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1、高中化学竞赛本讲稿第一页，共十九页【竞赛基本要求竞赛基本要求】1、核外电子运动状态。、核外电子运动状态。2、主、副族同族元素从上到下性质变化一般规律；同周、主、副族同族元素从上到下性质变化一般规律；同周期元素从左到右性质变化一般规律。原子半径和离子半期元素从左到右性质变化一般规律。原子半径和离子半径。径。s、p、d、ds、f 区元素的基本化学性质和原子的电区元素的基本化学性质和原子的电子构型。子构型。3、元素在周期表中的位置与核外电子结构的关系，对角、元素在周期表中的位置与核外电子结构的关系，对角线规则。线规则。4、金属性、非金属性与周期表位置的关系。主、副族重、金属性、非金属性与周期表位置的
2、关系。主、副族重要而常见元素的名称、符号及在周期表中的位置、常见要而常见元素的名称、符号及在周期表中的位置、常见氧化态及主要形态。铂系元素的概念。氧化态及主要形态。铂系元素的概念。本讲稿第二页，共十九页【知识点击知识点击】一、一、核外电子的运动状态核外电子的运动状态 1、原子核外电子的运动、原子核外电子的运动原子核外的电子运动状态用四个量数描述：原子核外的电子运动状态用四个量数描述：n、l、m、m s。主量子数主量子数 n，n=1,2,3,4符号：符号：K,L,M,N,O,角量子数角量子数 l，l=0,1,2,3,n1。符号：。符号：s,p,d,f,磁量子数磁量子数 m，m=0,1,2,l。当
3、三个量子数都具有确定值时，就对应一个确定的原子轨道。如当三个量子数都具有确定值时，就对应一个确定的原子轨道。如2p 就是一个确定的轨道。主量子数就是一个确定的轨道。主量子数n与电子层对应，与电子层对应，n=1时对应时对应第一层，第一层，n=2时对应第二层，依次类推。轨道的能量主要由主量时对应第二层，依次类推。轨道的能量主要由主量子数子数n决定，决定，n越小轨道能量越低。角量子数越小轨道能量越低。角量子数 l和轨道形状有关，它也影和轨道形状有关，它也影响原子轨道的能量。响原子轨道的能量。n和和l一定时，所有的原子轨道称为一个亚层，如一定时，所有的原子轨道称为一个亚层，如n=2，l=1就是就是2p
4、亚层，该亚层有亚层，该亚层有3个个2p轨道。轨道。n确定时，确定时，l值越小亚层值越小亚层的能量越低。磁量子数的能量越低。磁量子数 m与原子轨道在空间的伸展方向有关，如与原子轨道在空间的伸展方向有关，如2p亚层，亚层，l=1，m=0，1有有3个不同的值，因此个不同的值，因此2p有有3种不同的空间伸展方种不同的空间伸展方向，一般将向，一般将3个个2p轨道写成轨道写成2px,2py,2pz。本讲稿第三页，共十九页 实验表明，电子自身还具有自旋运动。电子的自旋运动用一个量子实验表明，电子自身还具有自旋运动。电子的自旋运动用一个量子数数ms表示，表示，ms称为自旋磁量子数。对一个电子来说，其称为自旋磁
5、量子数。对一个电子来说，其ms可取两个不同可取两个不同的数值的数值1/2或或1/2。习惯上。习惯上,一般将一般将ms取取1/2的电子称为自旋向上，表示的电子称为自旋向上，表示为为+；将将ms取取1/2的电子称为自旋向下，表示为。实验证明，同一的电子称为自旋向下，表示为。实验证明，同一个原子轨道中的电子不能具有相同的自旋磁量子数个原子轨道中的电子不能具有相同的自旋磁量子数ms，也就是说，每个也就是说，每个原子轨道只能占两个电子，且它们的自旋不同。原子轨道只能占两个电子，且它们的自旋不同。【核外电子可能的空间状态核外电子可能的空间状态电子云的形状电子云的形状】s电子云（球形）电子云（球形）p电子云
6、，亚铃形，有三个方向电子云，亚铃形，有三个方向 px、py 、pz。d电子云有五个方向电子云有五个方向dxy、dxz 、dyz、dx2-y2、dz2 （称五个简并轨（称五个简并轨道，即能量相同的轨道）道，即能量相同的轨道）本讲稿第四页，共十九页3、核外、核外电电子的排布子的排布（1）多）多电电子原子的能子原子的能级级 鲍鲍林的林的轨轨道能道能级图级图 能能级级交交错错 能能级级分裂分裂 鲍鲍林根据光林根据光谱实验谱实验的的结结果，提出了多果，提出了多电电子原子中原子子原子中原子轨轨道的近道的近似能似能级图级图，图图中的能中的能级顺级顺序是指价序是指价电电子子层层填入填入电电子子时时各能各能级级
