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1、化学综合第七课第七课 原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律人类对原子结构的认识l“原子原子”概念的提出概念的提出朴素的认识论：世界万物由水、空气、土、火等构成古希腊时代：思辩性古代原子论万物由原子构成，原子是物质世界的共同基础，不能再分割。近近代代原原子子论论发发现现电电子子带核原子结构模型带核原子结构模型轨道原子结构模型轨道原子结构模型近代科学原子论（近代科学原子论（18031803年）年）l 一切物质都是由最小的不能再分的粒子原子构成。l 原子模型：原子是坚实的、不可再分的实心球。英国化学家道尔顿（J.Dalton , 17661844)“化学的新时代是从原化学的新时代是从原子论开始的
2、子论开始的”恩格斯恩格斯原子并不是构成物质的最小微粒原子并不是构成物质的最小微粒 汤姆生发现了电子汤姆生发现了电子(1897年年)l 电子是种带负电、有电子是种带负电、有一定质量的微粒，普一定质量的微粒，普遍存在于各种原子之遍存在于各种原子之中。中。l 汤姆生原子模型汤姆生原子模型：原：原子是一个平均分布着子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中镶嵌着许多电子，中和了电荷，从而形成和了电荷，从而形成了中性原子。了中性原子。英国物理学家汤姆生（J.J.Thomson ,18561940）粒子散射实验（粒子散射实验（1909年）年）原子有核原子有核l 卢瑟福和他的助
3、手做了卢瑟福和他的助手做了著名著名粒子散射实验粒子散射实验。根。根据实验，卢瑟福在据实验，卢瑟福在1911年提出原子有核模型。年提出原子有核模型。l 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型（又称（又称行星原子模型）：原子行星原子模型）：原子是由居于原子中心的带是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带正电的原子核和核外带负电的电子构成。原子负电的电子构成。原子核的质量几乎等于原子核的质量几乎等于原子的全部质量，电子在原的全部质量，电子在原子核外空间绕核做高速子核外空间绕核做高速运动。运动。英国科学家卢瑟福（E.Rutherford,18711937)玻尔原子模型（玻尔原子模型（19131913年）年）l
4、玻尔借助诞生不久的量玻尔借助诞生不久的量子理论改进了卢瑟福的子理论改进了卢瑟福的模型。模型。l 玻尔原子模型玻尔原子模型（又称分（又称分层模型）：当原子只有层模型）：当原子只有一个电子时，电子沿特一个电子时，电子沿特定球形轨道运转；当原定球形轨道运转；当原子有多个电子时，它们子有多个电子时，它们将分布在多个球壳中绕将分布在多个球壳中绕核运动。核运动。l 不同的电子运转轨道是不同的电子运转轨道是具有一定级差的稳定轨具有一定级差的稳定轨道。道。丹麦物理学家玻尔（N.Bohr,18851962)电子云模型电子云模型（现代物质结构学说）（现代物质结构学说）l 现代科学家们在实验中发现，电子在原子核周现
5、代科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现的次数多，有的区域出现的次围有的区域出现的次数多，有的区域出现的次数少，就像数少，就像“云雾云雾”笼罩在原子核周围。因而笼罩在原子核周围。因而提出了提出了“电子云模型电子云模型”。l 电子云密度大的地方，表明电子在核外单位体电子云密度大的地方，表明电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。积内出现的机会多，反之，出现的机会少。 如：如：氢原子的电子云氢原子的电子云电子云与原子轨道思考思考: : 宏观物体与微观物体（电子）的运动宏观物体与微观物体（电子）的运动有什么区别有什么区别? ?宏观物体的运动特征：宏观物体的运动特征：l可以准
6、确地测出它们在某一时刻所处可以准确地测出它们在某一时刻所处的位置及运行的速度；的位置及运行的速度；l可以描画它们的运动轨迹。可以描画它们的运动轨迹。微观物体的运动特征电子的质量很小，只有9.1110-31kg核外电子的运动范围很小（相对于宏观物体而言）；电子的运动速度很大；测不准测不准电子云与原子轨道图中图中 表示原子核，一个小黑点代表表示原子核，一个小黑点代表电子在这里出现过一次电子在这里出现过一次小黑点的小黑点的疏密疏密表示电子在表示电子在核外空间单核外空间单位体积内位体积内出现的出现的概率概率的大小。的大小。电子云现代物质结构学说电子层数电子层数 1 2 3 4 5 6 7电子符号电子符
7、号 K L M N O P Q电子能量电子能量 低低 高高离核距离离核距离 近近 远远1、主量子数主量子数n（电子层）（电子层）描述核外电子运动状态的四个量子数原子核外的电子可以看作是分层排布原子核外的电子可以看作是分层排布的。处于不同层次中的电子，离核的的。处于不同层次中的电子，离核的远近也不同。离核愈近的电子层能级远近也不同。离核愈近的电子层能级愈低，离核愈远的电子层能级愈高。愈低，离核愈远的电子层能级愈高。四个量子数2 2、角量子数角量子数l l ：能级：能级( (电子亚层电子亚层) )即使在同一电子层中的电子，能量也常有差别，它们电子云的形状也不相同。所以每一个电子层，又可以分作几个电
8、子亚层，l 取值为0,1，n-1，分别用s、p、d、f等符号来表示 能层能层K KL L M MN NO O符号符号1s1s 2s2s 2p2p 3s3s 3p3p 3d3d 4s4s 4p4p 4d4d 4f4f 5s5s 5p5p 5d5d 最多电子数最多电子数2 22 26 62 26 610102 26 61010 14142 26 61010 第一电子层只有一个亚层，第二电子层有两个，以第一电子层只有一个亚层，第二电子层有两个，以此类推，第此类推，第n个电子层最多有个电子层最多有n个亚层。个亚层。l 原子光谱：不同元素的原子发生原子光谱：不同元素的原子发生跃迁跃迁时会吸收或时会吸收或
