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1、第三章 原子结构和元素周期表第1页，共89页，编辑于2022年，星期二基本内容和重点要求基本内容和重点要求重点要求重点要求掌握四个量子数对核外电子运动状态的描述熟掌握四个量子数对核外电子运动状态的描述熟悉悉s,p,ds,p,d原子轨道和电子云的形状和伸展方向；掌握周期系内各原子轨道和电子云的形状和伸展方向；掌握周期系内各元素原子的核外电子层结构的特征，电子排布规律元素原子的核外电子层结构的特征，电子排布规律3.1 原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态3.2 原子核外电子的排布和元素周期律原子核外电子的排布和元素周期律3.3 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性第2页，共89页，编辑
2、于2022年，星期二3.1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态一、一、玻尔的原子结构理论玻尔的原子结构理论二、二、电子的玻粒二象性电子的玻粒二象性三、三、玻函数与原子轨道玻函数与原子轨道四、四、概率密度和电子云图形概率密度和电子云图形五、五、四个量子数四个量子数第3页，共89页，编辑于2022年，星期二连续光谱连续光谱（自然界）（自然界）3.1.1 玻尔的原子结构理论玻尔的原子结构理论第4页，共89页，编辑于2022年，星期二连续光谱连续光谱(实验室）实验室）第5页，共89页，编辑于2022年，星期二电磁波连续光谱电磁波连续光谱第6页，共89页，编辑于2022年，星期二氢原子光谱（原子发射光
3、谱）氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量真空管中含少量H2(g)，高压放电，高压放电，发出紫外光和可见光发出紫外光和可见光三棱镜三棱镜不连续的线状光谱不连续的线状光谱第7页，共89页，编辑于2022年，星期二19131913年丹麦物理学家年丹麦物理学家(N.Bohhr)N.Bohhr)在氢原子光谱和普朗克在氢原子光谱和普朗克(M.Planck)(M.Planck)量子理论量子理论的基础上提出了如下假设：的基础上提出了如下假设：原子中的电子只能沿着某些特定的、以原子核为中心、半径和能量都确定原子中的电子只能沿着某些特定的、以原子核为中心、半径和能量都确定的轨道上运动，这些轨道的能量状态不随时
4、间而改变，称为稳定轨道的轨道上运动，这些轨道的能量状态不随时间而改变，称为稳定轨道(或定或定态轨道态轨道)。在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，处在稳定轨道中运动的电子，既在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，处在稳定轨道中运动的电子，既不吸收能量，也不发射能量。电子只有从一个轨道跃迁到另一轨道时，才有不吸收能量，也不发射能量。电子只有从一个轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收和放出。在离核越近的轨道中，电子被原子核束缚越牢，其能量能量的吸收和放出。在离核越近的轨道中，电子被原子核束缚越牢，其能量越低；在离核越远的轨道上，其能量越高。轨道的这些不同的能量状态，称越低；在离核越远的轨道上，其能
5、量越高。轨道的这些不同的能量状态，称为能级。轨道不同，能级也不同。在正常状态下，电子尽可能处于离核较近、为能级。轨道不同，能级也不同。在正常状态下，电子尽可能处于离核较近、能量较低的轨道上运动，这时原子所处的状态称为基态，其余的称为激发态。能量较低的轨道上运动，这时原子所处的状态称为基态，其余的称为激发态。电子从一个定态轨道跳到另一个定态轨道，在这过程中放出或吸收能量，其频电子从一个定态轨道跳到另一个定态轨道，在这过程中放出或吸收能量，其频率与两个定态轨道之间的能量差有关。率与两个定态轨道之间的能量差有关。一、玻尔的原子结构理论一、玻尔的原子结构理论返回第8页，共89页，编辑于2022年，星期
6、二3.1.2 电子的玻粒二象性电子的玻粒二象性 1924 年，法国年轻的物理学家年，法国年轻的物理学家 L.de Broglie (1892 1987)指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。重视其粒子性而忽略了其波动性。光的干涉、衍射等现象说明光具有波动性；而光电效应、光的干涉、衍射等现象说明光具有波动性；而光电效应、光的发射、吸收又说明光具有粒子性。因此光具有波动和粒光的发射、吸收又说明光具
