原子结构与周期系课件

第四章物质结构基础

（BasicStructuresofMatter）原子结构与周期系化学键分子间力和氢键晶体结构1第四章物质结构基础

（BasicStructures原子结构物质结构晶体结构化学键核外电子的运动状态原子间作用力粒子间力2原子结构物质晶体结构化学键核外电子的运动状态原子间作用力粒子第一节原子结构与周期系1803年，J.Dalton原子学说－近代化学的建立1897年，J.J.Thomson发现电子（测得了电子的电荷；1909年，R.A.Millikan测定了电子的质量）－原子不再不可分割；1911年，E.Rutherford运用α粒子（He核）散射实验确认原子核存在，建立了原子结构的行星模型。1、原子是一个电中性微粒，由z个正电荷的原子核和z个负电的核外电子构成；原子核由z个正电荷的质子（p）和若干中子（n）组成的紧密体，直径不及原子直径万分之一，电子直径更小（10-15m）。2、质子数相同中子数不同的原子互为同位数，质子数不同的原子为不同元素，不同元素按质子数（核电荷数）从小到大在周期表中排列，排列的序数叫“原子序数”，原子序数＝核内质子数＝核电荷数＝核外电子数。原子的认识－背景知识3第一节原子结构与周期系1803年，J.Dalton原子学量子化特征波粒二象性

统计性第一节原子结构与周期系一、原子结构的近代概念

核外电子运动的特殊性运动的粒子性－Newton经典力学(v＜＜c);波动性－Maxwell波动方程热现象－热力学和古典统计物理学黑体辐射（曲线方程），光电效应（光电子初动能与频率相关，与光强无关；光电效应存在红限；光电效应与时间），原子光谱（非连续）;1900,Plank;1903,Eistein;1913,Bohr;1924,L.deBroglie;1926,S.Schrödinger－近代量子物理和化学－原子（核外电子）的近代认识：4量子化特征波粒二象性统计性第一节原子结构与周期系一、原1、量子化特征量子化:质点的运动和运动中能量状态的变化不连续,呈跳跃式变化。

能量最低的定态叫基态，能量较高的定态叫激发态,这些不连续能量的定态叫能级。能量的传播以某一最小能量ε的整数倍

ε=h基态激发态Plank,e0(,T)=2phc2

-5/(ehc/kT-1);Einstan,1/2mv2=h-AeT=dE/d黑体e0(,T);

Stefen-BoltzmannEo(T)=sT4;WienTm=b基态到激发态之间不连续51、量子化特征量子化:质点的运动和运动中能量状态的变化不基Bohr氢原子模型与氢原子光谱Bohr原子模型(H)－承上启下，开拓性工作具有里程碑的意义1定态轨道的概念:核外电子的运动不是任意的，只能在有确定半径和能量的轨道上运动，称为定态轨道，定态轨道上运动的电子不辐射能量2轨道能级的概念:不同的定态轨道能量不同，称为能级。电子尽可能处于离核较近、能量较低的能级，称为基态，其余为激发态。激发态电子不稳定，跃迁到较低能级，释放光能，光的频率决定于能级差，h=E2-E1。根据Ruthford原子模型，运用库仑定律和牛顿定律rn=n2e0h2/pme2En=-me4/8e02n2h2=-2.18×10-18/n2(J)1885年，J.J.Balmer=Bn2/(n2-4),B=3645.7Å;(=c=2.998×108m/s)1890年,J.R.Rydberg,=4c/B(1/n12-1/n22)=3.29×1015(1/n12-1/n22)模型仍然以古典理论为基础，定态时不发生辐射与该理论抵触，量子化条件的引入缺乏理论基础，对原子光谱的强度、宽度、偏振等无法解释。动量矩Pn=nh/2p=mvnrn,mvn2/rn=e2/4pe0rn2;En=mvn2/2-e2/4peorn(eo-真空电容率）6Bohr氢原子模型与氢原子光谱Bohr原子模型(H)－承上启电子具有确定体积（d=10-15m）、质量（9.1×10-31kg），（J.J.Thomson和R.A.Milikan分别于1897、1909年实验测得）因此其粒子性勿庸置疑；1927年，C.J.Davisson,L.H.Germer电子衍射现象证明电子运动时具有光的波动性。

