反映同一原子外电子层中原子轨道 能级的相对高低，不能反映内电子层中 原子轨道能级的相对高低。电子在轨道上的能级与原子序数有关。7/26/202234课件5- 基态原子中电子的分布5-3-3 基态原子中电子的分布(2)2s(4)3s(1)1s(6)4s(9)5s(16) 7s(3)2p(12) 6s(5)3p(8)4p(1

14、1) 5p(15) 6p(19) 7p(7)3d(10) 4d(14) 5d(18) 6d(13) 4f(17) 5f应用核外电子填入轨道顺序图，根据泡利不相容原理、能量最低原理、洪德规则，可以写出元素原子的核外电子分布式. 如 19K 1s22s22p63s23p64s1 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 核外电子填入轨道的顺序7/26/202235课件19种元素原子的外层电子分布有例外 基态原子电子分布其中：29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 全充满24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 半充满同样有：46Pd、 47Ag、 79Au同

15、样有：42Mo、 64Gd、 96Cm当电子分布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、 d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时, 原子结构较稳定 例外的还有： 41Nb、 44Ru、 45Rh、 57La、 58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、 93Np7/26/202236课件基态原子的价层电子构型价层价电子所在的亚层 价层电子构型指价层的电子分布式A0一1 1s1AAAAAA2 1s2二345678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434

16、445464748495051525354六555671727374757677787980818283848586ns12 (n-1)d19ns12 ns2np16(n-1)d10ns127/26/202237课件5-3-4 简单基态阳离子的电子分布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： np ns (n-1)d (n-2)f5-3-4 简单基态阳离子的电子分布例 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 或 Ar 3d64s2 Fe2+ 1s22s22p63s23p63d6 或 Ar 3d6原子实原子中除去最高能级组以外 的原子实体

17、经验规律7/26/202238课件5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系A0一1 AAAAAA2 二345678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系与核外电子分布的关系镧系575859606162636465666768697071锕系89909192939495

18、96979899100101102103Sddspfns12 (n-1)d19ns12 (n-1)d10ns12ns2np16 (n-2)f014(n-1)d02ns2 最后一个电子一般填入次外层d亚层 区最后一个电子一般填入次外层d亚层最后一个电子填入s亚层 7/26/202239课件A0一1 AAAAAA2 二345678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848

19、586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系与核外电子分布的关系镧系575859606162636465666768697071锕系8990919293949596979899100101102103Sddspfns12 (n-1)d19ns12 (n-1)d10ns12ns2np16 (n-2)f014(n-1)d02ns2 区最后一个电子填入外层p亚层最后一个电子一般填入外数第三层 f 亚层7/26/202240课件5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系区根据最后一个电子填入的亚层确定最后一个电子填入的亚层区最外层的 s 亚层s最外层

20、的 p 亚层p一般为次外层的 d 亚层d一般为次外层的 d 亚层, 且为d10ds一般为外数第三层的 f 亚层f7/26/202241课件5-3-5元素周期系与核外电子分布的关系族根据区和最外层、次外层电子数确定区族s、p主族(A)，族数最外层电子数d副族(B) 族数(最外层次外层d)电子数ds副族(B)，族数最外层电子数f镧系、锕系 7/26/202242课件5-3-元素周期表5-3-6 元素周期表元素在周期表的位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子的分布例 20Ca写出电子排布式 1s22s22p63s23p64s2周期数电子层数 第四周期最后一个电子填入s亚层s区元素族数最外层电子

21、数2A Ca 为第四周期、A族元素7/26/202243课件元素在周期表的位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子的分布例 24Cr写出电子排布式 1s22s22p63s23p63d54s1周期数电子层数 第四周期最后一个电子填入次外层d亚层 d区元素族数(最外层+次外层d)电子数 (1+5)=6B Cr 为第四周期、 B族元素7/26/202244课件元素在周期表的位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子的分布例 47Ag写出电子排布式 Kr4d105s1周期数电子层数 第五周期最后一个电子填入次外层d亚层， 而d电子数为10 ds区元素族数最外层电子数1 IB Ag 为第五周期、

22、IB族元素7/26/202245课件元素在周期表的位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子的分布例 已知某副族元素A原子，最后一个电子 填入3d轨道，族号3电子排布式 1s22s22p63s23p63d14s2周期数电子层数=4最后一个电子填入次外层d亚层 为d区元素，最外层电子数2族数电子数(最外层+次外层d) 3 则d电子数=3-2=1 7/26/202246课件第二节原子结构的近代概念第五章 原子结构和元素周期性 第三节 结束 无机化学多媒体电子教案 7/26/202247课件第四节原子性质的周期性第五章 原子结构和元素周期性 第四节 原子性质的周期性无机化学多媒体电子教案 7/26

23、/202248课件原子的电子层结构随核电荷的递增呈周期性变化，促使原子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7/26/202249课件5-1 原子半径5-1 原子半径共价半径两个相同原子形成共价键 时，其核间距离的一半定义d = 198pm r(Cl) = 99pmd = 154pm r(C) = 77pm7/26/202250课件5-1 原子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定义d = 256pm r(Cu) = 128pm7/26/202251课件5-1 原子半径范德华半径分子晶体中，两个相邻 分子核间距离的一半定义d = 320pm