7、有粒子性。因此光具有波动和粒子两重性，称为光的波粒二象性。子两重性，称为光的波粒二象性。返回第9页，共89页，编辑于2022年，星期二光的波粒二象性启发了法国物理学家德布罗意光的波粒二象性启发了法国物理学家德布罗意(de Broglie)，1924年，他提出了一个大胆的假设：认为微观粒子都具有波粒二年，他提出了一个大胆的假设：认为微观粒子都具有波粒二象性；也就是说，微观微粒除具有粒子性外，还具有波的性质，这象性；也就是说，微观微粒除具有粒子性外，还具有波的性质，这种波称为德布罗意波或物质波。种波称为德布罗意波或物质波。1927年，德布罗意的假设经电子年，德布罗意的假设经电子衍射实验得到了完全证
8、实。美国物理学家戴维逊衍射实验得到了完全证实。美国物理学家戴维逊(C.J.Davisson)和和革末革末(L.H.Ge rmer)进行了电子衍射实验，当将一束高速电子流通进行了电子衍射实验，当将一束高速电子流通过镍晶体过镍晶体(作为光栅作为光栅)而射到荧光屏上时，结果得到了和光衍射现象而射到荧光屏上时，结果得到了和光衍射现象相似的一系列明暗交替的衍射环纹，这种现象称为电子衍射。衍射相似的一系列明暗交替的衍射环纹，这种现象称为电子衍射。衍射是一切波动的共同特征，由此充分证明了高速运动的电子流，也具是一切波动的共同特征，由此充分证明了高速运动的电子流，也具有波粒二象性。除光子、电子外，其他微观粒子
9、如：质子、中子等有波粒二象性。除光子、电子外，其他微观粒子如：质子、中子等也具有波粒二象性。也具有波粒二象性。第10页，共89页，编辑于2022年，星期二电子衍射实验示意图电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。似于光波的衍射环纹。感光屏幕感光屏幕薄晶体片薄晶体片衍射环纹衍射环纹电电子子枪枪电电子子束束第11页，共89页，编辑于2022年，星期二 这种具有波粒二象性的微观粒子，其运动状态和宏观物体的运动状这种具有波粒二象性的微观粒子，其运动状态和宏观物体的运动状
10、态不同。例如，导弹、人造卫星等的运动，它在任何瞬间，人们都能态不同。例如，导弹、人造卫星等的运动，它在任何瞬间，人们都能根据经典力学理论，准确地同时测定它的位置和动量；也能精确地预根据经典力学理论，准确地同时测定它的位置和动量；也能精确地预测出它的运行轨道。但是像电子这类微观粒子的运动，由于兼具有波测出它的运行轨道。但是像电子这类微观粒子的运动，由于兼具有波动性，人们在任何瞬间都不能准确地同时测定电子的位置和动量；它动性，人们在任何瞬间都不能准确地同时测定电子的位置和动量；它也没有确定的运动轨道。所以在研究原子核外电子的运动状态时，必也没有确定的运动轨道。所以在研究原子核外电子的运动状态时，必
11、须完全摒弃经典力学理论，而代之以描述微观粒子运动的量子力学理须完全摒弃经典力学理论，而代之以描述微观粒子运动的量子力学理论。论。第12页，共89页，编辑于2022年，星期二三、三、波函数和原子轨道波函数和原子轨道 1926年奥地利物理学家薛定谔年奥地利物理学家薛定谔(E.Schrdinger)把电子运动帮光的波动性理论把电子运动帮光的波动性理论联系起来，提出了描述核外电子运动状态的数学方程，称为薛定谔方程。薛定谔联系起来，提出了描述核外电子运动状态的数学方程，称为薛定谔方程。薛定谔方程把作为粒子物质特征的电子质量方程把作为粒子物质特征的电子质量(m)、位能、位能(V)和系统的总能量和系统的总能
12、量(E)与其运动状与其运动状态的波函数态的波函数()列在一个数学方程式中，即体现了波动性和粒子性的结合。解薛定列在一个数学方程式中，即体现了波动性和粒子性的结合。解薛定谔方程的目的就是求出波函数以及与其相对应的能量谔方程的目的就是求出波函数以及与其相对应的能量E，这样就可了解电子运动的，这样就可了解电子运动的状态和能量的高低。求得状态和能量的高低。求得(x,y,z)的具体函数形式，即为方程的解。它是一个包含的具体函数形式，即为方程的解。它是一个包含三个常数项三个常数项n、l、m和三个变量和三个变量x、y、z的函数式。的函数式。返回第13页，共89页，编辑于2022年，星期二奥地利物理学家奥地利
