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1、第五章 原子结构和元素周期表本章总目标：本章总目标：1：了解核外电子运动的特殊性，会看波函数和电子云的图形2：能够运用轨道填充顺序图，按照核外电子排布原理，写出若干元素的电子构型。3：掌握各类元素电子构型的特征4：了解电离势，电负性等概念的意义和它们及原子结构的关系。各小节目标：第一节：近代原子结构理论的确立学会讨论氢原子的玻尔行星模型E第二节：微观粒子运动的特殊性13.6eV。n2hh）。Pmvh2：学习运用不确定原理（xP）。2m第三节：核外电子运动状态的描述1：掌握微观粒子具有波粒二象性（1：初步理解量子力学对核外电子运动状态的描述方法处于定态的核外电子在核外空间的概率密度分布（即电子云
2、）。2：掌握描述核外电子的运动状态能层、能级、轨道和自旋以及 4 个量子数。3：掌握核外电子可能状态数的推算。第四节：核外电子的排布1：了解影响轨道能量的因素及多电子原子的能级图。2;掌握核外电子排布的三个原则：能量最低原则多电子原子在基态时，核外电子尽可能分布到能量最低的院子轨道。原则在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，或者说是在同一个原子中没有运动状态完全相同的电子。原则电子分布到能量简并的原子轨道时，优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道。3:学会利用电子排布的三原则进行第五节：元素周期表认识元素的周期、元素的族和元素的分区，会看元素周期表。第六节：元素基本性质的周期性第 1 页掌
3、握元素基本性质的四个概念及周期性变化1：原子半径从左向右，随着核电荷的增加，原子核对外层电子的吸引力也增加，使原子半径逐渐减小；随着核外电子数的增加，电子间的相互斥力也增强，使得原子半径增加。但是，由于增加的电子不足以完全屏蔽增加的核电荷，因此从左向右有效核电荷逐渐增加，原子半径逐渐减小。2：电离能从左向右随着核电荷数的增多和原子半径的减小，原子核对外层电子的引力增大，电离能呈递增趋势。3：电子亲和能在同一周期中，从左至右电子亲和能基本呈增加趋势，同主族，从上到下电子亲和能呈减小的趋势。4：电负性在同一周期中，从左至右随着元素的非金属性逐渐增强而电负性增强，在同一主族中从上至下随着元素的金属性
4、依次增强而电负性递减。习题一 选择题1.3d 电子的径向函数分布图有（）(无机化学例题及习题吉大版)A.1 个峰 B.2 个峰 C.3 个峰 D.4 个峰2.波函数一定，则原子核外电子在空间的运动状态就确定，但仍不能确定的是（）A.电子的能量 B.电子在空间各处出现的几率密度C.电子距原子核的平均距离 D.电子的运动轨迹3.在下列轨道上的电子，在平面上的电子云密度为零的是（）(无机化学例题及习题吉大版)A.3s B.3 C.3 D.324.下列各组量子数中，合理的一组是（）A 3，1，1，+1/2B 4，5，-1，+1/2C 3，3，1，-1/2D 4，2，3，-1/25.第四周期元素原子中未
5、成对电子数最多可达（）(无机化学例题及习题吉大版)A.4 B.5 C.6 D.76.下列电子的量子数（n，l，m 和）不合理的是（）A.3，0，0，+1/2 B.3，0，0，-1/2C.3，1，0，-1/2 D.3，3，0，+1/27.对 3d 电子来说，下列各组量子数中不正确的是（）A.3，2，2，+1/2 B.3，2，1，-1/2C.3，2，0，+1/2 D.3，1，1，+1/28.主量子数 4 能层的亚层数是（）(无机化学例题及习题吉大版)A.3 B.4 C.5 D.69.电子的钻穿本领及其受其它电子屏蔽效应之间的关系（）A.本领越大，效应越小 B.本领越大，效应越大C.两者无关系 D.
6、以上都不对10 离子的价电子层结构是（）(无机化学例题及习题吉大版)2+A.6s 6p B.5s 5p2222C.6s D.5s 5p 5d 6s226102第 2 页11.在多电子原子中，下列电子具有如下量子数，其中能量最高的电子是（）(无机化学例题及习题吉大版)A.2，1，0，-1/2 B.2，1，1，-1/2C.3，1，1，+1/2 D.3，2，-2，-1/212.当基态原子的第五电子层只有 2 个电子时，则原子的第四电子层的电子数为（）(无机化学例题及习题吉大版)A.8 B.18 C.818 D.83213.下列离子中的电子构型可以用A13d 表示的是（）62+C D3+3+2+14.