Einstan光电效应证明光的粒子性，光是波动的粒子流，每个粒子为一个光子，能量为h。电子运动与所有光运动形式类似，具有显著的波粒两象。这就是电子的波粒二象性。2、波粒二象性7电子具有确定体积（d=10-15m）、质量（9.1×10-3例如：一个电子m

=9.11×10-31kgυ=106m.s-1按德布洛依关系,此电子

λ=727pm1924年德布罗依设想具有静止质量的微观粒子与光一样也具有波粒二象性的特征。为此他给出了一个关于粒子的波长、质量和运动速率的关系式：微观粒子波动性和粒子性通过普朗克常数h(6.625×10-34

J·S)联系起来。λ=h/p=h/mv81×10-2kg;1×103m/sl=6.6×10-35m(子弹)8例如：一个电子m=9.11×10-31kgυ=13、统计性-概率电子的波动性是电子无数次行为的统计结果。所以，电子波是一种统计波。测不准关系式，⊿x⊿p=nh；微观粒子的古典理论的应用范围93、统计性-概率电子的波动性是电子无数次行为的统计结果。测不电子云：电子的概率密度随电子离核的距离而变化，离核越近，电子出现的几率越大。以黑点的疏密表示电子几率密度分布的图形叫做电子云。二、原子轨道和电子云波函数：描述原子核外电子运动状态的数(原子轨道)学函数式，是电子的一种运动状态。原子核外某空间单位体积内电子出现的几率。波函数为描述电子的数学表示式，又是空间坐标的函数，其空间图像可以形象地理解为电子运动的空间范围，俗称原子轨道。10电子云：电子的概率密度随电子离核的距离二、原子轨道和电子云波氢原子的1S电子云以黑点的疏密表示电子几率密度分布的图形叫做电子云。氢原子基态电子云呈球形。对于氢原子来说，只有1个电子，图中黑点的数目并不代表电子的数目，而只代表1个电子在瞬间出现的那些可能的位置。电子云示意图11氢原子的1S电子云以黑点的疏密表示电子几电子云示意图11原子轨道的图象(角向)电子云的图象(角向)12原子轨道的图象(角向)电子云的图象(角向)12(1)从外形上观看到s、p、d电子云角度分布图的形状与原子轨道相似，但p、d电子云角度分布图稍“瘦”些。(2)原子轨道角度分布图中有正、负之分，而电子云角度分布图则无正、负号。电子云角度分布图和原子轨道角度分布图都只与l、m两个量子数有关，而与主量子数n无关。13(1)从外形上观看到s、p、d电子云角度分布图的形状与原子轨角量子数l01234电子亚层符号spdfg主量子数n1234567…电子层符号KLMNOP…四个量子数自旋量子数ms能取±1/2两个数值确定能级En=-2.18×10-18/n2电子层数rn=n2e0h2/pme2轨道形状(球、纺锤、花瓣形)确定电子亚层、能量磁量子数m2l

+1取值范围-l、-(l-1)…0、…+(l-1)、+l确定原子轨道的空间取向表示电子自旋状态14角量子数l0123表4.1氢原子轨道与三个量子数的关系

电数2818322n215表4.1氢原子轨道与三个量子数的关系电数15全满(s2,p6,d10,f14)

半满(s1,p3,d5,f7)

全空(s0,p0,d0,f0)三、核外电子分布与周期系1、核外电子分布的原则

能量最低原理泡利不相容原理洪特规则特例同一个原子中没有四个量子数一样的电子每个轨道内最多容纳两个自旋相反的电子电子的三个量子数相同则第四个必不同每个电子都具有以量子数描述的不同运动状态Pauliexclusionprinciple16全满(s2,p6,d10,f14)三、核外电子分布与周期系近似能级图－Pauling近似能级图根据光谱实验数据结合理论推算，用图示近似表示能级相对高低H原子轨道能级仅与n值有关多电子原子轨道的能级由n、l共同决定2、原子轨道的能级与核外电子分布多电子原子中发生：能级分裂：同层电子能级不同能级交错：E4s〈E3d

