原子结构与元素周期性

原子结构与元素周期性第1页，课件共41页，创作于2023年2月一、原子与元素（自学）原子序数Z=核内质子数=核电荷数=核外电子数二、原子轨道能级1定态轨道2轨道能级:不同的能力状态离核越近,能量越低正常状态---基态激发态第2页，课件共41页，创作于2023年2月三原子结构的近代概念运用1926年薛定谔建立起量子力学讨论研究原子结构，形成了近代概念。（一）电子的波粒二象性。20世纪初，发现光具有波粒二象性

(1)电子具有微粒性。确定体积（直径d=10-15m）和质量（9.1×10-31kg）(2)电子具有波动性。1927年科学家们用电子衍射实验。p131图示电子衍射环纹。与光的衍射图相似。质子、中子等微观粒子也具有波粒二象性。经典力学（宏观物质）在证明微观粒子物质上出现问题。第3页，课件共41页，创作于2023年2月（二）原子轨道1、波函数1926年薜定谔根据波粒二象性的概念提出了一个描述微观离子运动的基本方程——薜定谔波动方程。第4页，课件共41页，创作于2023年2月1.它体现了波粒二象性。2.它体现出了轨道和能量的量子化：欲使此方程有合理的解，有三个初始化条件：nlm，都为整数。

nlm为三个量子数，当这三个量一定时，电子运动的能量就确定了，即波函数有确定的解。第5页，课件共41页，创作于2023年2月3.体现出了电子运动的统计性波函数ψ是表示电子运动状态的函数，给定空间坐标后，就可求出波函数。ψ2表示该轨道电子在这点上出现的几率密度。这样就体现了电子运动的统计性。概率密度ρ

：电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概率

薛定锷方程体现了微观粒子运动的三大特征。第6页，课件共41页，创作于2023年2月原子轨道:就指电子运动的波函数，它不是说电子运动有特定的轨道，我们只能说它在某一区域出现的概率大小和该电子的能量。第7页，课件共41页，创作于2023年2月比较原子轨道的角度分布图Y和电子云2的角度分布图Y2可得：相似点：图形基本相似。不同点：（1）原子轨道角度分布图有“+”、“-”之分，而电子云图的角度分布图均为“+”；（2）电子云图要“瘦”些，因Y值一般是小于1的。第8页，课件共41页，创作于2023年2月（四）量子数1、主量子数（n）它表示原子轨道的层数,n=1,2,…n.决定电子能量的主要因素。n越小，能量越低。电子层符号：KLMN……（1）描述电子层离核的远近；(2）描述电子层能量的高低。第9页，课件共41页，创作于2023年2月2、副（角）量子数（l）表示在同一层原子轨道中的不同亚层,每个亚层有不同的形状。数值可取0,1,…n-1，n与l共同决定轨道的能量。副量子数(l):0123(n-1)电子亚层符号:spdf…原子轨道(亚层)球形哑铃形花瓣形（1）在多电子原子中与n一起决定电子亚层的能量，l值越小，亚层能量越低（2）每一个l值决定电子层中的一个亚层（3）每一个l值代表一种电子云或原子轨道的形状第10页，课件共41页，创作于2023年2月3、磁量子数(m)取值：受l限制，取-l,…-2,-1,0,1,2,……+l(即0,±1±2…±l)原子轨道符号：sPz,Px,Pydz2,dx2,dy2,dx2-y2,

dxy第11页，课件共41页，创作于2023年2月4、自旋量子数（ms）含义：描述核外电子的自旋状态(绕电子自身的轴旋转运动）取值：±描述一个电子:4个量子数描述一个轨道:3个量子数电子所在的电子层，原子轨道能级，形状，方向及电子自旋的方向与何种量子数相关?第12页，课件共41页，创作于2023年2月n=1l=0s轨道m=0无伸展方向l=1，p轨道，是哑铃型，m=-1,0,+1,有三个方向

