原子结构和元素周期系

关于原子结构和元素周期系

化学运动的实质是由于原子核外电子运动状态发生变化。为了了解和掌握化学运动的变化规律，我们必须掌握如何从微观的角度研究物质的结构及性质的关系的理论及方法，必须了解原子的结构及原子是如何构成性质迥异的不同物质。本章主要讨论原子的基本结构及原子结构与元素基本性质的递变规律。第一章原子结构与元素周期系第2页,共113页，2024年2月25日，星期天1-1人类对原子结构的认识过程1-2核外电子运动的波粒二象性1-3核外电子的运动状态1-4各种元素的原子核外电子排布

1-5原子结构与元素性质的关系本章主要内容第3页,共113页，2024年2月25日，星期天基本要求：1、了解微观粒子运动的特殊性2、理解波函数、几率密度的意义；熟悉原子轨道和电子云的角度分布图3、掌握四个量子数的意义及取值范围；熟悉原子轨道的近似能级图4、能够运用核外电子排布原则熟练写出原子的核外电子排布式5、熟悉元素周期表的结构及周期、族、区的划分；掌握元素基本性质的周期性变化规律第4页,共113页，2024年2月25日，星期天1-1人类对原子结构的认识过程

1.1.1经典核原子模型

1.1.2氢原子结构的玻尔理论第5页,共113页，2024年2月25日，星期天

Dalton原子学说

(1803年)Thomson“西瓜式”模型

(1904年)Rutherford原子行星模型

(1911年)Bohr电子分层排布模型

(1913年)量子力学模型(1926年)

1.1.1经典核原子模型第6页,共113页，2024年2月25日，星期天(1)卢瑟福的原子行星模型（1911）第7页,共113页，2024年2月25日，星期天(1)卢瑟福的原子行星模型（1911）卢瑟福

ErnestRutherford1871~1937英国物理学家卢瑟福根据

粒子散射的实验，提出了原子行星模型：●所有原子中都有一个极小的核，即原子核；●原子核几乎集中了原子全部的质量，带有Z个正电荷；●另有Z个电子在原子核外像行星绕着太阳旋转一样绕核运动。

第8页,共113页，2024年2月25日，星期天经典物理学概念面临的窘境（1）在对粒子散射实验结果的解释上，新模型的成功是显而易见的，至少要点中的前两点是如此。问题出在第三点，尽管卢瑟福正确地认识到核外电子必须处于运动状态，但将电子与核的关系比作行星与太阳的关系却是一幅令人生疑的图像。Anunsatisfactoryatomicmodel

根据当时的物理学概念，带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量，运动着的电子轨道会越来越小，最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生，将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。第9页,共113页，2024年2月25日，星期天经典物理学概念面临的窘境（2）根据卢瑟福原子模型，电子绕核高速运动，其放出的能量是连续的，如此得到的原子光谱应该是连续的带状光谱（

E=hv），但是实验得到的原子光谱却是线状的！连续光谱第10页,共113页，2024年2月25日，星期天(2)氢原子光谱第11页,共113页，2024年2月25日，星期天(2)氢原子光谱线状光谱HαHβHγHδ第12页,共113页，2024年2月25日，星期天◆从长波（红外区）到短波（紫外区），谱线间的距离越来越小，表明n

值越来越大，波长越来越短，频率越来越高，能量也越来越高。氢原子光谱特征：◆氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。n=3,4,5,6经验公式：第13页,共113页，2024年2月25日，星期天

描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！第14页,共113页，2024年2月25日，星期天(3)普朗克的量子论（1900）德国物理学家普朗克，第一个冲破经典物理学中能量连续变化的框框，首先在物理学中引入了“量子”的概念，提出了著名的、当时被誉为物理学上一次革命的量子化理论。普朗克M.Planck，1858~1947第15页,共113页，2024年2月25日，星期天(3)普朗克的量子论（1900）经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、面积等的变化是连续的，没有一个最小单位，无限可分；有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量变化的最小单位是1个电子的电量，即1.602×10-19C，电量的改变不能小于1个电子的电量，只能是这个数的整倍数来增减，这是不连续的意思。不连续性只有在微观世界里才有意义微观领域能量不连续第16页,共113页，2024年2月25日，星期天(4)爱因斯坦的光子学说（1905）爱因斯坦A.Einstein