(能级低于次层）17近似能级图－Pauling近似能级图H原子轨道能级仅与n值有3s○4f○○○○○○○4d○○○○○2p○○○能量Pauling近似能级图能级组187s5f6d7p1s○2s○4s○5s○6s○3p○○○4p○○○5p○○○6p○○○3d○○○○○5d○○○○○○表示一个原子轨道○位置表示能级高低能级接近归为能级组n相同能级随l增大l相同能级随n增大n、l不同能级有交错183s○4f○○○○○○○4d○○○○○2p○○○sequence19sequence1926262262s1s2p3s3p4s3d2写出所给元素的电子填充顺序：26Fe1s22s22p63s23p64s250Sn1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p23d课堂练习：22Ti2026262262s1s2p3s3p4s3d2写出所给元素的电遵守三原则，按能级高低顺序，再按电子层(n)归并。如：22Ti1s22s22p63s23p63d2

4s2⑵原子的“外层电子构型”如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s2电子分布式可写为：[Ar]3d24s2⑴原子的电子分布式原子实[Ar]＋剩余电子21遵守三原则，按能级高低顺序，再按电子层(n)归并。如：22T钛(Ti)22锰(Mn)25铬(Cr)241s22s22p63s23p63d5

4s21s22s22p63s23p63d5

4s11s22s22p63s23p63d24s21s22s22p63s23p64s23d2原子的电子分布式和外层电子构型“外层电子”即价层电子，价电子层未必是最外电子层（包括次层和再次层），价电子层电子未必都是价电子22钛(Ti)22锰(Mn)25铬(Cr)241s22s22p17Cl3s23p526Fe3d64s229Cu3d104s1主族：nsor

nsnp过渡元素：(n-1)dns镧系、锕系：(n-2)fns外层电子构型：2317Cl3s23p5主族：nsorns大量事实表明：元素以及由其形成的单质和化合物的性质随元素原子序数（核电荷数）的递增呈现周期性变化，这一规律称为元素周期律。3、核外电子分布与周期系元素性质的周期性－元素原子核外电子排布的周期性24大量事实表明：元素以及由其形成的单质和化合物的性质随元素原子元素的周期数与原子轨道能级组对应每周期的元素数目:

每周期元素的数目等于相应能级组内各轨道所容纳的最多电子数。元素在周期表中的位置:

元素在周期表中所处周期的号数等于该原子的电子层数。元素在周期表中的分区:

根据各族元素的外层电子构型，可把周期表分成五个区域：3、核外电子分布与周期系25元素的周期数与原子轨道能级组对应3、核外电子分布与周期系2526

周期系中各元素原子核外电子的分布1s1——————————————

1s22s1——————————————

2p63s1——————————————

3p64s1—3d1-10———————————4p65s1—4d1-10———————————5p66s1—5d1——4f1-14——5d10————

6p67s1—6d1——5f1-14——6d10

（未完）超短能级组:1s短能级组:2s2p短能级组:3s3p长能级组:4s3d4p长能级组:5s4d5p超长:6s4f5d6p7s5f6d7p2626周期系中各元素原子核外电子的分布1s1——————

元素在周期表中的位置

周期数=n族号数:主族(A)—ns、np电子数之和;ns1-2:s区,ns2np1-6p区副族(B)—(n-1)d、ns电子数之和,1-7d区；d10s1-2ds区ⅧB族—(n-1)d、ns电子数之和(8-10)零族(ⅧA)—ns2或ns2np6。27主族元素－最后一个电子填入ns或np副族元素－最后一个电子填入(n-1)d或(n-2)f又称过渡元素，f区为内过渡区27元素在周期表中的位置27主族元素－最后一个电子填入n元素在周期表中的分区2828元素在周期表中的分区2828四、元素性质的周期性

1、原子半径共价半径：同种元素原子形成共价单键时相邻两原子核间距离的一半；金属半径：金属晶体中相邻两原子核间距离的一半。主族元素在同一短周期中，从左至右随原子序数的递增，原子半径逐渐减小；同一主族，自上而下各元素的原子半径逐渐增大。29四、元素性质的周期性

