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1、第六讲原子结构与周期系本讲稿第一页，共五十二页物质的宏观性质都由其微观结构决定。物质的宏观性质都由其微观结构决定。化学是研究原子间的化合与分解的科学。化学运化学是研究原子间的化合与分解的科学。化学运动的物质承担者是原子，通过原子间的化合与分动的物质承担者是原子，通过原子间的化合与分解而实现物质的转化。解而实现物质的转化。本讲稿第二页，共五十二页光光波波的的能能量量式中：式中：h 为普朗克常数：为普朗克常数：h=6.6310-34JS为光波频率。为光波频率。光的频率越大，即波长越小，能量越高。光的频率越大，即波长越小，能量越高。普朗克量子化理论：普朗克量子化理论：物质辐射能（电磁能、光子）的吸收
2、或发射是不连续的，是以最小能量单位量子整数倍作跳跃式的增或减。量子量子的能量为的能量为 E=h变化总能量为变化总能量为 E=nh本讲稿第三页，共五十二页连连续续光光谱谱本讲稿第四页，共五十二页9-1核外电子运动的特征核外电子运动的特征一、量子化特性一、量子化特性二、波粒二象性二、波粒二象性三、测不准原理三、测不准原理本讲稿第五页，共五十二页证明了：原子中电子运动的能量是不连续，证明了：原子中电子运动的能量是不连续，具有量子化特性。具有量子化特性。原子光谱原子光谱都是具有自己特征的不连续光谱，都是具有自己特征的不连续光谱，即线状光谱，具有量子化特征。即线状光谱，具有量子化特征。一、量子化特性一、
3、量子化特性本讲稿第六页，共五十二页氢原子可见光谱氢原子可见光谱本讲稿第七页，共五十二页原子可见光谱原子可见光谱本讲稿第八页，共五十二页通常电子尽可能处于能量最低的轨道上运动通常电子尽可能处于能量最低的轨道上运动(基态基态)，当从外界获取能量时电子被激发到高能级（，当从外界获取能量时电子被激发到高能级（E2）的）的轨道上运动轨道上运动(激发态激发态)，激发态不稳定，会跃迁到低能，激发态不稳定，会跃迁到低能级（级（E1）轨道上运动。释放的光子频率）轨道上运动。释放的光子频率 电子能级量子化特性电子能级量子化特性本讲稿第九页，共五十二页二、波粒二象性二、波粒二象性1924年，德布罗意德布罗意预言：实
4、物微粒具有波粒二象性。实物微粒具有波粒二象性。电子：电子：m=9.110-31kgv106m/s=0.73nm1927年，戴维逊等用电子衍射实验电子衍射实验证明了电子运动与光一样具有波动性。衍射图见P145。本讲稿第十页，共五十二页1000次连续射击，有次连续射击，有500次中十环，次中十环，250次中九次中九环，环，。则说中十环的机会是。则说中十环的机会是50%或或0.5，中，中九环的机会是九环的机会是25%或或0.25，。这种这种“机会机会”的百分数或小数叫的百分数或小数叫概率概率。例例本讲稿第十一页，共五十二页对于电子衍射图，从波的观点看，衍射强度大对于电子衍射图，从波的观点看，衍射强度
5、大（亮）之处就是波的振幅大；而从粒子的行为看，（亮）之处就是波的振幅大；而从粒子的行为看，衍射强度大的地方，入射到那里的电子数目就多，衍射强度大的地方，入射到那里的电子数目就多，电子出现的概率密度大。相反，衍射强度小的地方，电子出现的概率密度大。相反，衍射强度小的地方，入射到那里的电子数目就少，电子出现的概率密度入射到那里的电子数目就少，电子出现的概率密度小。小。即：在空间某一点上，电子波的强度跟电子出即：在空间某一点上，电子波的强度跟电子出现的概率成正比。现的概率成正比。用统计方法分析电子衍射实验：用统计方法分析电子衍射实验：注注：衍射强度即为振幅绝对值的平方：衍射强度即为振幅绝对值的平方本
6、讲稿第十二页，共五十二页三、测不准原理三、测不准原理在量子世界，测量过程本身将不可避免地给我们要测在量子世界，测量过程本身将不可避免地给我们要测量的物体造成一个显著的量的物体造成一个显著的扰动扰动。而且，即使在原则上，。而且，即使在原则上，我们也完全没有办法把这一扰动减小到零。对于微观我们也完全没有办法把这一扰动减小到零。对于微观物体来说，这样的扰动是无法忽略的。物体来说，这样的扰动是无法忽略的。海森堡因发现测不准原理获得了1932年诺贝尔物理学奖。本讲稿第十三页，共五十二页测不准原理测不准原理对微观粒子（电子、原子等）的运动状态，只能用统对微观粒子（电子、原子等）的运动状态，只能用统计的方法