13、物理学家E.Schrdinger第14页，共89页，编辑于2022年，星期二 从理论上讲，通过解薛定谔方程可得出波函数，但薛定谔方程的许从理论上讲，通过解薛定谔方程可得出波函数，但薛定谔方程的许多解在数学上是合理的，且运算极为复杂，只有满足特定条件的解才有多解在数学上是合理的，且运算极为复杂，只有满足特定条件的解才有物理意义，用来描述核外电子运动状态。为了得到描述电子运动状态的物理意义，用来描述核外电子运动状态。为了得到描述电子运动状态的合理解，必须对三个参数合理解，必须对三个参数n、l、m按一定的规律取值。这三个函数，分按一定的规律取值。这三个函数，分别称为主量子数、角量子数和磁量子数。别称
14、为主量子数、角量子数和磁量子数。求解方程得出的不是一个具体数值，而是用空间坐标求解方程得出的不是一个具体数值，而是用空间坐标(x,y,z)来描述波函数的数来描述波函数的数学函数式，一个波函数就表示原子核外电子的一种运动状态并对应一定的能量学函数式，一个波函数就表示原子核外电子的一种运动状态并对应一定的能量值，所以波函数也称原子轨道。但这里所说的原子轨道和宏观物体固定轨道的值，所以波函数也称原子轨道。但这里所说的原子轨道和宏观物体固定轨道的含义不同，它只是反映了核外电子运动状态表现出的波动性和统计性规律。含义不同，它只是反映了核外电子运动状态表现出的波动性和统计性规律。为了方便，解方程时一般先将
15、空间坐标为了方便，解方程时一般先将空间坐标(x,y,z)转换成球坐标转换成球坐标(r，)，而后把，而后把(r，)分解为用分解为用r表示的径向分布函数表示的径向分布函数R(r)和仅包含角和仅包含角度变量和的角度分布函数度变量和的角度分布函数Y(，)。r为电子与原子核间的距离，为电子与原子核间的距离，和和 代表角代表角度。由于度。由于 的角度分布与主量子数的角度分布与主量子数l无关，且无关，且l相同时，其角度分布图总是相同时，其角度分布图总是一样的。在下章讨论成键问题时，角度分布图有直接应用，故比较一样的。在下章讨论成键问题时，角度分布图有直接应用，故比较重要。图重要。图3-1为某些原子轨道的角度
16、分布图，图中的为某些原子轨道的角度分布图，图中的“+”、“-”号表示波函数的正、负值。号表示波函数的正、负值。第15页，共89页，编辑于2022年，星期二第16页，共89页，编辑于2022年，星期二四、概率密度和电子云图形四、概率密度和电子云图形 按照量子力学的观点，原子核外的电子并不是在一定的轨道上运动，而按照量子力学的观点，原子核外的电子并不是在一定的轨道上运动，而是在原子核周围空间作调整复杂运动，它的运动规律是符合统计性的。对于是在原子核周围空间作调整复杂运动，它的运动规律是符合统计性的。对于电子的运动，我们只能用统计的方法，给出概率的描述。即我们不知道每一电子的运动，我们只能用统计的方
17、法，给出概率的描述。即我们不知道每一个电子运动的具体途径，但从统计的结果却可以知道某种运动状态的电子在个电子运动的具体途径，但从统计的结果却可以知道某种运动状态的电子在哪一个空间出现的概率最大。电子在核外空间各处出现的概率大小，称为概哪一个空间出现的概率最大。电子在核外空间各处出现的概率大小，称为概率密度。为了形象地表示电子在原子中的概率密度分布情况，常用密度不同率密度。为了形象地表示电子在原子中的概率密度分布情况，常用密度不同的小黑点来表示，这种图形称为电子云。黑点较密的地方，表示电子出现的的小黑点来表示，这种图形称为电子云。黑点较密的地方，表示电子出现的概率密度较大；黑点较稀疏处，表示电子
18、出现的概率密度较小。氢原子概率密度较大；黑点较稀疏处，表示电子出现的概率密度较小。氢原子1s电电子云如图所示，从图中可见，氢原子子云如图所示，从图中可见，氢原子1s电子云呈球形对称分布，且电子的概电子云呈球形对称分布，且电子的概率密度随离核距离的增大而减小。率密度随离核距离的增大而减小。第17页，共89页，编辑于2022年，星期二1s2s2p四、概率密度和电子云图形四、概率密度和电子云图形第18页，共89页，编辑于2022年，星期二 电子在核外空间出现的概率密度和波函数电子在核外空间出现的概率密度和波函数 的平方成正比，也即的平方成正比，也即表示为电子在原子核外空间某点附近微体积出现的概率。表
19、示为电子在原子核外空间某点附近微体积出现的概率。类似于作原子轨道分布图，也可以作出电子云的角度分布图类似于作原子轨道分布图，也可以作出电子云的角度分布图(见图见图3-3)。四、概率密度和电子云图形四、概率密度和电子云图形返回第19页，共89页，编辑于2022年，星期二s，p，d电子云角度分布剖面图电子云角度分布剖面图 两种图形基本相似，两种图形基本相似，但有两点区别：但有两点区别：原子轨道的角原子轨道的角度分布图带有正、负度分布图带有正、负号，而电子云的角度号，而电子云的角度分布图均为正值，通分布图均为正值，通常不标出；常不标出；电子云角度分布电子云角度分布图形比较图形比较“瘦瘦”些。些。第2