，1879~1955爱因斯坦通过对光电效应的研究，1905年提出光子学说，为量子论提供了实验依据和理论基础。光是由一群颗粒性的光子组成，光子的能量与入射光的频率有关，当光子与金属中的电子相碰撞时，就把它的全部能量，即一个能量子转移给了电子。

所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的能量也越高，电子的速度就越大。而光子的数目越多（即光越强），释放出电子的数目也就越多。光电效应说明了光不仅具有波动性，而且具有粒子性。第17页,共113页，2024年2月25日，星期天(4)爱因斯坦的光子学说（1905）爱因斯坦用两个公式把表征光的波动性的物理量(λ和v)和表征光的粒子性的物理量(E和p)定量地联系起来。光子能量E的大小与光的频率v成正比，光子动量p的大小与光的波长λ的倒数成正比：式中：h为普朗克常数，

v为光的频率，λ为光的波长。E

=

hvp

=hλ第18页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）1、爱因斯坦的光子学说2、普朗克的量子化学说3、氢原子的光谱实验4、卢瑟福的原子行星模型1913年，28岁的Bohr在的基础上，建立了Bohr理论.尼尔斯·玻尔N.Bohr

，1885~19621.1.2氢原子结构的玻尔理论第19页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）●原子中的电子只能在符合一定量子化条件的固定的轨道上绕核运动；电子在一个轨道中运动的角动量mvr必须是的整倍数，即：h2π式中m为电子的质量；v是电子运动的速度；r是轨道的半径；h是普朗克常数；n是量子数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，具有固定的能量E，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。第20页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）●

电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。通常电子保持在能量最低的状态即基态，基态是最稳定的状态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高能量的轨道上去，这时电子所处状态称为激发态。●处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时会以光子形式释放出光能，光的频率决定于两条轨道之间的能量之差：

式中E2为电子处于激发态时的能量；E1为电子处于低能级时的能量；v为光的频率；h为普朗克常数;第21页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）玻尔根据经典力学原理和量子化条件，计算了电子运动的轨道半径r和电子的能量E，推求出氢原子核外电子运动的轨道半径和能量：n=3时，r3=33×52.9pm，E3=-1312.17/33kJ·mol-1当n=1

时，r1=12×52.9pm，E1=-1312.17/12kJ·mol-1n=2时，r2=22×52.9pm，E2

=-1312.17/22kJ·mol-1

从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于1,2,3,4,5,6,7,根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53pm,这就是著名的玻尔半径。第22页,共113页，2024年2月25日，星期天原子能级第23页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）◆激发态原子为什么会发射出光射线；◆氢光谱线波长的不连续性；◆说明了氢光谱线频率的规律性（验证了里德堡公式）；◆提出了n是能级的概念，这为人们后来研究光谱学以及发展物质结构的现代理论做出了贡献。玻尔假说成功之处：第24页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔假说（玻尔理论1913）●未能完全冲破经典物理的束缚，只是在经典力学连续性概念的基础上，人为地加上了一些量子化的条件；如在讨论和计算电子运动的轨道半径时，都是以经典力学为基础的，认为电子在核外的运动有固定轨道，电子本身所特有的波粒二象性，这种特殊的规律在当时是玻尔所不能认识的；●

玻尔理论解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构等问题；玻尔假说的缺陷：第25页,共113页，2024年2月25日，星期天玻尔理论的意义与局限性在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念除了氢原子光谱外，波尔理论不能说明多电子原子的光谱，也不能解释原子如何形成分子的化学键本质同时又应用了“轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律波尔理论成功地解释了氢原子光谱，并提出了原子能级和主量子数n等概念。第26页,共113页，2024年2月25日，星期天德布罗意LouisdeBroglie1892~1987