7、做出计的方法做出概率性（出现的机会）的描述概率性（出现的机会）的描述，而不，而不能用经典力学的固定轨道来描述。能用经典力学的固定轨道来描述。本讲稿第十四页，共五十二页测不准原理数学表达式测不准原理数学表达式但但微观粒子微观粒子，m 非常小，则其位置与速度不非常小，则其位置与速度不能同时准确测定能同时准确测定对于对于宏观物体宏观物体，m 大，不确定因素非常小，能大，不确定因素非常小，能准确的定出物质的运动轨迹。准确的定出物质的运动轨迹。本讲稿第十五页，共五十二页物质世界是一个不确定的世界，不管是微观世界还是宏观世界，我们将应坚决主张，必须进一步远离对自然的决定论的描述，并采用一种统计的随机描述。
8、伊普里高津本讲稿第十六页，共五十二页ErwinSchrodinger奥地利物理学家奥地利物理学家9-2核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述量子力学原子模型量子力学原子模型电子的运动状态用波函数电子的运动状态用波函数（用符号（用符号 表示）来描述。表示）来描述。电子波：电子波：(x,y,z)或或 (r,)波函数具体数学表达形式及波函数具体数学表达形式及其对应的能量值通过其对应的能量值通过解薛定解薛定谔方程谔方程得到。得到。本讲稿第十七页，共五十二页一、薛定谔方程一、薛定谔方程Laplace 算符 量子力学中描述核外电子在空间运动的数量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即学函数式
9、，即原子轨道原子轨道E轨道能量（动能与势能总和轨道能量（动能与势能总和）势能算符，势能算符，m微粒质量，微粒质量，h普朗克常数普朗克常数x,y,z为微粒的空间坐标为微粒的空间坐标本讲稿第十八页，共五十二页将直角坐标转换为球极坐标后解薛定谔方程解薛定谔方程。解薛定谔方程可得到一系列的数学解波函数 ，但并不是所有的解都是合理的，为了得到 核外电子运动状态合理的解，要求一些物理量必 须是量子化的，从而引进了三个量子数量子数n,l,m。解薛定谔方程，可解出对应一组解薛定谔方程，可解出对应一组n,l,m 的的波函数波函数n,l,m(r,)及其相应的能量及其相应的能量E n,l 。不是一个具体的数值，而是
10、用空间坐标（r,)描述概率波的数学函数数学函数。n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)径向部分 角向部分二、波函数和原子轨道二、波函数和原子轨道(轨函轨函)（了解）（了解）本讲稿第十九页，共五十二页三、四个量子数三、四个量子数1、主量子数、主量子数n (电子层电子层)n=1,2,3,4正整数正整数，它决定电子离核的远近离核的远近和能级能级。如单电子原子的能级方程为：如单电子原子的能级方程为：本讲稿第二十页，共五十二页2、角量子数、角量子数l (电子亚层电子亚层)l=0,1,2(n-1)分别以分别以s(l=0),p(l=1),d,f表示相应的轨道。表示相应的轨道。确定原子轨道和电子
11、云的形状。确定原子轨道和电子云的形状。在多电子原子中，在多电子原子中，l 是决定电子能量的另一是决定电子能量的另一因素。同层电子，因素。同层电子，l 越大，能量越高。越大，能量越高。Ens Enp End Enf。本讲稿第二十一页，共五十二页 n 值值 l 取值取值l 值值轨道符号轨道符号轨道形状轨道形状100s球形对称球形对称20,11p哑铃形哑铃形30,1,22d花瓣形花瓣形40,1,2,33fn0,1,2,3,(n-1)l 与与n 的取值关系、轨道符号和形状的取值关系、轨道符号和形状l=0,1,2(n-1)本讲稿第二十二页，共五十二页m 描述原子轨道在空间的伸展方向伸展方向。一种取向相当
12、于一个轨道，共可取2l+1个数值。n 和 l 相同，m 不同的轨道其能级相同，称为等价轨道等价轨道或简并轨道简并轨道。3、磁量子数、磁量子数mm=0,1,2,3.l(ml)本讲稿第二十三页，共五十二页 l 值值 m 取值取值轨道取向轨道取向l=0s 轨道轨道m=0只有一种取向，无方向性只有一种取向，无方向性sl=1p 轨道轨道m=+1,0,-1三种取向，三个等价轨道三种取向，三个等价轨道Px,Py,Pzl=2d 轨道轨道m=+2,+1,0,-1,-2五种取向，五个等价轨道五种取向，五个等价轨道dxy,dxz,dyz,dx2-y2,dz2m 与与 l 的关系的关系m=0,1,2,3.l本讲稿第二