第13页，课件共41页，创作于2023年2月l=2，花瓣型，m=-2,-1,0,+1,+2,五个方向第14页，课件共41页，创作于2023年2月例：下列各组量子数中，哪组正确1.n=3,L=2,m=-2;2.n=4,L=-1,m=03.n=4,L=1,m=-24.n=3,L=3,m=-3第15页，课件共41页，创作于2023年2月研究表明：在同一原子中，不可能有运动状态完全相同的电子存在。同一原子中每个电子中的四个量子数不可能完全相同每一个轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子第16页，课件共41页，创作于2023年2月原子结构的近代概念（原子力学的原子模型）归纳，重点有：（1）电子具有波粒二象性，核外电子运动没有固定的轨道，但具有按照几率分布的统计规律性（2）波函数是描述核外电子运动的数学表达式（3）原子轨道为的空间图象，以角度分布的空间图象，作为原子轨道角度分布的近似描述（4）以||2的空间图象——电子云来表示核外空间电子出现的概率密度（5）以四个量子数来确定核外每一个电子的运动状态第17页，课件共41页，创作于2023年2月三、核外电子的分布：（一）基态原子中电子分布原理：

根据原子光谱实验的结果和对元素周期系的分析、归纳，总结出核外电子分布的基本原理（两个原理一个规则）1、泡利（Pauli）不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。即每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。第18页，课件共41页，创作于2023年2月2、能量最低原理多电子原子处于基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低状态。3、洪特(Hund)规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同（或称自旋平行）。这种分布时，原子的能量较低，体系稳定。N1s22s22p3的轨道表示式第19页，课件共41页，创作于2023年2月（二）多电子原子轨道的能级

鲍林（Pauling）近似能级图。1939年,表示各原子轨道之间能量的相对高低顺序。（1）各电子层能级相对高低为K<L<M<N<O……（2）同一原子同一电子层内，对多电子原子来说，电子间的相互作用造成同层能级的分裂成若干亚层，各亚层能级的相对高低为：Ens<Enp<End<Enf第20页，课件共41页，创作于2023年2月（3）同一电子亚层内，各原子轨道能级相同，如Enpx=Enpy=Enpz（4）同一原子内，不同类型的亚层间，有能级交错现象。如E4s<E3d<E4p等（5）若把能级相近的电子亚层组合，可得到若干能级组，它与元素所在周期有关第21页，课件共41页，创作于2023年2月对鲍林能级图，需明确几点：（1）近似能级图是一归纳结果，不能完全反映情况，所以只有近似含义。（2）它原意是反映同一原子内各原子轨道间的相对高低，所以不能用它来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。[原子序数（核电荷）不同]（3）经进一步研究发现，近似能级图实际上只反映同一原子外电子层中原子轨道能级的相对高低，而不一定能完全反映内电子层原子轨道能级的高低。第22页，课件共41页，创作于2023年2月（三）基态原子中电子的分布1、核外电子填入轨道的顺序p138特殊规律——全充满，半充满规则：对同一电子亚层，当电子分布为全充满（P6、d10、f14）、半充满（P3、d5、f7）或全空（P0、d0、f0)时，电子云分布呈球状，原子结构较稳定第23页，课件共41页，创作于2023年2月例：已知元素序号为25，48，求其电子排布情况。解：25号元素：1s22s22p63s23p63d54s2

48号元素：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2第24页，课件共41页，创作于2023年2月2、基态原子的价层电子构型

价电子所在亚层，称价层。原子的价层电子构型指价层的电子分布式，它能反映该元素原子电子层结构的特征。常用原子实＋价层电子来表示[Ar]3d54s2,[Kr]4d105s2价层电子不一定全部都是价电子，如Ag价层电子构型为4d105s1，但氧化数只有+1、+2、+3第25页，课件共41页，创作于2023年2月（四）简单基态阳离子的电子分布

通过对基态原子和基态阳离子内轨道能级的研究，从大量光谱数据归纳出如下经验规律：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－l)d→(n－2)f第26页，课件共41页，创作于2023年2月例：写出27Co2+、29Cu、35Br-、47Ag+、16S2-电子排布情况。第27页，课件共41页，创作于2023年2月（五）元素周期系与核外电子分布的关系

1、周期按填充顺序，最后一个电子填入的原子能级组序号，为该元素的周期数。35Br[Ar]3d104s24p5

47Ag

[Kr]4d105ds1各周期内所含的元素种数与相应能级组内轨道所能容纳的电子数相等。第28页，课件共41页，创作于2023年2月2、元素周期系中元素的分区：s、p、d、ds、f五个区3、族（主族、副族）：7个主族（A），7个副族（B）、第Ⅷ族，零族。按电子填充顺序，最后一个电子进入的轨道第29页，课件共41页，创作于2023年2月第30页，课件共41页，创作于2023年2月四、原子性质的周期性

