第一章 原子结构

第一章原子结构第1页，课件共71页，创作于2023年2月第一章物质结构及元素周期律1.1原子结构1.2元素周期表和元素周期律1.3化学键第2页，课件共71页，创作于2023年2月原子、分子和离子是物质参与化学变化的最小单元，了解原子的内部组成、结构和性能，是理解化学变化本质的前提条件，是化学科学的核心内容。1.1原子结构1.1.1、原子组成微粒及其相互关系1、原子结构发现史传统观念实验新发现

为其他实验所证实

产生新观念

世人接受↑↓←←←第3页，课件共71页，创作于2023年2月（1）公元前5世纪--18世纪的哲学观念Democritus(460—370B.C.)德谟克利特（古希腊哲学家）宇宙万物都由看不见的微粒组成的，这种微粒被称为“原子”（希腊文意思是不可分割的）。但这只是一种猜想，一种推理，没有实验根据，因而对物质结构的认识是朦胧的、幼稚的，处于萌芽时期。第4页，课件共71页，创作于2023年2月1．一切元素都由不可再分的微粒构成，这种微粒叫做原子。原子在一切化学变化中都保持它的不可再分性。（2）1803年道尔顿提出了“原子学说”JohnDalton（1766-1844）2．同一元素的原子性质完全相同第5页，课件共71页，创作于2023年2月道尔顿把古代模糊的原子假说发展为科学的原子理论，为近代化学的发展奠定了重要的基础。复合原子第6页，课件共71页，创作于2023年2月（3）1904年汤姆生提出原子的“葡萄干蛋糕模型”1897年，英国物理学家汤姆生发现了电子，测定了带负电粒子的荷质比(e/m)。阴极射线管第7页，课件共71页，创作于2023年2月+汤姆生认为：原子是一个球体，正电荷均匀分布在球体中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消，整个原子显中性。1904年，汤姆生提出了原子的“葡萄干蛋糕模型”它不仅能解释原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，而且还能解释阴极射线现象和金属在紫外线的照射下能发出电子的现象。第8页，课件共71页，创作于2023年2月1909年，通过α粒子散射实验发现了原子核--集中了原子全部(99.9%以上)质量，而大小仅为原子１/１０１２的带正电荷的粒子。（4）1911年，卢瑟福提出了原子的行星模型E.Rutherford

1871～1937α粒子散射实验金箔α射线源第9页，课件共71页，创作于2023年2月1911年，卢瑟福提出了原子结构的“行星式模型”电子像行星绕太阳运转一样绕原子核运动。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地待在核外。第10页，课件共71页，创作于2023年2月1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；2.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量。（5）1913年，玻尔模型玻尔第11页，课件共71页，创作于2023年2月2、原子的内部组成名称与符号电荷质量Q/CQ/aum/kgm/au原子核质子(p)1.6021×10-19+11.7×10-271836中子(n)001.7×10-271839核外电子(e-)1.6021×10-19-19.1×10-271第12页，课件共71页，创作于2023年2月3、原子组成微粒的体积关系由表数据可计算：

Ｖ核/Ｖ原子＝（10-15～-14）3/（10-10）3

＝１/1012～15原子核是原子体积的百万亿分之一！原子几乎是空的。

Ｖ电子/Ｖ原子＜１/1012～15第13页，课件共71页，创作于2023年2月一般物质的密度只有1×１0０g·cm－３

数量级，根据爱因斯坦(Einstein)的质能联系方程可以算出，原子核内蕴藏着异常巨大的潜能。原子正是通过其巨大质量的核和核电荷对化学反应施加影响。

因此，原子核的性质决定了原子的种类和性质。4、原子组成微粒的质量关系

原子核的体积只有原子体积的１／１０１２－1５，而原子核的质量却占了原子质量的99.9%以上，原子核的密度：ρ≈1×10１３g·cm－３第14页，课件共71页，创作于2023年2月5、原子组成微粒的电荷关系