13、十四页，共五十二页4自旋磁量子数自旋磁量子数msms表示同一轨道中电子的二种自旋状态表示同一轨道中电子的二种自旋状态。通常用通常用表示顺时针和逆时针。表示顺时针和逆时针。原子中每个电子的运动状态可用四个量子数原子中每个电子的运动状态可用四个量子数(n,l,m,ms)来描述来描述四个量子数取值的相互限制关系四个量子数取值的相互限制关系 ln，ml，ms1/2本讲稿第二十五页，共五十二页核外电子运动的可能状态数核外电子运动的可能状态数 n l(ln)轨道符号轨道符号（能级）（能级）m (ml)轨道数轨道数各电子层各电子层轨道数轨道数（n2）最多状态数最多状态数（电子数）（电子数）（2n2）1 0
14、1s 0 1 1 2 2 0 1 2s 2p 0 +1,0,-1 1 3 4 8 3 0 1 2 3s 3p 3d 0 +1,0,-1 +2,+1,0,-1,-2 1 3 5 9 18 4 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 +1,0,-1 +2,+1,0,-1,-2+3,+2,+1,0,-1,-2,-3 1 3 5 7 16 32注注：见：见P148本讲稿第二十六页，共五十二页(1)n=2,l=1,m=0,ms=+1/2(2)n=3,l=3,m=2,ms=-1/2(3)n=3,l=2,m=2,ms=+1/2(4)n=4,l=2,m=3,ms=+1/2(5)n=2,l=1,m=1,ms
15、=-1 例例 下列各组用四个量子数描述的核外电子运动状态是下列各组用四个量子数描述的核外电子运动状态是否合理？为什么？否合理？为什么？合理。2p 能级不合理。因取值ln。合理。3d 能级不合理。因取值ml。不合理。因ms只能取1/2本讲稿第二十七页，共五十二页四、原子轨道和电子云的空间形状四、原子轨道和电子云的空间形状波函数表达式：波函数表达式：n,l,m(r,)=R n,l(r)Y l,m(,)径向部分 角向部分例如例如：氢原子波函数，见见P151本讲稿第二十八页，共五十二页1.角度分布图角度分布图 1）s、p、d 各种各种原子原子轨道轨道的角度分布剖面的角度分布剖面图图原子轨道角向部分 Y
16、 l,m(,)只与l,m有关，与n 无关。因此，不同电不同电子层子层n的的s,p,d,f 原子原子轨道角度分布图相似。轨道角度分布图相似。本讲稿第二十九页，共五十二页概率密度概率密度（2）：）：核外空间某处单位微体积中核外空间某处单位微体积中电子出现的概率。电子出现的概率。电子云电子云：是概率密度：是概率密度 2的具体图象，用小黑点的具体图象，用小黑点分布疏密来表示电子在核外某处出现分布疏密来表示电子在核外某处出现概率密度的相对大小概率密度的相对大小2）电子云角度分布图）电子云角度分布图本讲稿第三十页，共五十二页例例：基态基态H原子电子云原子电子云本讲稿第三十一页，共五十二页s、p、d 轨道各
17、种轨道各种电子电子云云的角度分布剖面图的角度分布剖面图本讲稿第三十二页，共五十二页原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的区别区别原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的图形是类似的。主要区别有两点 a、原子轨道角度分布图胖胖一些，而电子云的角度分布图要瘦瘦一些。这是由于Y l,m(,)值小于1。b、原子轨道角度分布图上有有“”和和“”之分，而电子云的角度分布图上均为均为“”值。这是由于Y 值虽有“”和“”，但 却都是“”值。本讲稿第三十三页，共五十二页9-3多电子原子结构和元素周期系多电子原子结构和元素周期系一、多电子原子的原子轨道能级一、多电子原子的原子轨
18、道能级 单电子原子单电子原子中，只考虑原子核对电子的吸引，电子能量只与 n 有关。即1s2s2p 3s3p3d 各轨道间能量关系：各轨道间能量关系：多电子原子多电子原子中，由于电子间的相互排斥作用，以及中，由于电子间的相互排斥作用，以及电子的波动性，使同层但不同轨道上电子具有不同电子的波动性，使同层但不同轨道上电子具有不同能量。能量。本讲稿第三十四页，共五十二页能级组和近似能级图能级组和近似能级图泡令原子轨泡令原子轨道近似能级道近似能级图图多电子原多电子原子中电子填充子中电子填充各能级的顺序各能级的顺序 本讲稿第三十五页，共五十二页（1）n 越大，能级越高。越大，能级越高。E1sE2s E3s