7、下列元素原子半径的排列顺序正确的是（）A.B B.BC.B D.B 15.下列元素中，原子半径最接近的一组（）(无机化学例题及习题吉大版)A.、B.、C.B、C、N、O D.、16.镧系收缩是下列各对元素中性质最相似的是（）(无机化学例题及习题吉大版)A 和和C 和和17.已知某元素原子的价电子层结构为 3d 4s，则该元素在周期表中位置为（）52A.第四周期第A 族 B.第四周期第B 族C.第四周期第 VA 族 D.第四周期第 VB 族18.在下列元素中，电负性大小顺序正确的是（）(无机化学例题及习题吉大版)A.FNO B.OOC.PH D.S19.第二电离能最大的原子应该具有的电子构型是（
8、）A.1s 2s 2p B.1s 2s 2p222256226C.1s 2s 2p 3p D.1s 2s 2p 3s B.B C N P1226220.下列各组元素的第一电离能按递增的顺序正确的是（）(无机化学例题及习题吉大版)21.下列元素中第一电子亲和能最大的是（）(无机化学例题及习题吉大版)B.F22.下列元素基态原子的第三电离能最大的是（）(无机化学例题及习题吉大版)B.B23.某元素基态原子失去三个电子后，角量字数为 2 的轨道半充满，其原子序数为（）(无机化学例题及习题吉大版)A.24 B.25 C.26 D.2724.下列元素中，书镧系元素的是（）(无机化学例题及习题吉大版)B.
9、25.下列元素中属于放射性元素的是（）(无机化学例题及习题吉大版)B.二 填空题1.4P 亚层中轨道的主量子数为，角量子数为，该亚层的轨道最多可以有种空间取向，最多可容纳个电子。(无机化学例题及习题吉大版)2.波函数是描述数学函数式，它和是同义词，第 3 页2的物理意义是，电子云是形象化表示。3.周期表中最活泼的金属为，最活泼的非金属为，原子序数最小的放射性元素为第周期元素，其元素符号为。(无机化学例题及习题吉大版)4.质量数是 56，中子数是 30 的基态原子电子构型；质量数为209，中子数为 126 的基态原子电子构型。5.第四周期元素中 4P 轨道半充满的是，3d 轨道半充满的是，4s
10、轨道半充满的是，价电层 s 电子数及 d 电子数相同的是。(无机化学例题及习题吉大版)6.原子序数为 24 的原子，其价电子结构是。7.元素的性质随着的递增而呈现周期性的变化，这是原子的变化的反映，第四、六周期分别是能级组和能级组。8.在各类原子轨道中，轨道的钻穿能力最强，由此引起的后果是。(无机化学例题及习题吉大版)9.第 33 号元素原子的核外电子排布为，基态时最外层各电子的量子数为：；=；该元素最高氧化态为，在周期表中属区元素，它的低价氧化物的化学式为，俗称。10.镧系元素包括原子序数从至共个元素，从到半径共减少，这一事实称为，其结果是。(无机化学例题及习题吉大版)11.造成第三过渡元素
11、原子半径和第二过渡元素原子半径相近的原因是。12.给出下列元素的原子核外价电子排列方式 W，。(无机化学例题及习题吉大版)13.用元素符号填空：最活泼的气态金属元素是最活泼的气态非金属元素是最不易吸收电子的元素是第四周期的第六个元素电子构型是第电离势能最大的元素是第电子亲核势能最大的元素是第 2、3、4 周期原子中 P 轨道半充满的元素是3d 半充满和全充满的元素分别是和电负性相差最近的元素是电负性相差最大的元素是14.根据现代结构理论，核外电子的运动状态可用来描述，它在习惯上被称为；表2示，它的形象化表示是。(无机化学例题及习题吉大版)15.非放射性元素中，单电子数最多的元素单电子数为，它在
12、周期表中位于第周期，第族。(无机化学例题及习题吉大版)三 问答题1.原子轨道、几率密度和电子云等概念有何联系和区别？2.根据钾、钙的电离势数据，从电子构型说明在化学反应过程中，钾表现+1 价，钙表现+2 价的原因？3.写出下列元素的符号、名称、价电子构型和惰性气体在周期表中的分区。(无机化学例题及习题吉大版)A.第四周期的惰性气体 B.第四周期的B 族元素C.5p 电子半充满的元素4 和中的 4s 能量和 3d 能量哪个低？（试用斯莱特经验公式求算 E 值）电子排布式应是什么？5.回答下列问题：第 4 页写出原子序数为 32 的元素的核外电子排布、元素符号、元素名称以及此元素在周期表中的位置。