1924年法国年轻的物理学家德布罗意在光的波粒二象性启发下，大胆地提出了“物质波”的假设，预言电子等微粒会像光一样发生衍射，显示具有波动性。式中m为电子的质量，

h为普朗克常数，P

为电子的动量，v为电子的速度，这种实物微粒所具有的波称为物质波，亦称为德布罗意波。并根据波粒二象性的关系式预言了高速运动的电子的波长λ公式：1-2核外电子运动的波粒二象性◆

(1)电子的波粒二象性第27页,共113页，2024年2月25日，星期天

1927年，电子衍射的实验证实了德布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性。电子波动性的证明第28页,共113页，2024年2月25日，星期天微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，即是具有统计意义的概率波。第29页,共113页，2024年2月25日，星期天电子波动性的证明得出的结论：波动性是与微粒行为的统计性规律在一起的。在底片上衍射强度大的地方（明处），也就是波强度大的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会多（概率密度大），衍射强度小的地方（暗处），也就是波强度小的地方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会少（概率密度小）。由此可以认为：具有波动性的微观粒子（包括电子在内）虽然没有确定的运动轨迹，但在空间某处波的强度与该处粒子出现的概率密度成正比。第30页,共113页，2024年2月25日，星期天小结

在经典力学中，我们能准确地同时测定一个宏观物体的位置和动量，对微观粒子，如电子质量极小，它在原子核外运动的速度每秒约30万公里，接近光速。在原子这样小的空间内（10-8cm），电子速度如此之大，不可能同时准确地测定出它的空间位置和它在那个位置上的速度。不确定原理对宏观物体不起作用，反映了微观粒子的运动特征，不能用经典力学的方法去处理微观粒子。用什么方式描述微观粒子的运动规律呢？第31页,共113页，2024年2月25日，星期天Heisenberg

WSchrodingerE波动力学模型是迄今最成功的原子结构模型，它是1920年代以海森堡（HeisenbergW）和薛定锷（SchrodingerE）为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的。该模型不但能够预言氢的发射光谱（包括玻尔模型无法解释的谱线），而且也适用于多电子原子，从而更合理地说明核外电子的排布方式。第32页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

薛定谔方程——微粒的波动方程2.

波函数的空间图象

（1）波函数的径向分布图（2）波函数的角度分布图3.

四个量子数4.

小结1-3核外电子的运动状态第33页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

薛定谔方程——微粒的波动方程

1926年，奥地利物理学家薛定谔从德布罗意的假设中得到启示，首先提出了描述微观粒子运动规律的波动方程，建立了迄今最为成功的原子结构模型——波动力学模型。亦称为薛定谔方程，是一个二阶偏微分方程：式中ψ：波函数ψ是空间坐标

x、y、z的函数；

E：体系的总能量；

V：体系的势能；

m：粒子的质量；

h：普朗克常数

薛定谔Schrödinger,

1887~1961第34页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

薛定谔方程——微粒的波动方程与球极坐标

(r,θ,φ)的转换直角坐标

(x,y,z)球极坐标与直角坐标的关系x=rsinθcosφ，z

=rcosθy=rsinθsinφ，r2=x2+y2+z2

r：径向坐标,半径，决定了球面的大小；

θ：角坐标,

由

z

轴沿球面延伸

至

r的弧线所表示的角度；φ：角坐标,

由r沿球面平行

xy

面延伸至

xz面的弧线所表示的角度；ψ(x,y,z)

ψ(r,θ,φ)θ：0~2πφ：0~π第35页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

薛定谔方程——微粒的波动方程

★求解薛定谔方程,是为求得波函数ψ和能量E；

薛定谔方程有非常多的解，为得到合理的解，需要引入三个只能取某些整数值的参数n、l、m。对应于一组合理的n、l、m取值，则有一个确定的波函数

ψ(r,θ,φ)n,l,m和其对应的能量

E

值。★解得的ψ不是具体的数,是包括三个参数(n,l,m)