20、0页，共89页，编辑于2022年，星期二五、五、四个量子数四个量子数(重点重点)四个量子数在量子力学中用来描述原子内核外电子运动的状态四个量子数在量子力学中用来描述原子内核外电子运动的状态(或分布情况或分布情况)，根据量子力学处理，根据量子力学处理结果和有关实验表明，对原子核外电子的运动状态采用四个量子数来描述才较为合理。结果和有关实验表明，对原子核外电子的运动状态采用四个量子数来描述才较为合理。1主量子数主量子数(n)主量子数是描述核外电子距离核的远近，电子离核由近到远分别用数值主量子数是描述核外电子距离核的远近，电子离核由近到远分别用数值n=1,2,3,有限的整数来表示，而且，主量子数决定
21、了原子轨道能级的高低，有限的整数来表示，而且，主量子数决定了原子轨道能级的高低，n越大，电子的能级越大，能量越高。越大，电子的能级越大，能量越高。n是决定电子能量的主要量子数。是决定电子能量的主要量子数。n相同，相同，原子轨道能级相同。一个原子轨道能级相同。一个n值表示一个电子层，与各值表示一个电子层，与各n值相对应的电子值相对应的电子层符号如下：层符号如下：n n1 12 23 34 45 56 67 7电电子子层层名称名称第一第一层层第二第二层层第三第三层层第四第四层层第五第五层层第六第六层层第七第七层层电电子子层层符号符号K KL LM MN NO OP PQ Q返回第21页，共89页，
22、编辑于2022年，星期二（2）角量子数角量子数()在同一电子层内，电子的能量也有所差别，运动状态也有在同一电子层内，电子的能量也有所差别，运动状态也有所不同，即一个电子层还可分为若干个能量稍有差别、原子所不同，即一个电子层还可分为若干个能量稍有差别、原子轨道形状不同的亚层。角量子数就是用来描述原子轨道或电轨道形状不同的亚层。角量子数就是用来描述原子轨道或电子云的形态的。的数值不同，原子轨道或电子云的形状就不子云的形态的。的数值不同，原子轨道或电子云的形状就不同，的取值受的限制，可以取从同，的取值受的限制，可以取从0到到n-1的正整数。的正整数。n n1 12 23 34 4l l0 00 0，
23、1 10 0，1 1，2 20 0，1 1，2 2，3 3第22页，共89页，编辑于2022年，星期二 每个值代表一个亚层。第一电子层只有一个亚层，第二电子每个值代表一个亚层。第一电子层只有一个亚层，第二电子层有两个亚层，以此类推。亚层用光谱符号等表示。角量子数、层有两个亚层，以此类推。亚层用光谱符号等表示。角量子数、亚层符号及原子轨道形状的对应关系如下：亚层符号及原子轨道形状的对应关系如下：l1 12 23 34 4亚层亚层符号符号s sp pd df f原子原子轨轨道或道或电电子云形状子云形状圆圆球形球形哑铃哑铃形形花瓣形花瓣形花瓣形花瓣形第23页，共89页，编辑于2022年，星期二磁量子
24、数磁量子数m取值受角量子数取值受角量子数l的影响的影响，对于给定的，对于给定的l，m可取：可取：0，1，2，3，l，共共2 l +1个个值。值。如如l=3，则，则m=0，1，2，3，共共7个值。个值。m决定原子轨道的空间取向决定原子轨道的空间取向。n和和l一定的轨道，如一定的轨道，如2p轨道轨道（n=2，l=1）在空间有三种不同的取向。）在空间有三种不同的取向。（3）磁量子数磁量子数(m)第24页，共89页，编辑于2022年，星期二每一种每一种m的取值，对应一种空间取向。的取值，对应一种空间取向。zyxm的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不影响能的不同取值，或者说原子轨道的不同空间
25、取向，一般不影响能量。量。3种不同取向的种不同取向的2p轨道能量相同。我们说这轨道能量相同。我们说这3个原子轨道是能量简个原子轨道是能量简并轨道，或者说并轨道，或者说2p轨道是轨道是3重简并的。重简并的。而而3d则有则有5种不同的空间取向，种不同的空间取向，3d 轨道是轨道是5重简并的。重简并的。分别为。分别为。第25页，共89页，编辑于2022年，星期二 通常把通常把n、l、m都确定的电子运动状态称原子轨道，都确定的电子运动状态称原子轨道，因此因此s亚层只有一个原子轨道，亚层只有一个原子轨道，p亚层有亚层有3个原子轨道，个原子轨道，d亚层有亚层有5个原子轨道，个原子轨道，f亚层有亚层有7个原