13、试用四个量子数分别表示这个元素原子最外层各价电子的核外运动状态：最外层各价电子nlm分别画出此元素原子最外层电子的轨道角度分布图及电子云径向分布图。6.符号 d、3 和 3d 各代表什么意义？7.原子核外电子的运动有什么特性？218.什么叫屏蔽效应？什么叫钻穿效应？如何解释下列轨道能量的差别？(无机化学例题及习题吉大版)（1）E1sE2s E3s E4s（2）E3s E3pE3d（3）E4sE3d9.说明下列事实的原因：（1）元素最外层电子数不超过 8 个；（2）元素次外层电子数不超过 18 个；（3）各周期所包含的元素数分别为 2、8、8、18、18、32 个。10.下列术语的含义是什么？电
14、离势、电子亲合势、电负性。它们和元素周期律有什么样的关系？11.在第四周期的 A、B、C、D 四种元素，其价电子数依次为 1、2、2、7，其原子序数按 A、B、C、D 依次增大。已知 A 和 B 的次外层电子数为 8，而 C 及 D 为 18，根据原子结构判断：（1）哪些是金属元素；（2）D 及 A 的简单离子是什么？（3）哪一元素的氢氧化物碱性最强？（4）B 及 D 两原子间能形成何种化合物？写出化学式。参考答案一 选择题1.A 2.D 3 4.A 5.C6.D 7.D 8 9.A 1011 12.C 13 14.B 1516 17.D 18 19 2021 22 23 24 25二 填空题
15、1.4，1，3，62.核外电子空间运动状态；原子轨道；电子在核外空间出现的几率密度；波函数3,五4.183d 4s；786s 6p62232的形象化表示5 和和6.3d 4s;3,3,3,3,3y5122 27.荷电核数；最外层的电子数由 18 呈现周期性；第；第；8 轨道能量降低，造成能级交错。9.1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p;226261023n:4 4 4 4 4第 5 页l:0 0 1 1 1m:0 0 01 +1:+1/21/2 +1/2 +1/2 +1/2+5;P 区；2O3；砒霜10.57，71，15；11，镧系收缩，使第二过度元素和第三过度元素原子半径相近。1
16、1.镧系收缩12.W 5d 6s 4d 5s 4d 5s 4d 5s42417181 4d 5s Pt 5d 6s10069512226113.F 1s 2s 2p 3s 3p 4d 4s14.波函数，原子轨道；概率密度，电子云15.8，六，B,;,和 和,和 和和;F 和三 问答题1.答:波函数()是描写原子核外电子运动状态的数学函数式,可以粗略地把看成是在三维空间里能找到该核电子运动的一个区域,借用”轨道”这个词称为轨道,所以原子轨道是的同义词；几率密度是描写电子在核外空间某处单位体积内出现的多少,可由该电子原子轨道的波函数的绝对值的平方2来确定。电子云是电子在核外运动时,把它在空间各处出
17、现的几率密度的大小画成图形,这种图形叫电子云,是几率密度的形象描述。原子轨道,几率密度和电子云都是描述电子运动的基本概念,它们既是不同的概念,但又有密切的联系。在物理意义上,波函数是描写核外电子空间运动状态的数学函数式,而电子云则是电子在核外空间出现的几率分布的形象化描述。从它们的角度分布图看,形状相似,但略有不同,电子云的角度分布图比相应原子轨道波函数的角度分布图要稍”瘦”点,而原子轨道波函数的角度分布图有正、负号；而电子云都是正值。2.答:查出钾,钙的电离势数据如下K:1=6.95410 J,2=50.66310 J,3=73.24310 J-19-19-19-19-19:1=6.7931
18、0 J,2=19.017 10 J,3=81.55510 J-19由电离势数据可知,钾的2是1的7倍多,3是1的10倍多,因此钾易失去1个电子,在化学反应中表现为+1 价。离子类似于惰性气体的稳定结构,所以是稳定的。钙的1,2差别不大,而3是1的 8 倍多,因此钙易失去 2 个电子,在化学反应中表现为+2 价离子也是类似于惰性气体的结构,所以 离子是稳定的。2+2622232+3.答:A 是 36 号元素氪属于 P 区,价电子构型为:4s 4p 是 22 号元素钛,属于 d 区,价电子构型为:3d 4s是 51 号元素锑,属于 P 区,价电子构型为:5s 5p4.答：计算基态钾原子的 4s 和
19、 3d 的能量（根据斯莱特规则）：3d=101.0+80.35=12.80，4S=101.0+80.85=16.80，(1912.80)2E -13.6323=-1.51(1916.80)2E -13.6424=-4.11E3dE4s(2018.00)2同理，对于基态钙原子：E 13.6323=-6.04第 6 页(2017.15)2E -13.6424=-6.90E3dE4s所以，K 和的 4s 能量都比 3d 能量低，它们的电子排布分别为：K：1s 2s 2p 3S 3p 4s22226622661：1s 2s 2p 3s 3p 4sA 族。（2）22262610225.答：（1）核外电子