和三个变量(r,θ,φ)的一个函数式ψ(r,θ,φ)n,l,m；

n、l、m称为量子数，它们决定着波函数ψ某些性质的量子化情况。★

有合理解的函数式叫做波函数。第36页,共113页，2024年2月25日，星期天波函数ψ和概率密度|ψ|2都可以用几何图形形象地表示，ψ和|ψ|2均是空间坐标r,θ,φ的函数，要画出它们之间的关系需要四维坐标，因此常常为了不同的目的，从不同的角度考察ψ和|ψ|2的性质，如只考察随r变化的为径向分布图；只考察随θ,φ变化的称为角度分布图。2.

波函数的空间图象ψ

(r,θ,φ)n,l,m=Rn,l

(r)·Yl,m(θ,φ)径向部分角度部分第37页,共113页，2024年2月25日，星期天（1）波函数的径向分布图………..

在图中r=53pm

处曲线有一个高峰，说明电子在r=53pm的球壳上出现的概率最大。这个极大值正是玻尔半径

值。

从量子力学的观点，玻尔半径就是电子出现概率最大的球壳离核的距离。第38页,共113页，2024年2月25日，星期天（1）波函数的径向分布图

1s电子的概率密度（电子云）在原子核附近最大，为什么它的概率的径向分布却是在离核53pm处最大呢？因为在靠近核处，电子出现的概率密度大，概率密度|ψ|2有较大值，但r很小，即球壳的体积很小，所以D(r)值不会很大；在离核较远处，r值大，即球壳的体积大，但电子出现的概率密度却不大，即概率密度|ψ|2较小，所以D(r)值也不会很大；这两个变化趋势相反的因素结合在一起，在某一点上就会出现一个极大值。

D(r)=4

r2·|ψ|2第39页,共113页，2024年2月25日，星期天（2）波函数的角度分布图ψ

(r,θ,φ)n,l,m=Rn,l

(r)·Yl,m(θ,φ)径向部分角度部分如果将Yl,m(θ,φ)

随θ,φ的角度变化作图，就可以得到波函数ψ的角度分布图，也就是原子轨道的角度分布图。若将|Yl,m(θ,φ)|2

对θ,φ作图，则可以得到电子云的角度分布图。第40页,共113页，2024年2月25日，星期天（2）波函数的角度分布图①原子轨道的角度分布图②电子云的角度分布图③原子轨道与电子云角度分布图比较第41页,共113页，2024年2月25日，星期天①原子轨道的角度分布图

由于Yl,m(θ,φ)只与量子数l，m有关，与主量子数n无关，所以只要量子数l，m相同的原子轨道，它们的角度分布就相同。如2pz、3pz、4pz原子轨道的角度分布相同，统称为pz轨道的角度分布，以pz轨道为例，来讨论原子轨道的角度分布图。第42页,共113页，2024年2月25日，星期天①原子轨道的角度分布图第43页,共113页，2024年2月25日，星期天①原子轨道的角度分布图第44页,共113页，2024年2月25日，星期天①原子轨道的角度分布图第45页,共113页，2024年2月25日，星期天波函数ψ=薛定谔方程的合理解=原子轨道①原子轨道的角度分布图三个量子数n,l,m确定的波函数称为一个原子轨道

波函数ψ是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，量子力学借用经典力学中描述物体运动的“轨道”的这一名词，把波函数