26、子轨道。磁量子数不个原子轨道。磁量子数不影响原子轨道的能量，影响原子轨道的能量，n、l都相同的几个原子轨道能量是都相同的几个原子轨道能量是相同的，这样的轨道称等价轨道或简并轨道。例如相同的，这样的轨道称等价轨道或简并轨道。例如l相同的相同的3个个p轨道、轨道、5个个d轨道、轨道、7个个f轨道都是简并轨道。轨道都是简并轨道。n，l和和m的关系见表的关系见表3-1。第26页，共89页，编辑于2022年，星期二电子既有围绕原子核的旋转运动，也有自身的旋转，称为电子的自旋。电子既有围绕原子核的旋转运动，也有自身的旋转，称为电子的自旋。ms的取值只有两个，的取值只有两个，+1/2和和1/2。电子的自旋方
27、式只有两种，通常用。电子的自旋方式只有两种，通常用“”和和“”表示。表示。所以所以ms也是量子化的。也是量子化的。自旋量子数自旋量子数为为ms。所以，所以，描述一个电子的运动状态，要用四个量子数描述一个电子的运动状态，要用四个量子数：n，l，m，ms同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。（4）自旋量子数自旋量子数ms第27页，共89页，编辑于2022年，星期二例例:用四个量子数描述用四个量子数描述n=4，l=3的所有电子的运动状态。的所有电子的运动状态。解：解：l=3对应的有对应的有m=0，1，2，3，共共7个值。个值。即有即有7条
28、轨道。每条条轨道。每条轨道中容纳两个自旋量子数分别为轨道中容纳两个自旋量子数分别为+1/2和和1/2的自旋方向相反的电子，所以有的自旋方向相反的电子，所以有2 7=14个运动状态不同的电子。分别用个运动状态不同的电子。分别用n，l，m，ms描述如下：描述如下：n，l，m，ms4301/24311/24311/24321/24321/24331/24331/2n，l，m，ms4301/24311/24311/24321/24321/24331/24331/2第28页，共89页，编辑于2022年，星期二在四个量子数中，在四个量子数中，n、l、m三个量子数可确定电子的原子轨道；三个量子数可确定电子的
29、原子轨道；n、l两个量子数可确两个量子数可确定电子的能级；定电子的能级；n这一个量子数只能确定电子的电子层。这一个量子数只能确定电子的电子层。表3-1 n、l和m的关系16941电子亚层轨道数n275315 31311亚层轨道数(2l+1)0000000000磁量子数(m)4f4d4p4s3d3p3s2p2s1s电子亚层符号3210210100角量子数(l)NMLK电子层符号4321主量子数(n)第29页，共89页，编辑于2022年，星期二 3.2 核外电子的排布和元素周期律核外电子的排布和元素周期律一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级二、核外电子的排布的原则二、核外电子的排布的原则三、原
30、子的电子层结构和元素周期系三、原子的电子层结构和元素周期系第30页，共89页，编辑于2022年，星期二一、多电子原子轨道的能级一、多电子原子轨道的能级 在多电子原子中，由于电子间的相互排斥作用，原子在多电子原子中，由于电子间的相互排斥作用，原子轨道能级关系较为复杂。轨道能级关系较为复杂。1939年鲍林年鲍林(L.Pauling)根据光根据光谱实验结果总结出多电子原子中各原子轨道能级的相对高谱实验结果总结出多电子原子中各原子轨道能级的相对高低的情况，并用图近似地表示出来，称为鲍林近似能级图低的情况，并用图近似地表示出来，称为鲍林近似能级图(图图3-4)。返回 第31页，共89页，编辑于2022年
31、，星期二能量能量1s2s2p3s3p4s4p3d5s5p4d6s6p5d4f组内能级间能量差小，组内能级间能量差小，能级组间能量差大能级组间能量差大每个每个代表一个原子轨道代表一个原子轨道p三重简并三重简并d五重简并五重简并f七重简并七重简并7s7p6d5f第32页，共89页，编辑于2022年，星期二所有的原子轨道，共分成七个所有的原子轨道，共分成七个能级组能级组第一组第一组 1s第二组第二组2s 2p第三组第三组3s 3p第四组第四组4s 3d 4p第五组第五组5s 4d 5p第六组第六组6s 4f 5d 6p第七组第七组7s 5f 6d 7p其中除第一能级组只有其中除第一能级组只有一个能级