根据原子及其内部微粒的电荷关系，英国人莫斯莱研究证明：原子核内的质子数和核外的电子数都恰好等于原子序数，即：原子序数（Z）=核内质子数=核电荷数=核外电子数也就是说，质子数相同的原子属于同种元素。但质子数相同的原子，中子数不一定相同，这意味着同种元素中可能含有不同的原子。第15页，课件共71页，创作于2023年2月式中左下标Z为质子数，左上标A为核子数(质子数与中子数之和)因为它近似等于原子质量的数值，故A又称为质量数。将质子数相同的一类单核粒子统称为同一种元素，用元素符号Ｅ表示。将质子数和中子数都相同的单核粒子称为同一种核素，用核素符号表示。元素核素第16页，课件共71页，创作于2023年2月6、同位素指具有相同质子数不同中子数的同种元素的不同原子。即中，Z相同A不同的同种元素称为同位素。第17页，课件共71页，创作于2023年2月自然界中许多元素都有同位素。同位素有的是天然存在的，有的是人工制造的，有的有放射性，有的没有放射性。同一元素的同位素虽然质量数不同，但他们的化学性质基本相同（如：化学反应和离子的形成），物理性质有差异，主要表现在质量上（如：熔点和沸点）。同位素的发现，使人们对原子结构的认识更深一步。这不仅使元素概念有了新的含义，而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革，再一次证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。第18页，课件共71页，创作于2023年2月1.1.2、原子核外电子排布规律1、电子云模型现代物质结构学说：核外电子运动没有确定的运动轨迹，只在一定的空间区域内运动；在该区域内离原子核远近不同电子出现的几率也不同；

不同电子具有大小和形状不同的运动区域且在核外按照能级和一定规则分层排布。第19页，课件共71页，创作于2023年2月2、原子核外电子运动状态的描述方法奥地利物理学家薛定谔于1926年提出了能同时反映微观粒子运动的波动性和粒子性的微观粒子数理方程，人们将其称为薛定谔方程。Schrodinger第20页，课件共71页，创作于2023年2月四个量子数

量子数是在求解薛定谔方程的过程中自然产生的。一组量子数就对应着电子的一种能量状态。

电子的能量状态是不连续的，因此量子数的取值也是不连续的。

量子数的名称、符号及其意义分述如下：(1)主量子数（符号：ｎ）

n=1（K），2（L），3（M），4（N）…正整数

n描述的是核外电子能量高低和离核远近的主要量子数。n值越大，表示电子能量越高，电子离核的平均距离就越远。第21页，课件共71页，创作于2023年2月（2）角量子数（符号：l

）角量子数的取值，受到主量子数ｎ的限制，当n值一定时，l可取的值为从0开始的正整数；角量子数l的值由小到大可依次用符号表示，分别代表ｓ、ｐ、ｄ、ｆ电子云。l决定电子角动量的大小，ｎ相同l越大，电子的角动量（M）越大，电子的能量（E）越高。l

＝０(s)、１(p)、２(d)、３(f)…，（n–1）l代表电子的角动量，确定原子轨道的空间形状。第22页，课件共71页，创作于2023年2月在多电子原子中，l与n一起决定电子的能量，所以通常将n相同、l不同的电子归在同一电子层中的不同电子亚层，例如：n＝４（第4层）：

l＝０、1、2、3，分别称为4ｓ、4ｐ、4ｄ、4ｆ亚层。第23页，课件共71页，创作于2023年2月（3）磁量子数（符号：ｍ）磁量子数m决定了原子轨道在空间的伸展方向。ｍ＝０，±１，±２，…，±lm可取（2l+1）个值某种形状的原子轨道，可以在空间取不同的伸展方向而得到几个空间取向不同的原子轨道。当

l

＝０、1、2、3时，m依次可取1、3、5、7个数值。我们常把n、l和m都确定的电子运动状态称为原子轨道。所以，s亚层只有1个原子轨道；p亚层只有3个原子轨道；

d亚层只有5个原子轨道；f亚层只有7个原子轨道。第24页，课件共71页，创作于2023年2月（4）自旋量子数（符号：ｍｓ）=---顺时针方向自旋；---逆时针方向自旋。自旋量子数ｍｓ表示了电子自旋运动的方向：第25页，课件共71页，创作于2023年2月（5）四个量子数的关系