原子的电子层结构、原子半径、电离能、电子亲合能和电负性等随核电荷的递增呈现周期性变化（一）原子半径（1）共价半径：两相同原子形成共价键时，其核间距的一半，称原子的共价半径，如Cl—Cl核间距198pm，rCl=99pm。有共价单键、双键、叁键（共价单键半径）第31页，课件共41页，创作于2023年2月（2）金属半径：金属单质的晶体中，两相邻金属原子核间距离的一半，称金属原子的金属半径，如dCu-Cu=256pm，rCu=128pm。（3）范德华半径：在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半，称该原子的范德华半径。如dNe-Ne=320pm,rNe=160pm。第32页，课件共41页，创作于2023年2月原子半径变化规律（1）周期主族：由左向右，随核电荷的增加，原子共价半径的变化趋势总的是减少的d区：由左向右，随核电荷的增加，原子半径会略有减少，从IB起略有增大原因：(n－1)d轨道充满，较为显著地抵消核电荷对外层ns电子的引力。f区：内过渡元素，由于电子增加在(n－2)f轨道，半径减小的幅度比d区更小，从La到Lu共经过15种元素，原子半径仅收缩了12pm左右，La系收缩影响很大，使La后第六周期元素与上周期同族元素半径接近第33页，课件共41页，创作于2023年2月（2）族主族：从上到下，r显著增大副族（d区、f区）：除Sc副族外从上到下一般略增大，第五、六周期元素半径接近r对性质的影响：r越大，越易失电子；r越小，越易吸电子。（难失电子不一定易得电子，如稀有气体）第34页，课件共41页，创作于2023年2月

(二）电离能（I）和电子亲合能（EA）I—衡量失电子难易；EA—得电子难易1、电离能（I）气态原子失电子变成气态阳离子(电离)克服核电荷的引力所需要的能量(kJ·mol-1)I1:从基态(能量最低状态)中性气态原子失去1个电子形成气态“+1”氧化值阳离子所须能量。称依次类似有I2……等。Mg(g)-e→Mg+(g)I1=△H1=783kJ·mol-1Mg+(g)-e→Mg2+(g)I2=△H2=1451kJ·mol-1I值越大，失电子越难：衡量失电子难易第35页，课件共41页，创作于2023年2月变化规律：（1）周期：主族，从左到右，I1渐增大；过渡元素族，不十分规律（2）族：主族，从上到下，I1渐减少（原子半径增大）；过渡元素略增大（核电荷起较显著作用，r增加不多）注意：I：气态原子失电子变为气态离子的难易电极电势：金属在溶液中发生化学反应形成阳离子的影响第36页，课件共41页，创作于2023年2月

2、电子亲合能（EA）基态的中性气态原子得到一个电子形成气态-1氧化值阴离子所放出的能量，称原子的EA1。

如O(g)+e-→O-(g)=-141kJ·mol-1一般为负值，因电子落入中性原子的核场里，势能降低，体系能量减小，唯稀有气体（ns2np6）和IIA原子（ns2）最外电子亚层已全充满，需加合一个电子，环境必须对外做功，即体系吸收能量，此时，为正值，因环境要对体系做功。所有EA2都均为正值。

显然，代数值越小，原子越易得电子。变化规律：无论是周期或族中，主族元素的的代数值一般都是随着原子半径减小而减小的。∴同周期从左到右总的是（代数值）减小的（因r减小）。主族从上到下，总的趋势是增大的（用r增大）。注意：I和仅表示孤立气态原子或离子得失电子的能力。第37页，课件共41页，创作于2023年2月（三）电负性（χ）某原子难失电子，不一定易得电子，为了能比较全面地描述不同元素原子在分子中对成键电子吸引的能力，鲍林提出了电负性的概念。电负性——分子中元素原子吸引电子的能力，他指定χ(F)=4.0，然后通过计算得到其它元素原子χ值。电负性（χ）越大，表示它的原子在分子中吸引成键电子的能力键强。）变化规律：（1）同周期：从左到右，χ渐增大。（2）同族：主族：从上到下，χ渐减小；副族：从上到下：IIIB-VB，χ渐减小；IB-IIB，χ变大。说明：①鲍林电负性值是一个相对值，本身没有单位。②由于定义及计算方法不同，又有几套电负性数据，所以使用时要用同一套数值来比较。③如何定义电负性至今仍有争论。

第38页，课件共41页，创作于20