32、外，其余各能级组一个能级外，其余各能级组均以均以ns 开始，以开始，以np 结束。结束。各能级组之间的能量高各能级组之间的能量高低次序，以及能级组中各能低次序，以及能级组中各能级之间的能量高低次序，在级之间的能量高低次序，在下页的图示中说明。下页的图示中说明。图中圆圈表示原子轨道，其位置的高低表示各轨道能级的相对图中圆圈表示原子轨道，其位置的高低表示各轨道能级的相对高低，图中每一个虚线方框中的几个轨道的能量是相近的，称为一高低，图中每一个虚线方框中的几个轨道的能量是相近的，称为一个能级组。相邻能级组之间能量相差比较大。每个能级组个能级组。相邻能级组之间能量相差比较大。每个能级组(除第一除第一能
33、级组外能级组外)都是从能级开始，于能级终止。能级组数等于核外电子都是从能级开始，于能级终止。能级组数等于核外电子层数。能级组的划分与周期表中周期的划分是一致的。层数。能级组的划分与周期表中周期的划分是一致的。第33页，共89页，编辑于2022年，星期二从鲍林近似能级图可以看出：从鲍林近似能级图可以看出：(1)同一原子中的同一电子层内，各亚层之间的能量次序为同一原子中的同一电子层内，各亚层之间的能量次序为 (2)同一原子中的不同电子层内，相同类型亚层之间的能量次序为同一原子中的不同电子层内，相同类型亚层之间的能量次序为(3)同一原子中第三层以上的电子层中，不同类型的亚层之间，在能级组中常出现能同
34、一原子中第三层以上的电子层中，不同类型的亚层之间，在能级组中常出现能级交错现象，如：级交错现象，如：第34页，共89页，编辑于2022年，星期二对于鲍林近似能级图，需要注意以下几点：对于鲍林近似能级图，需要注意以下几点：(1)它只有近似的意义，不可能完全反映出每个原子轨道能级它只有近似的意义，不可能完全反映出每个原子轨道能级的相对高低。的相对高低。(2)它只能反映同一原子内各原子轨道能级的相对高低，不它只能反映同一原子内各原子轨道能级的相对高低，不能用鲍林近似能级图来比较不同元素原子轨道能级的相能用鲍林近似能级图来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。对高低。(3)该图实际上只能反映出同一原子外
35、电子层中原子轨道能该图实际上只能反映出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中原子轨级的相对高低，而不一定能完全反映内电子层中原子轨道能级的相对高低。道能级的相对高低。(4)电子在某一轨道上的能量，实际上与原子序数电子在某一轨道上的能量，实际上与原子序数(核电核电荷数荷数)有关。核电荷数越大，对电子的吸引力越大，电有关。核电荷数越大，对电子的吸引力越大，电子离核越近，轨道能量就降得越低。轨道能级之间的子离核越近，轨道能量就降得越低。轨道能级之间的相对高低情况，与鲍林近似能级图会有所不同。相对高低情况，与鲍林近似能级图会有所不同。第35页，共89页，编辑于2022年
36、，星期二二、基态原子中电子的排布二、基态原子中电子的排布1基态原子中电子的排布原理基态原子中电子的排布原理 根据光谱实验结果和量子力学理论，核外电子排布服从以下原则：根据光谱实验结果和量子力学理论，核外电子排布服从以下原则：(1)(1)能量最低原理能量最低原理 自然界中任何体系自然界中任何体系总总是能量越低，所是能量越低，所处处的状的状态态越越稳稳定，定，这这个个规规律称律称为为能量最低原理。原子核外能量最低原理。原子核外电电子的排布也遵循子的排布也遵循这这个原理。所以，随着原子序数的个原理。所以，随着原子序数的递递增，增，电电子子总总是是优优先先进进入能量最低的入能量最低的能能级级，可依，可
37、依鲍鲍林近似能林近似能级图级图逐逐级级填入。填入。(如如图图3-5)3-5)。但要注意的是基。但要注意的是基态态原子失去外原子失去外层电层电子的子的顺顺序序为为，和填充时的并不对应。基基态态原子外原子外层电层电子填充子填充顺顺序序为为和填充和填充时时的并不的并不对应对应。返回 第36页，共89页，编辑于2022年，星期二基态原子外层电子填充顺序基态原子外层电子填充顺序例：K的原子序数为19 不符合能量最低原理二、基态原子中电子的排布二、基态原子中电子的排布第37页，共89页，编辑于2022年，星期二(2)泡利不相容原理泡利不相容原理 1929年，奥地利科学家泡利年，奥地利科学家泡利()提提出：