四个量子数的取值不是任意的，而是存在着一定的制约关系，四量子数与原子轨道之间的关系总结在表中。同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。在同一原子中的各个电子，它们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的，所以原子中每一层上的轨道数是一定的，电子的最大容量也是一定的。第26页，课件共71页，创作于2023年2月3核外电子排布的基本原则

（1）泡利(W.pauli）不相容原理“在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子”或者“同一原子轨道只能容纳两个自旋相反的电子”。根据这一原理可以确定各电子层、亚层最多可容纳的电子数。（2）能量最低原理在不违背泡利原理的前提下，核外电子在各原子轨道中的排布方式应使整个原子的能量处于最低的状态。第27页，课件共71页，创作于2023年2月核外电子填充顺序图ⅠA-ⅡAⅢA-ⅧAⅢB-ⅧBLa系周期

ⅠB-ⅡBAc系第28页，课件共71页，创作于2023年2月在能量相同的轨道上排布电子时，总是以自旋相同的方向优先分占不同的轨道，这样体系的能量较低。当电子轨道处于半充满状态(如p3，d5，f7)或全充满状态(如p6，d10，fl4)时，原子核外电子的电荷在空间的分布呈球形对称，有利于降低原子的能量。（3）洪特(Hund)规则C原子电子轨道图第29页，课件共71页，创作于2023年2月1.2.1

元素的周期1.2.2

元素的族1.2.3元素的分区1.2.4原子半径1.2.5电离能1.2.6电子亲和力1.2元素周期表1.2.7电负性第30页，课件共71页，创作于2023年2月1869年俄国化学家门捷列夫(Д.И.Мeндлeeв)在元素系统化的研究中，将元素按一定顺序排列起来，使元素的化学性质呈现周期性的变化，元素性质的这种周期性变化规律，称为元素的周期律（elementperiodicity），其表格形式称为元素周期表。门捷列夫

到目前为止，人们已经提出了多种形式的周期表，如短式周期表、长式周期表、三角形周期表、螺旋式周期表等，但目前最通用的是由A.Werner

首先倡导的长式周期表。第31页，课件共71页，创作于2023年2月第32页，课件共71页，创作于2023年2月螺旋式第33页，课件共71页，创作于2023年2月第34页，课件共71页，创作于2023年2月层式路标式第35页，课件共71页，创作于2023年2月透视式第36页，课件共71页，创作于2023年2月三角式第37页，课件共71页，创作于2023年2月柱形环式第38页，课件共71页，创作于2023年2月放射式短式第39页，课件共71页，创作于2023年2月长式周期表第40页，课件共71页，创作于2023年2月1.2.1元素的周期原子轨道按能量高低，划分成7个能级组，就对应着周期表中的7个周期。每个能级组中能容纳的电子数目，就是该周期中所含元素的数目（第七周期除外）。周期号数=能级组号数=电子层数=最大主量子数ｎmax周期原子轨道数元素个数1122483484918591861632716未完成第41页，课件共71页，创作于2023年2月周期表中每一个纵列的元素具有相似的价层电子结构，故称为一个族。18个纵列共分为分为16个族，主族、副族各含8个族（其中第Ⅷ族包含3个纵列）。1.2.2元素的族族ABA12345678123456701234567第42页，课件共71页，创作于2023年2月凡是最后一个电子填在(n-1)d或(n-2)f能级上的元素，称为副族元素。主族