ψ

叫做原子轨道。

n=1,l=0,m=0,

ψ1,0,0

1s原子轨道,

ψ1s

n=2,l=0,m=0,

ψ2,0,0

2s原子轨道,

ψ2s

l=1,m=0,

ψ2,1,0

2pz原子轨道,

ψ2pz第46页,共113页，2024年2月25日，星期天①原子轨道的角度分布图★波函数ψ就是原子轨道，代表原子核外电子的一种运动状态，及电子这种运动状态的一个函数。★每一种原子轨道即每一个波函数都有与之相对应的能量E，氢原子或类氢离子(核外只有1个电子)其能量为：eV第47页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图与原子轨道的角度部分相对应，也有电子云即概率密度|ψ|2的角度部分|Yl,m(θ,φ)|2的分布图。例如pz电子云的角度部分是|Ypz|2=cos2θ，若将|Ypz|2对θ作图，便可得到pz电子云的角度分布图。它表示了电子在空间不同角度出现的概率密度的大小，从角度的侧面反映了电子云概率密度分布的方向性。第48页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图第49页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图电子云也可以是用统计的方法描述电子在核外空间某一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，s

电子经常出现的区域是核外的一个球形空间。图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外运动。s

电子云l

=

0第50页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图处于不同状态的电子，它们的波函数ψ各不相同，其|ψ|2

当然也各不相同，表示|ψ|2

的图像——电子云图也不一样。

第51页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图第52页,共113页，2024年2月25日，星期天②电子云的角度分布图第53页,共113页，2024年2月25日，星期天③原子轨道与电子云角度分布图比较第54页,共113页，2024年2月25日，星期天③原子轨道与电子云角度分布图比较★形状相似，不同的是电子云的角度分布图形比原子轨道的角度分布图形要“瘦”些；这是由于Y=cos

值小于1，而|Y|2

值就更小的缘故。★正负号不同，原子轨道角度分布图上有＋、－号之分，而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上的＋、－号只是代表波函数ψ中角度部分Y的正、负，并不表示波函数ψ的正、负。第55页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数由n、l、m三个量子数所确定下来的一套参数就可以表示一种波函数。在求解薛定谔方程的过程中除了直接引入的这三个量子数之外，后来根据实验和理论的要求，又引入了一个描述电子自旋特征的量子数ms。这些量子数对描述核外电子的运动状态、确定原子中电子的能量、原子轨道或电子云的形状和空间伸展方向、以及多电子原子核外电子的排布非常重要。第56页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－主量子数主量子数

nn=1，

2，

3，

4，

5，

6，

7……

（正整数）①主量子数n是决定电子层数的。用它来描述原子中电子出现概率最大的区域离核的远近。n的取值范围：K，L，M，N，O，P，Q……（光谱符号）第57页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－主量子数主量子数

n②主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。对单电子原子或类氢离子：电子能量只与主量子数n有关，n值越大，电子的能量越高。n=3时，r3=33×52.9pm，E3=-1312.17/33kJ·mol-1当n=1

时，r1=52.9pm，E1=-1312.17/12kJ·mol-1n=2时，r2=22×52.9pm，E2

=-1312.17/22kJ·mol-1E1s

＜

E2s

＜

E3s

＜

E4s

······E4s

=

E4p

=

E4d

=

E4f

······第58页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－主量子数主量子数

n核外电子能量既与n有关，又与l有关，取决于n和l的取值。不能只决定于n值的大小。②主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。对多电子原子：第59页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－角量子数角量子数

l（亦称副量子数）①角量子数l表示原子轨道或电子云的形状。l的取值范围：

对于给定的n值，l只能取小于n的整数值。l=0，1，

2，3，

4，

5……(n-1)s，p，d，

f，

g，h……（光谱符号）第60页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－角量子数角量子数

l（亦称副量子数）②用主量子数n表示电子层时，角量子数l就表示同一电子层中具有不同状态的分层，对于给定的主量子数n来说，就有n个不同的角量子数l。电子层数n值电子分层l