38、在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的出：在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的2个电子，个电子，即每个轨道最多只能容纳即每个轨道最多只能容纳2个自旋方向相反的电子。应用泡利个自旋方向相反的电子。应用泡利不相容原理，可以推算出每一电子层上的最大容量为不相容原理，可以推算出每一电子层上的最大容量为 2n2 。(3)洪德规则洪德规则 德国科学家洪德根据大量光谱实验数据提出：德国科学家洪德根据大量光谱实验数据提出：在同一亚层的等价轨道上，电子将尽可能占据不同的轨道，且在同一亚层的等价轨道上，电子将尽可能占据不同的轨道，且自旋方向相同。自旋方向相同。此外，洪德根据光谱实验，又总结出另一条规则：等价
39、轨道在全充此外，洪德根据光谱实验，又总结出另一条规则：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态下是比较满、半充满或全空的状态下是比较a稳定的。即：稳定的。即：第38页，共89页，编辑于2022年，星期二2.基态原子中电子的排布基态原子中电子的排布 根据上述三条原理、规则，就可以确定大多数元素的基态原根据上述三条原理、规则，就可以确定大多数元素的基态原子中电子的排布情况。电子在核外的排布常称为电子层构型子中电子的排布情况。电子在核外的排布常称为电子层构型(简简称电子构型称电子构型)通常有三种表示方法：通常有三种表示方法：(1)电子排布式电子排布式 按电子在原子核外各亚层中分布的情况，按电子在原子核外
40、各亚层中分布的情况，在亚层符号的右上角注明排列的电子数。例如：在亚层符号的右上角注明排列的电子数。例如：其电子排其电子排布式为布式为 ；又如：；又如：其电子排布式为其电子排布式为 。第39页，共89页，编辑于2022年，星期二 由于参加化学反应的只是原子的外层电子，内层电子结构一般是不变的，因由于参加化学反应的只是原子的外层电子，内层电子结构一般是不变的，因此，可以用此，可以用“原子实原子实”来表示原子的内层电子结构。当内层电子构型与稀有气体来表示原子的内层电子结构。当内层电子构型与稀有气体的电子构型相同时，就用该稀有气体的元素符号来表示原子的内层电子构型，并的电子构型相同时，就用该稀有气体的
41、元素符号来表示原子的内层电子构型，并称之为原子实。如以上两例的电子排布也可简写成：称之为原子实。如以上两例的电子排布也可简写成：又例如铬和铜原子核外电子的排布式，根据洪德规则的特例：又例如铬和铜原子核外电子的排布式，根据洪德规则的特例：第40页，共89页，编辑于2022年，星期二而是而是为为全充全充满满，为为半充半充满满。都都为为半充半充满满。第41页，共89页，编辑于2022年，星期二(2)轨道表示式轨道表示式 按电子在核外原子轨道中的分布情况，用一个圆圈或一个方格表示一个按电子在核外原子轨道中的分布情况，用一个圆圈或一个方格表示一个原子轨道原子轨道(简并轨道的圆圈或方格连在一起简并轨道的圆
42、圈或方格连在一起)，用向上或向下箭头表示电子的自旋状态。，用向上或向下箭头表示电子的自旋状态。例如：例如：第42页，共89页，编辑于2022年，星期二(3)用量子数表示用量子数表示 即按所处的状态用整套量子数表示。原子即按所处的状态用整套量子数表示。原子核外电子的运动状态是由四个量子数确定的，为此可表示如核外电子的运动状态是由四个量子数确定的，为此可表示如下：下：则则这这2 2个个电电子用整套量子数表示子用整套量子数表示为为3,03,0，0 0，这这3 3个个电电子用整套量子数表示子用整套量子数表示为为3,13,1，0,;0,;3,13,1，1,1,3,13,1，-1-1，;第43页，共89页
43、，编辑于2022年，星期二 表表3-2列出了由光谱实验数据得到的原子序列出了由光谱实验数据得到的原子序数数1109各元素基态原子中的电子排布情况。各元素基态原子中的电子排布情况。其中绝大多数元素的电子排布与上节所述的排其中绝大多数元素的电子排布与上节所述的排布原则是一致的，但也有少数不符合。对此，布原则是一致的，但也有少数不符合。对此，必须尊重事实，并在此基础上去探求更符合实必须尊重事实，并在此基础上去探求更符合实际的理论解释。际的理论解释。第44页，共89页，编辑于2022年，星期二第45页，共89页，编辑于2022年，星期二第46页，共89页，编辑于2022年，星期二第47页，共89页，编
44、辑于2022年，星期二第48页，共89页，编辑于2022年，星期二第49页，共89页，编辑于2022年，星期二第50页，共89页，编辑于2022年，星期二三、原子的电子结构和元素周期律从表从表3-2可见，元素的电子排布呈周期性变化，这种周可见，元素的电子排布呈周期性变化，这种周期性京华导致元素的性质也呈现周期性变化。这一规律期性京华导致元素的性质也呈现周期性变化。这一规律称为元素周期律，元素周期律的图表形式称为称为元素周期律，元素周期律的图表形式称为元素周期元素周期表表，见表，见表3-3。返回 第51页，共89页，编辑于2022年，星期二1周期与能级组周期与能级组 周期表中有周期表中有7个横行