（占8列，分8族）凡是最后一个电子填入ns或np能级的元素称为主族元素。通式：ns1-2np0-6副族

（占10列，分8族其中第8族占3列）(n-2)f1-14(n-1)d1-10ns1-2通式：第43页，课件共71页，创作于2023年2月

元素周期表中价电子排布类似的元素集中在一起，分为5个区，并以最后填入的电子的能级代号作为区号。1.2.3元素的分区ns1－2

ns2np1－6(n－1)d10ns1－2(n－1)d1－10ns1－2(n－2)f0－14(n－1)d0－2ns2第44页，课件共71页，创作于2023年2月1.2.4原子半径的周期性孤立原子的半径：

原子的基电子组态中，占据最高能级上的电子到原子核的距离。由于电子的波动性和不确定关系而测不准。可以用基态原子最外层的原子轨道的半径近似代表其半径孤立原子的半径。

ｒｎ＝ｎ2ａ0/（Ｚ*）实际原子的半径：其大小与其所处环境有关，取决于它与环境中原子之间作用力的性质。第45页，课件共71页，创作于2023年2月(1)原子的共价半径

——同种元素的两个原子A，以共价键结合成分子A２时，两原子的核间距的一半，为A原子的共价半径。(2)范德华半径——在以范德华力形成的分子晶体中，不属于同一个分子的两个最接近原子的核间距的一半。(3)原子的金属半径

——在金属晶体中，两相互接触原子的核间距(离)的一半。-rrr第46页，课件共71页，创作于2023年2月1、同周期元素原子半径的变化

同一周期的元素，自左至右，原子半径随原子序的数增加而减小。

这是因为在主量子数相同的情况下，原子的有效核电荷数越大，对最外亚层中电子的吸引力就越大，相应的原子半径则越小。

主族元素的原子半径递减规律更为明显，副族元素的原子半径递减不明显。第47页，课件共71页，创作于2023年2月这是由于电子填充情况不同所致：

主族元素的电子依次填入最外层轨道，对核电荷的屏蔽作用较小(0.35)，致使有效核电荷递增显著；副族的d区元素电子是依次填人次外层的d轨道，对核电荷的屏蔽作用较大(0.85)，故有效核电荷递增不明显；从d区过渡到ds区IB、ⅡB族时，原子半径有所回升这是因为它们的价电子层结构为全充满或半充满，电子云呈现球形对称之故。第48页，课件共71页，创作于2023年2月2、同族元素原子半径的变化

同一族元素的原子半径，由上而下增大，这是因为由上而下主量子数递增的缘故。但是第六周期d区元素的原子半径与第五周期元素相近，甚至有所减小，这是因为在第六周期的ⅢB族出现了镧系元素，在一个格子内集中了15个核电荷，使有效核电荷对原子半径减小的影响，超过了电子层数对原子半径增大的影响，我们将这种现象称为“镧系收缩”。第49页，课件共71页，创作于2023年2月1.2.5电离能及其变化规律

电离能的概念：

基态的气态原子失去最外层的一个电子成为气态+1价离子所需的最低能量称为第一电离能I1，再相继失去第二、三、…个电子所需能量依次称为第二电离能、第三电离能(I2I3…)等等。第50页，课件共71页，创作于2023年2月（1）各级电离能的关系

原子失去电子后，离子中电子受核的吸引增强，能量有所降低，故从A+离子中再失去一个电子所需的能量，即第二电离能必大于第一电离能，依次类推。逐级电离能总是递增的，即：I1<I2<I3<I4

等等。元素的第一电离能最重要，I1是衡量元素的原子失去电子的能力和元素金属性的一种尺度。第51页，课件共71页，创作于2023年2月电离能的大小主要取决于原子核电荷数、原子半径和电子构型。在同一周期中，元素电离能变化的趋势，一般是随着原子序数的增加而递增；增加的幅度随周期数的增加而减小。