19、 E4s E2p E3p E4p E5p （2）n 相同相同(同一层同一层)，l 越小，能级越低。越小，能级越低。Ens Enp End Enf （3）“能级交错能级交错”现象现象 E4s E3d，E 5s E4d，E6sE4fE5d 多电子原子中，原子轨道的能级变化多电子原子中，原子轨道的能级变化1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p本讲稿第三十六页，共五十二页二、基态原子的电子层结构二、基态原子的电子层结构1.电子排布原则电子排布原则1)能量最低原理能量最低原理原子核外电子的排布，总是尽可能使原子体原子核外电子的排布，总是尽可能使原子体系的
20、总能量最低。系的总能量最低。按泡令近似能级图依次充按泡令近似能级图依次充填电子。填电子。2)泡令不相容原理泡令不相容原理运动状态完全相同（即四个量数完全相同）运动状态完全相同（即四个量数完全相同）的电子是不相容的。的电子是不相容的。每个原子轨道最多能容纳两个电子，并且每个原子轨道最多能容纳两个电子，并且自旋相反自旋相反；每一个电子层中电子的最大容纳量是每一个电子层中电子的最大容纳量是2n2个个本讲稿第三十七页，共五十二页3）洪特规则）洪特规则在简并轨道上电子的排布，自旋平行的单电子在简并轨道上电子的排布，自旋平行的单电子越多，体系的能量就越低；越多，体系的能量就越低；如，p3 而不是 或在简并
21、轨道中，当电子全充满、半充满和全空时，在简并轨道中，当电子全充满、半充满和全空时，这些状态是比较稳定的。这些状态是比较稳定的。全充满：全充满：p6d10f14半充满：半充满：p3d5f7全全空：空：p0d0f0本讲稿第三十八页，共五十二页2.原子的电子结构原子的电子结构 Z元素符号元素符号电子结构式电子结构式电子轨道式电子轨道式2 He 1s28 O 1s22s22p418 Ar 1s22s22p63s23p626 Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 1s1 H 1s1 或或1s1s 2s2p3dArAr3d64s2本讲稿第三十九页，共五十二页 Ne 代表 1s2 2s22p6
22、Ar 代表 1s2 2s22p6 3s23p6 Kr 代表 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6 原子实体原子实体本讲稿第四十页，共五十二页例：写出原子序数为24、28、29、38、50的元素的符号及电子结构式和外围电子构型Ar 3d54s1 3d54s1 Ar 3d84s2 3d84s2 Z元素符号元素符号电子结构式电子结构式外围电子构型外围电子构型24 Cr28 Ni29 Cu38 Sr50 SnAr 3d104s1 3d104s1Kr 5s2 5s2Kr 4d105s25p2 5s25p2本讲稿第四十一页，共五十二页原子失去或得到电子从原子失去或得到电子从最外层最外层
23、开始开始元素符号元素符号原子价电子构型原子价电子构型离子价电子构型离子价电子构型 Cr 3d54s1 Cr3+3d3 Ni 3d84s2 Ni2+3d8 Cu 3d104s1 Cu+3d10 Cu2+3d9 Sn 5s25p2 Sn2+5s2 Cl 3s23p5 Cl 3s23p6 O 2s22p4 O2 2s22p6本讲稿第四十二页，共五十二页简述题简述题：量子力学原子模型是如何描述核外电子：量子力学原子模型是如何描述核外电子运动状态的？运动状态的？量子力学原子模型用薛定谔方程及波函数来描述原量子力学原子模型用薛定谔方程及波函数来描述原子中电子的运动状态。从波动方程中解出的每一个子中电子的运
24、动状态。从波动方程中解出的每一个波函数波函数 n,l,m(r,)代表电子的一种可能的稳定的代表电子的一种可能的稳定的运动状态。当四个量子数的取值和组合确定之后，运动状态。当四个量子数的取值和组合确定之后，电子的运动状态也被确定。波函数电子的运动状态也被确定。波函数(r,)的图形的图形反映电子在某一空间出现的概率，电子的运动没有反映电子在某一空间出现的概率，电子的运动没有固定轨道。固定轨道。本讲稿第四十三页，共五十二页三、原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在周期表中，在周期表中，元素的性质元素的性质随原子序数的递增而呈随原子序数的递增而呈现周期性变化，这个规律叫做现周期