1、原子半径共价半径：292、元素的金属性和非金属性短周期元素从左至右，元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。长周期过渡元素金属性从左到右减小缓慢。镧系、锇系元素都是金属原子半径减小得更缓，金属性更接近。302、元素的金属性和非金属性短周期元素从左至右，元素的金属使基态的气态原子或离子失去电子所需要的最低能量规律：主族：左→右，增大；上→下，减小。副族：规律不明显。3、电离能3131使基态的气态原子或离子失去电子所需要的最低能量规律：主族：左4、电子亲合能和电负性使基态的气态原子获得一个电子形成-1价气态离子时所放出的能量叫第一电子亲合能，用来衡量原子获得电子的难易。左－右，低－高，金属－非金属在一般情况下金属元素的电负性小于2.0（除铂系元素和金），而非金属元素（除硅）的电负性大于2.0。324、电子亲合能和电负性使基态的气态原子获得一个电子形成-1价*电负性χ：分子中原子吸引电子的能力。以χ(F)=4.0为基准计算其它元素的电负性。规律：左→右，由小→大；上→下，由大→小。一般以2.0作为金属性的分界。3333*电负性χ：分子中原子吸引电子的能力。规律：左→右，由小→大第四章物质结构基础

（BasicStructuresofMatter）原子结构与周期系化学键分子间力和氢键晶体结构34第四章物质结构基础

（BasicStructures原子结构物质结构晶体结构化学键核外电子的运动状态原子间作用力粒子间力35原子结构物质晶体结构化学键核外电子的运动状态原子间作用力粒子第一节原子结构与周期系1803年，J.Dalton原子学说－近代化学的建立1897年，J.J.Thomson发现电子（测得了电子的电荷；1909年，R.A.Millikan测定了电子的质量）－原子不再不可分割；1911年，E.Rutherford运用α粒子（He核）散射实验确认原子核存在，建立了原子结构的行星模型。1、原子是一个电中性微粒，由z个正电荷的原子核和z个负电的核外电子构成；原子核由z个正电荷的质子（p）和若干中子（n）组成的紧密体，直径不及原子直径万分之一，电子直径更小（10-15m）。2、质子数相同中子数不同的原子互为同位数，质子数不同的原子为不同元素，不同元素按质子数（核电荷数）从小到大在周期表中排列，排列的序数叫“原子序数”，原子序数＝核内质子数＝核电荷数＝核外电子数。原子的认识－背景知识36第一节原子结构与周期系1803年，J.Dalton原子学量子化特征波粒二象性

统计性第一节原子结构与周期系一、原子结构的近代概念

核外电子运动的特殊性运动的粒子性－Newton经典力学(v＜＜c);波动性－Maxwell波动方程热现象－热力学和古典统计物理学黑体辐射（曲线方程），光电效应（光电子初动能与频率相关，与光强无关；光电效应存在红限；光电效应与时间），原子光谱（非连续）;1900,Plank;1903,Eistein;1913,Bohr;1924,L.deBroglie;1926,S.Schrödinger－近代量子物理和化学－原子（核外电子）的近代认识：37量子化特征波粒二象性统计性第一节原子结构与周期系一、原1、量子化特征量子化:质点的运动和运动中能量状态的变化不连续,呈跳跃式变化。

能量最低的定态叫基态，能量较高的定态叫激发态,这些不连续能量的定态叫能级。能量的传播以某一最小能量ε的整数倍

ε=h基态激发态Plank,e0(,T)=2phc2

-5/(ehc/kT-1);Einstan,1/2mv2=h-AeT=dE/d黑体e0(,T);