9、释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱锂、氦、汞的发射光谱锂、氦、汞的发射光谱锂、氦、汞的吸收光谱锂、氦、汞的吸收光谱利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素 能级与光谱能级1、单电子轨道能级：取决于n，与l 无关，如氢原子或类氢原子：E1S E2S = E2P E3S = E3P = E3d2、多电子轨道能级：多电子原子轨道能级由n值与l 值共同决定 规律：规律： l l 相同，相同，nn，则，则EE。 E E1s1s
10、E E2S2S E E3S3S E E2P2P E E3P3P E E4P4P 能级l n相同， l ，则E 。l Ens Enp End Enf鲍林近似能级图鲍林近似能级图能级l能级交错屏蔽效应屏蔽效应：内层：内层电子对外层电子电子对外层电子的排斥作用，削的排斥作用，削弱了核对外层电弱了核对外层电子吸引作用子吸引作用3、磁量子数磁量子数m：轨道轨道(电子云的伸展方向电子云的伸展方向)电子云不仅有确定的形状，而且有一定的伸展方向。s电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同。p电子云在空间可以有三种互相垂直的伸展方向。d电子云可以有五种伸展方向，f电子云可以有七种伸展方向。如果把在一定
11、电子层上，具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个轨道，那么s、p、d、f四个能级就分别有1、3、5、7个轨道四个量子数s s 轨道轨道磁量子数与原子轨道zzyyxxp p 轨道轨道l对于角量子数为l 的原子，m的取值有 （2l +1）个。（注意（注意l l 的取值从的取值从0开始！）开始！）ln、l 相同的轨道被称为等价轨道或简并轨道d d 轨道轨道 f f 轨道轨道 ( ( l l = 3, = 3, m m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : : m m 七种取值七种取值, , 空间七种取向
12、空间七种取向, , 七条等价七条等价( (简并简并) ) f f 轨道轨道. .本课程不要求记住本课程不要求记住 f 轨道轨道具体形状具体形状!电子的自旋电子的自旋 自旋量子数自旋量子数m ms s：描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 取值为取值为+1/2+1/2和和-1/2-1/2，分别用分别用和和表示表示 想象中的电子自旋想象中的电子自旋 每个原子轨道最多容纳每个原子轨道最多容纳一对一对电子电子 产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子, , 磁场相互抵消磁场相互抵消.
13、 . Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln原子中电子的排布l基态原子核外电子的排布遵循以下规律基态原子核外电子的排布遵循以下规律能量最低原理能量最低原理泡利（泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理洪德（洪德（Hund）规则）规则原子中电子的排布l能量最低原理任何体系都是能量越低越稳定在核外电子排布中，电子总是尽量最先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道被占满后，电子才能依次占有能量较高的轨道外层电子填充顺序：ns(n-2)f(n-1)dnp失去电子的顺序：
14、npns(n-1)d(n-2)f原子中电子的排布l泡利不相容原理在同一个原子里，不存在四个量子数完全相同的电子各层最多容纳2n2 个电子l最外层不超过最外层不超过8个（个（K层层2个）个）l次外层不超过次外层不超过18个，个，l倒数第三层不超过倒数第三层不超过32个。个。原子中电子的排布l洪德规则在同一能级中的各个轨道上，倾向于尽可能在同一能级中的各个轨道上，倾向于尽可能分占不同的轨道，而且它们的自旋方向相同。分占不同的轨道，而且它们的自旋方向相同。这样的排布，使整个原子的能量最低这样的排布，使整个原子的能量最低1s 2s 2pC1s 2s 2pN1s 2s 2pO练习l下图中能正确表示基态硅
15、原子的是下图中能正确表示基态硅原子的是A B C D原子中电子的排布l洪德规则特例：对于同一能级，当电子排布为全充满、半特例：对于同一能级，当电子排布为全充满、半充满或全空时，整个原子体系最稳定充满或全空时，整个原子体系最稳定 p6 d10 f14 全充满全充满p3 d5 f7 半充满半充满p0 d0 f0 全空全空原子中电子的排布写出Cr和Cu的电子排布式： Cr(24) 电子填充式为： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 考虑洪德规则特例： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 所以其电子排布式为： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s
16、1原子中电子的排布 Cu(29) 电子填充式为： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 考虑洪德规则特例： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 所以其电子排布式为： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1洪德规则的应用：铁为什么有+2、+3价？原子中电子的排布 说明： 为了简化原子的电子结构，通常将内层已达稀有气体的电子层结构，用稀有气体加方括号表示，并称为“原子实”。 例：Cr、Cu、Br和Hg的电子排布式为： Cr：Ar 3d5 4s1 Cu：Ar 3d10 4s1 Br：Ar 3d10 4s2 4p5 Hg：Xe 4f14 5d10 6s2 15第第1层层第第2层层第第3层层K层层L层层M层层原子核原子核原子核带正电原子核带正电核电荷数核电荷数285原 子 结 构 示 意 图原 子 结 构 示 意 图简略表示要求：熟练掌握136号元素