25、性变化，这个规律叫做元素周期律元素周期律。此来源。此来源于原子于原子电子层结构的周期性电子层结构的周期性变化。变化。1.元素周期表元素周期表（见书后附表）（见书后附表）元素周期表分为 s 区、p 区、d 区、ds 区、和 f区，每一族元素的价层电子排布相同（少数例外）。到目前为止，周期表分为七个周期（第七周期是不完整周期）。周期数周期数=电子层数电子层数=最外层电子所在轨道主量子数最外层电子所在轨道主量子数（46Pd例外）例外）本讲稿第四十四页，共五十二页2.电子层结构、族与元素的分区电子层结构、族与元素的分区主族元素主族元素：I（注：（注：族也称族也称0族族）s区区元素：最后一个电子填充在元
26、素：最后一个电子填充在s 轨道上轨道上 p区区元素：最后一个电子填充在元素：最后一个电子填充在p 轨道上轨道上族数族数=价电子层电子数价电子层电子数价电子层价电子层为参与反应的电子层，主族的价电子层为为参与反应的电子层，主族的价电子层为nsnp，副族的价电子层为，副族的价电子层为(n-1)dns。本讲稿第四十五页，共五十二页 d区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在d 轨道上轨道上族数族数=价电子层电子数（价电子层电子数（VIII族例外）族例外）ds区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在d或或s 轨道轨道上，且上，且d 轨道完充满。轨道完充满。族数族数=s 轨道上电
27、子数轨道上电子数 f 区区元素：元素：最后一个电子填充在最后一个电子填充在f 轨道上，包轨道上，包括括镧系元素镧系元素和和锕系元素锕系元素。副族元素副族元素：IB VIIB、VIII族本讲稿第四十六页，共五十二页例例：根据外围电子构型判断元素在周期表中的位置根据外围电子构型判断元素在周期表中的位置4s1 4d15s25s25p5 5d76s23s23p2 第三周期A 3d104s1 第四周期B 第四周期A 第五周期 B 第五周期 A 第六周期 族本讲稿第四十七页，共五十二页例例：某元素原子序数为某元素原子序数为30，试指出它属于哪一周期？，试指出它属于哪一周期？哪一族？哪一区？是什么元素？哪一
28、族？哪一区？是什么元素？解：解：Ar3d104s2第四周期第四周期B族族ds区区Zn元素。元素。本讲稿第四十八页，共五十二页四、元素性质周期系四、元素性质周期系1.原子半径原子半径共价半径共价半径、范德华半径范德华半径、金属半径金属半径2.电离势电离势元素的一个气态原子气态原子在基态时失去一个电子失去一个电子 成为气态的正一价离子时所消耗的能量，称 为该元素的第一电离势第一电离势（I1）。电离势的大小可表示原子失去电子的倾向，可说明元素电离势的大小可表示原子失去电子的倾向，可说明元素的金属性。的金属性。本讲稿第四十九页，共五十二页3.电子亲合势电子亲合势元素的一个气态原子气态原子在基态时获得一
29、个电子获得一个电子 成为气态的负一价离子时所放出的能量，称为该元素的第一亲合势第一亲合势（E1）4.电负性电负性原子的电负性是衡量分子中原子对成键电子吸引原子的电负性是衡量分子中原子对成键电子吸引能力相对大小的一种标度。能力相对大小的一种标度。电负性越大，则吸电子能力越强。电负性越大，则吸电子能力越强。电负性电负性 ABBA本讲稿第五十页，共五十二页本章知识重点本章知识重点1.基本概念基本概念能量量子化、波粒二象性、能级、玻尔半径、能量量子化、波粒二象性、能级、玻尔半径、波函数、原子轨道、电子云、周期性、电负性波函数、原子轨道、电子云、周期性、电负性2.核外电子运动特征核外电子运动特征能量量子化特性、波粒二象性能量量子化特性、波粒二象性3.几个公式几个公式本讲稿第五十一页，共五十二页4.四个量子数四个量子数5.原子轨道及电子云角度分布图原子轨道及电子云角度分布图6.多电子基态原子及离子核外电子排布多电子基态原子及离子核外电子排布本章知识重点本章知识重点本讲稿第五十二页，共五十二页