Stefen-BoltzmannEo(T)=sT4;WienTm=b基态到激发态之间不连续381、量子化特征量子化:质点的运动和运动中能量状态的变化不基Bohr氢原子模型与氢原子光谱Bohr原子模型(H)－承上启下，开拓性工作具有里程碑的意义1定态轨道的概念:核外电子的运动不是任意的，只能在有确定半径和能量的轨道上运动，称为定态轨道，定态轨道上运动的电子不辐射能量2轨道能级的概念:不同的定态轨道能量不同，称为能级。电子尽可能处于离核较近、能量较低的能级，称为基态，其余为激发态。激发态电子不稳定，跃迁到较低能级，释放光能，光的频率决定于能级差，h=E2-E1。根据Ruthford原子模型，运用库仑定律和牛顿定律rn=n2e0h2/pme2En=-me4/8e02n2h2=-2.18×10-18/n2(J)1885年，J.J.Balmer=Bn2/(n2-4),B=3645.7Å;(=c=2.998×108m/s)1890年,J.R.Rydberg,=4c/B(1/n12-1/n22)=3.29×1015(1/n12-1/n22)模型仍然以古典理论为基础，定态时不发生辐射与该理论抵触，量子化条件的引入缺乏理论基础，对原子光谱的强度、宽度、偏振等无法解释。动量矩Pn=nh/2p=mvnrn,mvn2/rn=e2/4pe0rn2;En=mvn2/2-e2/4peorn(eo-真空电容率）39Bohr氢原子模型与氢原子光谱Bohr原子模型(H)－承上启电子具有确定体积（d=10-15m）、质量（9.1×10-31kg），（J.J.Thomson和R.A.Milikan分别于1897、1909年实验测得）因此其粒子性勿庸置疑；1927年，C.J.Davisson,L.H.Germer电子衍射现象证明电子运动时具有光的波动性。

Einstan光电效应证明光的粒子性，光是波动的粒子流，每个粒子为一个光子，能量为h。电子运动与所有光运动形式类似，具有显著的波粒两象。这就是电子的波粒二象性。2、波粒二象性40电子具有确定体积（d=10-15m）、质量（9.1×10-3例如：一个电子m

=9.11×10-31kgυ=106m.s-1按德布洛依关系,此电子

λ=727pm1924年德布罗依设想具有静止质量的微观粒子与光一样也具有波粒二象性的特征。为此他给出了一个关于粒子的波长、质量和运动速率的关系式：微观粒子波动性和粒子性通过普朗克常数h(6.625×10-34

J·S)联系起来。λ=h/p=h/mv81×10-2kg;1×103m/sl=6.6×10-35m(子弹)41例如：一个电子m=9.11×10-31kgυ=13、统计性-概率电子的波动性是电子无数次行为的统计结果。所以，电子波是一种统计波。测不准关系式，⊿x⊿p=nh；微观粒子的古典理论的应用范围423、统计性-概率电子的波动性是电子无数次行为的统计结果。测不电子云：电子的概率密度随电子离核的距离而变化，离核越近，电子出现的几率越大。以黑点的疏密表示电子几率密度分布的图形叫做电子云。二、原子轨道和电子云波函数：描述原子核外电子运动状态的数(原子轨道)学函数式，是电子的一种运动状态。原子核外某空间单位体积内电子出现的几率。波函数为描述电子的数学表示式，又是空间坐标的函数，其空间图像可以形象地理解为电子运动的空间范围，俗称原子轨道。43电子云：电子的概率密度随电子离核的距离二、原子轨道和电子云波氢原子的1S电子云以黑点的疏密表示电子几率密度分布的图形叫做电子云。氢原子基态电子云呈球形。对于氢原子来说，只有1个电子，图中黑点的数目并不代表电子的数目，而只代表1个电子在瞬间出现的那些可能的位置。电子云示意图44氢原子的1S电子云以黑点的疏密表示电子几电子云示意图11原子轨道的图象(角向)电子云的图象(角向)45原子轨道的图象(角向)电子云的图象(角向)12(1)从外形上观看到s、p、d电子云角度分布图的形状与原子轨道相似，但p、d电子云角度分布图稍“瘦”些。(2)原子轨道角度分布图中有正、负之分，而电子云角度分布图则无正、负号。电子云角度分布图和原子轨道角度分布图都只与l、m两个量子数有关，而与主量子数n无关。46(1)从外形上观看到s、p、d电子云角度分布图的形状与原子轨角量子数l01234电子亚层符号spdfg主量子数n1234567…电子层符号KLMNOP…四个量子数自旋量子数ms能取±1/2两个数值确定能级En=-2.18×10-18/n2电子层数rn=n2e0h2/pme2轨道形状(球、纺锤、花瓣形)确定电子亚层、能量磁量子数m2l