值电子分层数1

0

1s2

01

2s2p3

01

2

3s3p3d4

01

2

3

4s4p4d4f第61页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－角量子数角量子数

l（亦称副量子数）③角量子数l与多电子原子中的电子能量有关；即多电子原子中电子的能量不仅与主量子数n有关，还与角量子数l有关。

E4s

＜

E4p

＜

E4d

＜

E4f······

l=

0123······n

相同，

l

值越大，电子能量越高。第62页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－磁量子数磁量子数

m①磁量子数m决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。m

的取值与角量子数

l有关，对于给定的

l值，有2l+1

个m的取值，可以取从

l

到－l

的所有整数，其中包括零：m=0，±1，±2，±3······±l。第63页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－磁量子数磁量子数

m①磁量子数m决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。l=0，s电子m=0一种状态在空间无方向性l=1，p电子m=0，±1三种状态在空间有三种取向l=2，d电子m=0，±1，±2五种状态在空间有五种取向l=3，f电子m=0，±1，±2，±3七种状态在空间有七种取向角量子数

l与磁量子数m

的关系第64页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－磁量子数磁量子数

m②在没有外加磁场的作用时，磁量子数m

与能量无关。三种p轨道虽在空间方向取向不同，但能量相同，称为简并

轨道；五种d轨道、七种f轨道同理也是简并的。l=1

m=0ψ2,1,0

ψ2pz轨道m=+1m=-1ψ2,1,1与ψ2,1,-1线性组合ψ2px轨道ψ2py轨道2pz2px2py第65页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－磁量子数磁量子数

m在有外加磁场作用时，五个简并的d轨道会发生能级分裂。第66页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数－自旋量子数ms表示电子自旋运动的状态，取值只有两个：自旋量子数

ms

直接从薛定谔方程得不到自旋量子数ms，它是据后来的理论和实验的要求引入的。精密观察强磁场存在下的原子光谱，每一条谱线实际是由靠得很近的两条谱线组成的。为了解释这一现象，1925年乌伦贝克（Uhlenbeck）和哥德希密特（Goudsmit）提出了电子自旋的假设。12ms

=+，–

12第67页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数四个量子数确定后，电子在核外空间的运动状态就确定了原子中每个电子的运动状态需要用n，l，m，ms四个量子数来描述；主量子数n决定电子层数和主要决定电子的能量；角量子数

l

决定原子轨道的形状，同时也影响电子的能量；磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向；自旋量子数ms决定电子自旋的方向；◆◆◆◆◆第68页,共113页，2024年2月25日，星期天3.

四个量子数第69页,共113页，2024年2月25日，星期天4.

核外电子的运动状态小结（2）在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级（n），电子运动的每一个状态均需要用四个量子数（n、l、m、ms）来确定。（1）电子是微观粒子，具有波粒二象性，不能同时确定其位置和动量，它的空间运动状态需要用波函数ψ来描述。（3）波函数、原子轨道、电子云的区别和联系：★四个量子数n、l、m、ms确定电子的一种空间运动状态。

★三个量子数n、l、m确定一个波函数ψn,l,m，波函数ψ

就是原子轨道；电子云就是描述电子出现的概率|

|2.第70页,共113页，2024年2月25日，星期天4.核外电子的运动状态小结★原子轨道和电子云的图象形状相似，不同是原子轨道的图象中有正、负号，电子云的图象中则没有。原子轨道的正、负号在原子轨道组合成分子轨道时会起到关键的作用。（3）波函数、原子轨道、电子云的区别和联系：（4）四个量子数之间互相联系又互相制约，同一个原子中没有彼此状态完全相同的电子，或者说，在同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。

第71页,共113页，2024年2月25日，星期天1-4核外电子的排布1.

多电子原子的能级（1）鲍林原子轨道能级图2.

核外电子排布的原则

（1）能量最低原理（2）保里不相容原理（3）洪特规则第72页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

多电子原子的能级薛定谔方程只能对单电子原子体系做出精确的解，对多电子原子来说，由于原子中各电子之间的相互作用，当电子处在不同状态时，其能量不仅与主量子数n有关，还与角量子数l

有关，从薛定谔方程不能得到精确的解，只能借助于某些实验数据或做近似处理得到核外电子排布的基本规律。第73页,共113页，2024年2月25日，星期天1.