但这种递增趋势并非单调递增而是曲折上升。（2）电离能沿周期的变化规律第52页，课件共71页，创作于2023年2月1.2.6电子亲和能及其变化规律

电子亲合能的概念（Y）原子的电子亲合能通常是指一个基态的气态原子，获得一个电子成为带负电荷气态阴离子时所放出的能量。元素的电子亲和能越大，表示原子得到电子的倾向越大，非金属性也越强。第53页，课件共71页，创作于2023年2月电子亲合能变化的周期性电子亲合能的大小涉及核的吸引和核外电子排斥两个因素。同周期的元素，电子亲合能和电离能有相同的变化趋势，即电离能大的元素，它的电子亲合能也大。

同一周期的主族元素:随原子序数递增，原子半径减少，电子亲和能逐渐增大。同一族元素:一般随原子半径减小而电子亲和能增大。

这是因为原子半径减小，核电荷对电子的吸引力就增强，原子则易结合外来电子而放出能量。

第54页，课件共71页，创作于2023年2月原子序数第55页，课件共71页，创作于2023年2月元素的电离能表示元素的原子失去电子的可能性，

电子亲和能表示元素的原子得到电子的可能性。但在许多化合物形成时，元素的原子经常是既不失电子也不得电子，如Cl2和H2反应，电子只是在它们的原子之间发生偏移。

因此仅从电离能和电子亲和能来衡量元素的金属性或非金属性是不全面的。1.2.7电负性第56页，课件共71页，创作于2023年2月

原子在分子中吸引电子的能力称为元素的电负性，用表示。电负性大小规律：同一周期：从左到右，增大。同一主族：从上到下，变小。——p轨道上的一个电子的平均能量——S轨道上的一个电子的平均能量m——某元素原子的P轨道上的电子数n——某元素原子的S轨道上的电子数第57页，课件共71页，创作于2023年2月电负性()第58页，课件共71页，创作于2023年2月根据电负性的大小，可以衡量元素的金属性和非金属性。一般认为电负性在2.0以上的元素属于非金属元素，而电负性在2.0以下的属于金属元素。第59页，课件共71页，创作于2023年2月1.3.11.3.21.3.31.3化学键第60页，课件共71页，创作于2023年2月化学键定义：指分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间强烈的相互作用力的统称。

化学键主要分为离子键、共价键和金属键三种类型，其共同点是体现着原子或离子之间的强相互作用。化学键的键能一般在几十到几百kJ

mol-1。第61页，课件共71页，创作于2023年2月

离子键：由阴、阳离子间通过静电作用形成的化学键。以NaCl为例，说明离子键的形成过程。

燃烧+Na×ClCl×_Na+第62页，课件共71页，创作于2023年2月活泼金属与活泼非金属反应生成化合物时，一般都形成离子键。以离子键相结合的化合物称为离子化合物。绝大多数的盐、碱和金属化合物都是离子化合物。在离子化合物中离子具有电荷，就是该元素的化合价。离子化合物通常情况下都能形成晶体。第63页，课件共71页，创作于2023年2月原子间通过共用电子对所形成的化学键叫做共价键。以氢分子为例，说明共价键形成的过程：

通常情况下，当一个氢分子与另外一个氢分子接近时，就相互作用而生成氢分子。

所有化学键都是共价键的化合物称为共价化合物。非金属元素的原子之间都是以共价键相结合的。第64页，课件共71页，创作于2023年2月共价键可分为极性共价键和非极性共价键。在同种原子所形成的共价键中，两个原子吸引电子的能力完全相同，共用电子对不偏向任何一方，因此成键原子不显电性，这样的共价键就是非极性共价键。例如：H—H键、键、键等都是非极性键。

在不同原子所形成的共价键中，共用电子对偏向于吸引电子能力强的原子一方，这种原子带部分负电荷，而吸引电子能力较弱的原子带部分正电荷，这样的共价键就叫极性共价键，简称极性键。例如：H—Cl键、H—O键、H—N键等。第65页，课件共71页，创作于2023年2月分子的极性：

以非极性键结合而成的分子都是非极性分子。

如：H2、N2、O3、Cl2等。

以极性键结合的多原子分子，可能是极性分子，也可能是非极性分子。这取决于分子的组