+1取值范围-l、-(l-1)…0、…+(l-1)、+l确定原子轨道的空间取向表示电子自旋状态47角量子数l0123表4.1氢原子轨道与三个量子数的关系

电数2818322n248表4.1氢原子轨道与三个量子数的关系电数15全满(s2,p6,d10,f14)

半满(s1,p3,d5,f7)

全空(s0,p0,d0,f0)三、核外电子分布与周期系1、核外电子分布的原则

能量最低原理泡利不相容原理洪特规则特例同一个原子中没有四个量子数一样的电子每个轨道内最多容纳两个自旋相反的电子电子的三个量子数相同则第四个必不同每个电子都具有以量子数描述的不同运动状态Pauliexclusionprinciple49全满(s2,p6,d10,f14)三、核外电子分布与周期系近似能级图－Pauling近似能级图根据光谱实验数据结合理论推算，用图示近似表示能级相对高低H原子轨道能级仅与n值有关多电子原子轨道的能级由n、l共同决定2、原子轨道的能级与核外电子分布多电子原子中发生：能级分裂：同层电子能级不同能级交错：E4s〈E3d

(能级低于次层）50近似能级图－Pauling近似能级图H原子轨道能级仅与n值有3s○4f○○○○○○○4d○○○○○2p○○○能量Pauling近似能级图能级组187s5f6d7p1s○2s○4s○5s○6s○3p○○○4p○○○5p○○○6p○○○3d○○○○○5d○○○○○○表示一个原子轨道○位置表示能级高低能级接近归为能级组n相同能级随l增大l相同能级随n增大n、l不同能级有交错513s○4f○○○○○○○4d○○○○○2p○○○sequence52sequence1926262262s1s2p3s3p4s3d2写出所给元素的电子填充顺序：26Fe1s22s22p63s23p64s250Sn1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p23d课堂练习：22Ti5326262262s1s2p3s3p4s3d2写出所给元素的电遵守三原则，按能级高低顺序，再按电子层(n)归并。如：22Ti1s22s22p63s23p63d2

4s2⑵原子的“外层电子构型”如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s2电子分布式可写为：[Ar]3d24s2⑴原子的电子分布式原子实[Ar]＋剩余电子54遵守三原则，按能级高低顺序，再按电子层(n)归并。如：22T钛(Ti)22锰(Mn)25铬(Cr)241s22s22p63s23p63d5

4s21s22s22p63s23p63d5

4s11s22s22p63s23p63d24s21s22s22p63s23p64s23d2原子的电子分布式和外层电子构型“外层电子”即价层电子，价电子层未必是最外电子层（包括次层和再次层），价电子层电子未必都是价电子55钛(Ti)22锰(Mn)25铬(Cr)241s22s22p17Cl3s23p526Fe3d64s229Cu3d104s1主族：nsor

nsnp过渡元素：(n-1)dns镧系、锕系：(n-2)fns外层电子构型：5617Cl3s23p5主族：nsorns大量事实表明：元素以及由其形成的单质和化合物的性质随元素原子序数（核电荷数）的递增呈现周期性变化，这一规律称为元素周期律。3、核外电子分布与周期系元素性质的周期性－元素原子核外电子排布的周期性57大量事实表明：元素以及由其形成的单质和化合物的性质随元素原子元素的周期数与原子轨道能级组对应每周期的元素数目:

每周期元素的数目等于相应能级组内各轨道所容纳的最多电子数。元素在周期表中的位置:

元素在周期表中所处周期的号数等于该原子的电子层数。元素在周期表中的分区:

根据各族元素的外层电子构型，可把周期表分成五个区域：3、核外电子分布与周期系58元素的周期数与原子轨道能级组对应3、核外电子分布与周期系