20、排布为：1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p；元素符号为：；元素名称为锗；它属于第四周期4s2n4444l0011Dr/nmDr/nm-1-1m00+1，-1,00，+111/2-1/2+1/2，-1/2+1/2，-1/24p2y y-+X Xr/nmr/nm (3)26.答：d 是原子轨道的符号，表示 2 的电子运动状态。3 表示 3、2、0 的电子空间运动状态。它在 z 轴方向上电子云密度最大。3d 代表第三电子层（3）的 d（2）原子轨道上有一个电子。该电子处于 3、2、0、1 或2、1/2 或-1/2的电子运动状态。7.答：原子核外电子的运动具有波粒二象性，不能同时准确测定其
21、位置和速度（即测不准关系）因而它的运动不遵循经典力学的规律。没有经典式的轨道，而是服从量子力学的规律，需要统计规律来描述。8.答：其他电子的屏蔽作用对某个选定电子产生的效果叫做屏蔽效应；由于电子的角量子数 l 不同，其几率的径向分布不同，电子钻到核附近的几率较大者受到核的吸引作用较大，因而能量不同的现象称为电子的钻穿效应。（1）当n 不同，l 相同时，n 越大，电子离核的平均距离越远，所以原子中其它电子对它的屏蔽作用则较大，即 值越大，能量就越高。故 E1sE2s E3s E4s。（2）当n 相同，l 不同时，l 越小，电子的钻穿效应越大，电子钻的越深受核吸引力越强，其它电子对它的屏蔽作用就越
22、小，其能量就越低。故 E3s E3pE3d。（3）在多电子原子中电子在 4s 轨道比 3s 轨道钻穿效应大，可以更好地回避其它电子的屏蔽。4s 轨道虽然主量子数比 3d 多 1，但角量子数少 2，其钻穿效应增大对轨道能量的降低作用超过了主量子数大对轨道能量的升高作用。因此E4sE3d。9 答：（1）当元素最外层电子数超过 8 时，电子需要填充在最外层的 d 轨道上，但由于钻穿效应的影响，E（1）d，故填充 d 轨道之前必须先填充更外层的 s 轨道，而填充更外层 s 轨道，则增加了一个新电子层，原来的 d 电子层变成了次外层，故最外层电子数不超过 8 个。（2）当次外层电子数要超过 18 时，必
23、须填充 f 轨道，但在多电子原子中，由于E（2）f，在填充f 轨道前，必须先填充比次外层还多两层的 s 轨道，这样就又增加了一个新电子层，原来的次外层变成了倒数第三层。因此任何原子的次外层电子数不超过 18 个。第 7 页1（3）各周期所容纳元素的数目，是由相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数决定的。如第一能级组，只有 1s 轨道可容纳 2 个电子，所以第一周期有 2 个元素，同理，第二、三、四、五、六周期中分别有 8、8、18、18、32 个元素。10.答：处于基态的气态原子生成+1 价气态阳离子所需要的能量称为第一电离势。从+1 价气态阳离子失去第二个电子，成为+2 价气态阳离子时所需要
24、的能量为第二电离势，依次类推。同一周期中的元素随着核电荷数的增加，原子半径逐渐减小，电离势逐渐增大，稀有气体的电离势最大；同一族中的元素随着核电荷数的增大，原子半径增大，电离势逐渐减小。处于基态的气态原子获得一个电子成为负一价气态阴离子时，所放出的能量叫做电子亲合势。根据现有数据可以看出，活泼的非金属一般具有较高的电子亲合势，金属元素的电子亲合势都比较小，然而最大的电子亲合势不是出现在每族的第二周期的元素，而是第三周期以下的元素，这是由于：第二周期的非金属元素（F、O 等）因原子半径小，电子密度大，电子间排斥力大，以致于当加合一个电子形成负离子时，放出的能量减小。元素的原子在分子中吸引电子的能力叫做电负性。同周期元素从左到右，电负性随着原子序数增加逐渐变大；同族元素从上到下，随着原子半径的增加而减小。电负性最高的是氟（3.98），电负性最低的是铯。11.答：根据已知条件推知：A 为 K 元素；B 为元素；C 为元素；D 为元素。（1）其中 K、为金属元素。（2）D 及 A 的简单离子为和。（3）碱性最强。（4）B 及 D 两原子间能形成溴化钙，化学式为2。第 8 页