45、，每个横行表示个横行，每个横行表示1个周期，一共有个周期，一共有7个个周期。第周期。第1周期只有周期只有2种元素，为特短周期；第种元素，为特短周期；第2、3周期各有周期各有8种元素，为短周期；第种元素，为短周期；第4、5周期各有周期各有18种元素，为长周期；种元素，为长周期；第第6周期有周期有32种元素，为特长周期；第种元素，为特长周期；第7周期预测有周期预测有32种元素，种元素，现只有现只有26种元素，故称为不完全周期。种元素，故称为不完全周期。第第7周期中，从铹以后的元素都是人工合成元素周期中，从铹以后的元素都是人工合成元素(104112)。根据稳定性，电子层结构稳定性和元素性质递变的规律
46、，我国科根据稳定性，电子层结构稳定性和元素性质递变的规律，我国科学家预言，元素周期表可能存在的上限在第学家预言，元素周期表可能存在的上限在第8周期周期(119168号号)，大约在大约在138号终止。号终止。第52页，共89页，编辑于2022年，星期二 将元素周期表与原子的电子结构、原子轨道近似能级图进行将元素周期表与原子的电子结构、原子轨道近似能级图进行对照分析，可以看出：对照分析，可以看出：(1)各周期的元素数目与其相对应的能级组中的电子数目各周期的元素数目与其相对应的能级组中的电子数目相一致，而与各层的电子数目并不相同相一致，而与各层的电子数目并不相同(第第1周期和第周期和第2周期周期除外
47、除外)。(2)每一周期开始都出现一个新的电子层，元素原子的电子每一周期开始都出现一个新的电子层，元素原子的电子层数就等于该元素在周期表所处的周期数。也就是说，原子的层数就等于该元素在周期表所处的周期数。也就是说，原子的最外层的主量子数与该元素所在的周期数相等。最外层的主量子数与该元素所在的周期数相等。第53页，共89页，编辑于2022年，星期二 (3)每一周期中的元素随着原子序数的递增，总是从活泼的碱金每一周期中的元素随着原子序数的递增，总是从活泼的碱金属开始属开始(第第1周期除外周期除外)，逐渐过渡到稀有气体为止。对应于其电子，逐渐过渡到稀有气体为止。对应于其电子结构的能级组则从开始至结束，
48、如此周期性地重复出现。在长周期结构的能级组则从开始至结束，如此周期性地重复出现。在长周期或特长周期中，其电子层结构还夹着亚层。或特长周期中，其电子层结构还夹着亚层。由此充分证明，元素性质的周期性变化，是元素的原子由此充分证明，元素性质的周期性变化，是元素的原子核外电子排布周期性变化的结果。核外电子排布周期性变化的结果。第54页，共89页，编辑于2022年，星期二2族和价电子构型族和价电子构型 价电子是指原子参加化学反应时，能用于成键的电子。价电价电子是指原子参加化学反应时，能用于成键的电子。价电子所在的亚层统称为价电子层，简称价层。原子的价电子构型子所在的亚层统称为价电子层，简称价层。原子的价
49、电子构型是指价层电子的排布式，它能反映出该元素原子在电子层结构是指价层电子的排布式，它能反映出该元素原子在电子层结构上的特征。上的特征。周期表中的纵行，称为族，一共有周期表中的纵行，称为族，一共有18个纵行，分为个纵行，分为8个主个主(A)族和族和8个副个副(B)族。同族元素虽然电子层数不同，但价电子构型基本相同族。同族元素虽然电子层数不同，但价电子构型基本相同(少数除外少数除外)，所以原子价电子构型相同是元素分族的实质。，所以原子价电子构型相同是元素分族的实质。第55页，共89页，编辑于2022年，星期二 (1)主族元素主族元素 周期表中共有周期表中共有8个主族，表示为个主族，表示为 AA。
50、凡原子核外最后一个电子填入或亚层上的元素，都是。凡原子核外最后一个电子填入或亚层上的元素，都是主族元素。其价电子构型，价电子总数等于其族数。由于同一族主族元素。其价电子构型，价电子总数等于其族数。由于同一族中各元素原子核外电子层数从上到下递增，因此同族元素的化学中各元素原子核外电子层数从上到下递增，因此同族元素的化学性质具有递变性。性质具有递变性。A族为稀有气体。这些元素原子的最外层族为稀有气体。这些元素原子的最外层(nsnp)上电上电子都已填满，价电子构型为子都已填满，价电子构型为ns2或或ns2np6，因此它们的化学性，因此它们的化学性质很不活泼，过去曾称为零族或惰性气体。质很不活泼，过去