多电子原子的能级原子中各电子之间有相互作用，当电子处在不同状态时，其能量不仅与主量子数n有关，还与角量子数l有关。单电子体系各种状态的电子的能量只与主量子数

n

有关E4s=E4p=E4d=E4f

E2p＜

E3p＜

E4p＜

E5p

多电子原子体系E4s＜E4p＜E4d＜E4f

第74页,共113页，2024年2月25日，星期天（1）鲍林原子轨道能级图

美国结构化学家鲍林根据光谱实验的结果，提出了多电子原子中原子轨道的近似能级图，图中的能级顺序是指价电子层中填入电子时各能级能量的相对高低。

鲍林L.Pauling1901~1994

1931年他应用量子力学理论研究原子和分子的电子结构及化学键的本质，创立了杂化轨道理论。他因对化学键本质的研究而获得1954年诺贝尔化学奖。1962年又荣获诺贝尔和平奖。第75页,共113页，2024年2月25日，星期天Pauling近似能级图（1）鲍林原子轨道能级图第76页,共113页，2024年2月25日，星期天保里（W.Pauli）不相容原理能量最低原理洪德（F.Hund）规则2.

核外电子排布的原理第77页,共113页，2024年2月25日，星期天Pauli不相容原理同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子，或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子。例如：一原子中电子A和电子B的三个量子数n，l，m已相同，ms就必须不同。quantumnumbernlmmselectricA21

0

1/2electricB2101/2第78页,共113页，2024年2月25日，星期天能量最低原理电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道，占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道。 根据此原理，电子填入轨道时遵循下列次序：

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p

出现d轨道时，依照ns,(n-1)d,np顺序排布；d,f轨道均出现时，依照ns,(n-2)f,(n-1)d,np顺序排布。第79页,共113页，2024年2月25日，星期天Hund规则电子分布到等价轨道时，总是尽先以相同的自旋状态分占轨道。即在n和

l相同的轨道上分布的电子，将尽可能分占m值不同的轨道，且自旋平行。例如：7N（1s22s22p3）第80页,共113页，2024年2月25日，星期天全充满、半充满规则等价原子轨道（n，l相同的亚层）处于全充满(p6、d10、f14)，半充满（p3、d5、f7）或全空（p0、d0、f0）的状态时，体系能量较低，状态较稳定。例：24Cr 3d54s1（

） 3d44s2（

）

29Cu 3d104s1（

） 3d94s2（

）第81页,共113页，2024年2月25日，星期天帮助记忆图第82页,共113页，2024年2月25日，星期天外围电子（价电子）构型

化学上，将最后布入的能量最高的能级组，例如Fe的3d64s2原子轨道合称为外围电子层。在外围电子层上的电子分布叫做外围电子构型（或组态），Fe的外围电子构型为3d64s2。注意在书写s、p区元素的外围电子构型时，常常将（n－1）d10或（n－2）f14(n-1)d10省略。第83页,共113页，2024年2月25日，星期天Z=11，Na：1s22s22p63s1或[Ne]3s1，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或[Ar]4s2，Z=50，Sn：[Kr]4d105s25p2，Z=56，Ba：[Xe]6s2。[Ne]、[Ar]——原子实第84页,共113页，2024年2月25日，星期天1-5原子的电子层结构和元素周期系1.原子的电子层结构与元素的分区、周期、族的关系（1）原子半径的周期性（2）电离能的周期性（3）电子亲和能的周期性（4）电负性的周期性2.