24、 r(Ne) = 160pm7/26/202252课件变化规律IA0一H 37IIAAIVAAVIAAHe 122二Li 152Be 111B 88C 77N 70O 66F 64Ne 160三Na 168Mg 160BIVBVBVIBBIBIIBAl 143Si 117P 110S 104Cl 99Ar 191四K 227Ca 197Sc 161Ti 145V 132Cr 125Mn 124Fe 124Co 125Ni 125Cu 128Zn 133Ga 122Ge 122As 121Se 117Br 114Kr 198五Rb 248Sr 215Y 181Zr 160Nb 143Mo 136

25、Tc 136Ru 133Rh 135Pa 138Ag 144Cd 149In 163Sn 141Sb 141Te 137I 133Xe 217六Cs 265Ba 217La 173Hf 159Ta 143W 137Re 137Os 134Ir 136Pt 136Au 144Hg 160Tl 170Pb 175Bi 155Po 153AtRn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7/26/202253课件260 210 160 110 60原子半径/pm族号同一周期的d区元素, 自左到右, 随核电荷的增加, 原子半径略有减小。IB族开始，反而有所增加7/26/202254课件镧系

26、元素, 自左到右, 随核电荷的增加, 原子半径总的趋势缓慢减小，即镧系收缩210 200 190 180 170原子半径/pm原子序数铕 4f76s27/26/202255课件260 210 160 110 60原子半径/pm族号由于镧系收缩，至使后面五、六周期同族元素(如Zr与Hf、Nb与Ta、 Mo与W)性质极为相似7/26/202256课件260 210 160 110 60原子半径/pm族号同一主族元素，自上往下，原子半径逐渐增大7/26/202257课件260 210 160 110 60原子半径/pm族号同一副族元素(除B外),自上往下,原子半径一般略有增大。五、六周期同族元素原子

27、半径十分相似7/26/202258课件5-2 电离能和电子亲合能5-2 电离能和电子亲合能第一电离能(I1)基态的中性气态原子失去一个电子形成气态阳离子所需的能量Mg(g) - e- Mg+(g) I1=H1=738kJmol-1 第二电离能(I2)氧化数为+1的气态阳离子失去一个电子形成氧化数为 +2的气态阳离子所需的能量Mg+(g) - e- Mg2+(g) I2= H2=1451kJmol-1 其余依次类推.基态气态原子失去电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子的引力所消耗的能量电离能(I)7/26/202259课件气态原子失去电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子的引力所消耗的能量电离能(

28、I)Mg(g) - e- Mg+(g)InIn/(kJmol-1)I1737.7I21450.7I37732.8I410540I513628I617905I721704I825856I1 I2 I3 I4 .Mg+(g) - e- Mg2+(g).电离能用来衡量气态原子失去电子的难易 电离能越小，原子越易失去电子 电离能越大，原子越难失去电子7/26/202260课件电离能(I)2160 1860 1560 1260 960 660 360I1/(kJmol-1)原子序数HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一周期主族元素，从左到右，电离能逐渐增大同一周期副族元素，从左到右，电

29、离能变化不规律7/26/202261课件电离能(I)2160 1860 1560 1260 960 660 360I1/(kJmol-1)原子序数HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一主族元素，从上往下，电离能逐渐减小同一副族元素，从上往下，电离能略有增大7/26/202262课件第一电子亲合能(EA1)基态气态原子得到一个电子形成气态阴离子所放出的能量 O(g) + e- O-(g) EA1=-141 kJmol-1 第二电子亲合能(EA2)氧化数为-1的气态阴离子得到一个电子形成氧化数为-2的气态阴离子所放出的能量O-(g) + e- O2-(g) EA2=+780 kJ

30、mol-1其余依次类推.基态气态原子得到电子变为气态阴离子，所放出的能量。电子亲合能(EA)电子亲合能用来衡量气态原子得电子的难易 电子亲合能代数值越小, 原子越易得到电子7/26/202263课件5-4-3 电负性5-3 电负性(p) 分子中元素原子吸引电子的能力以最活泼非金属元素原子p(F)=4.0为基础，计算其它元素原子的电负性值。电负性越大, 元素原子吸引电子能力越强, 即元素原子越易得到电子,越难失去电子；电负性越小, 元素原子吸引电子能力越弱, 即元素原子越难得到电子,越易失去电子。 7/26/202264课件电负性A一H 2.1AAAAAA二Li 1.0Be 1.5B 2.0C

31、2.5N 3.0O 3.5F 4.0三Na 0.9Mg 1.2BBBBBBBAl 1.5Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.0四K 0.8Ca 1.0Sc 1.3Ti 1.5V 1.6Cr 1.6Mn 1.5Fe 1.8Co 1.9Ni 1.9Cu 1.9Zn 1.6Ga 1.6Ge 1.8As 2.0Se 2.4Br 2.8五Rb 0.8Sr 1.0Y 1.2Zr 1.4Nb 1.6Mo 1.8Tc 1.9Ru 2.2Rh 2.2Pa 2.2Ag 1.9Cd 1.7In 1.7Sn 1.8Sb 1.9Te 2.1I 2.5六Cs 0.7Ba 0.9Lu 1.2Hf 1.3Ta 1.5W 1.7Re 1.9Os 2.2Ir 2.2Pt 2.2Au 2.4Hg 1.9Tl 1.8Pb 1.9Bi 1.9Po 2.0At 2.2说明：1. 鲍林电负性是一个相对值, 无单位 2. 现已有多套电负性数据, 应尽可能采用 同一套数据7/26/202265课件4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5p原子序数HLiFNaBrClKIRbAtCs 同一周期，从左到右, 电负性逐渐增大 同一主族，从上到下, 电负性逐渐减小 同一副族，从上到下, BB电负性逐渐减小，BB电负性逐渐增大7