元素基本性质的周期性第85页,共113页，2024年2月25日，星期天1.原子的电子层结构与元素的分区、周期、族的关系第86页,共113页，2024年2月25日，星期天原子电子层结构与元素周期表的关系在1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，列出了元素周期表。现代周期律的说法是：元素性质随着元素原子核电荷（原子序数）的递增而呈周期性变化，其本质在于随着原子核电荷的递增，其外层电子结构呈现周期性变化。

第87页,共113页，2024年2月25日，星期天元素周期表第88页,共113页，2024年2月25日，星期天共七个周期：一个特短周期（1），二个短周期（2、3），二个长周期(4、5)，二个特长周期（6、7），第7周期又叫不完全周期；序号还表达了该周期中原子开始建立的电子层。例如：第4周期开始建立n=4的电子层，即开始建立N层电子；七个周期对应于顺序图中的七个能级组；除第一周期外，各周期均以填充s轨道的元素开始，并以填充p轨道的元素告终。第89页,共113页，2024年2月25日，星期天关于族的划分传统划分：主族（A），副族（B）第1，2，13，14，15，16和17列为主族，即,ⅠA,ⅡA,ⅢA,ⅣA,ⅤA,ⅥA,ⅦA。稀有气体(He除外)8e－为ⅧA,通常称为零族，第3~7，11和12列为副族，即ⅢB,ⅣB,ⅤB,ⅥB,ⅦB,ⅠB和ⅡB。ⅠB,ⅡB——根据ns轨道上电子数划分。第8,9,10列元素称为Ⅷ族。第90页,共113页，2024年2月25日，星期天关于区的划分根据电子排布情况和元素原子的外层电子构型，可以把周期表划分为4个区BlocksValenceElectronConfigurationssBlockns1-2pBlocksns2np1-6dBlocks(n-1)d1-10ns1-2fBlocks(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2第91页,共113页，2024年2月25日，星期天（1）原子半径的周期性（2）电离能的周期性（3）电子亲和能的周期性（4）电负性的周期性（5）氧化态2.

元素基本性质的周期性第92页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性原子半径一般分为：

共价半径、金属半径、范德华半径一般同一元素的半径：范德华半径＞金属半径＞共价半径讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀有气体用范德华半径代替。rrr第93页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性第94页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（1）原子半径的周期性主族元素：从左到右r减小；从上到下r增大。过渡元素：从左到右r缓慢减小；

从上到下r

略有增大。一般规律：第95页,共113页，2024年2月25日，星期天基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需要的能量称为第一电离能，用I

1表示。由+1价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子所需要的能量称为第二电离能，用I

2表示。E+(g)

E

2+(g)+e-I

2E(g)

E+(g)+e-I

1例如：e-e-e-2.

元素基本性质的周期性（2）电离能的周期性第96页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（2）电离能的周期性第97页,共113页，2024年2月25日，星期天第98页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（2）电离能的周期性一般规律：●同一周期（短周期）自左向右，电离能递增；（核电荷数增多，原子半径减小，原子核对外层电子的引力增大）●各周期中稀有气体的电离能最大，因为它们的原子具有稳定的8电子结构；●同一主族元素自上而下，电离能总趋势是减小；（电子层数增加，原子半径增大，原子核对外层电子的引力减小起主导作用，核电荷数增大，核对电子的吸引力增大这一因素不起主导作用）第99页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（2）电离能的周期性一般规律：●同一周期过渡元素电离能增加程度较小；因其原子半径减小的程度小，Mn和Zn的电离能比其前面元素Cr和Cu增加较多，因为Mn和Zn的d轨道半充满和全充满；●同一元素各级电离能的大小规律：I1＜I2

＜I3

＜…；●电离能的数据能说明元素的金属活泼性和元素的常见氧化态；第100页,共113页，2024年2月25日，星期天2.

元素基本性质的周期性（2）电离能的周期性反常现象：◆同一周期主族元素N＞O，P＞S；

O和S外层失去1个电子后，p轨道半充满稳定结构，故电离能小于其前面的元素；◆同一周期过渡元素Mn和Zn分别具有半充满和全充满的d轨道稳定结构，不易失去电子，故电离能比其前面的元素增加较多；

VCrMn……NiCuZn651653717737746906第101页,共113页，2024年2月25日，星期天思考题为什么各周期中稀有气体原子的电离能最高？第2族元素Be和Mg，第15族元素N和P，第12族元素Zn、C