7、能量的能量的相相对对高低。高低。本讲稿第五页，共十九页屏蔽效应和有效核电荷屏蔽效应和有效核电荷 在多电子原子中，一个电子不仅受到原子核的引力，而且还要受到在多电子原子中，一个电子不仅受到原子核的引力，而且还要受到其他电子的排斥力。这种排斥力显然要削弱原子核对该电子的吸引，可其他电子的排斥力。这种排斥力显然要削弱原子核对该电子的吸引，可以认为排斥作用部分抵消或屏蔽了核电荷对该电子的作用，相当于使该以认为排斥作用部分抵消或屏蔽了核电荷对该电子的作用，相当于使该电子受到的有效核电荷数减少了。于是有电子受到的有效核电荷数减少了。于是有Z*=Z，式中，式中Z*为有效核电为有效核电荷，荷，Z为核电荷。为核
8、电荷。为屏蔽常数，它代表由于电子间的斥力而使原核电为屏蔽常数，它代表由于电子间的斥力而使原核电荷减少的部分。我们把由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了荷减少的部分。我们把由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，使该电子受到的有效核电荷降低的现象称为屏蔽效应。一部分核电荷，使该电子受到的有效核电荷降低的现象称为屏蔽效应。一个电子受到其他电子的屏蔽，其能量升高。一个电子受到其他电子的屏蔽，其能量升高。钻穿效应钻穿效应 与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角量子数小的能级上与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角量子数小的能级上的电子，如的电子，如4s电子能钻到近核内层空间运
9、动，这样它受到其他电子电子能钻到近核内层空间运动，这样它受到其他电子的屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成的屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成E4sE3d。我们把外层电子钻穿到近核内层空间运动，因而使电子能量降低的。我们把外层电子钻穿到近核内层空间运动，因而使电子能量降低的现象，称为钻穿效应。钻穿效应可以解释原子轨道的能级交错现象。现象，称为钻穿效应。钻穿效应可以解释原子轨道的能级交错现象。本讲稿第六页，共十九页【注：竞赛要求能够写出元素周期表中所有元素的电子排布式注：竞赛要求能够写出元素周期表中所有元素的电子排布式】Z*=Z内层电子内层电子大；同层电子间大；同层
10、电子间小；外层电子小；外层电子=0；对称；对称大。大。（2）电离能（势）电离能（势）I定义：元素的气态原子在基态时失去一个电子成为一价气态正离定义：元素的气态原子在基态时失去一个电子成为一价气态正离子所需要的能量，称元素的第一电离能。例如：子所需要的能量，称元素的第一电离能。例如：Al(g)第一电离能第一电离能I1=578 kJmol-1；第二电离能；第二电离能I2=1823 kJmol-1；第三电离能第三电离能 I3=2751 kJmol-1本讲稿第七页，共十九页（3）电电子子亲亲合能合能 定定义义：一个基：一个基态态的气的气态态原子得到一个原子得到一个电电子形成一价气子形成一价气态负态负离
11、子所放离子所放出的能量。称出的能量。称该该原子的第一原子的第一电电子子亲亲合能。合能。习惯习惯上把放出能量的上把放出能量的电电子子亲亲合合能能EA用正号表示。用正号表示。O(g)+e O(g)EA=141.8 kJmol1EA反映原子得电子难易程度。反映原子得电子难易程度。EA大，易得电子，非金属性强。大，易得电子，非金属性强。At 270Po 183Bi 91.3Pb 35.1Tl 19.3Cs 45.5I 295Te 190Sb 103Sn 107In 28.9Rb 46.9Br 325Se 195As 78.2Ge 119Ga 28.9K 48.4 Cl 349S 200P 72.0Si
12、 134Al 42.5Na 59.6F 328O 141N -7C 122B 26.7Li 59.6H 72.8【部分元素的第一电子亲合能部分元素的第一电子亲合能(kJmol1)】本讲稿第八页，共十九页【规律规律】：自左向右自左向右Z*核电荷大，半径减小，易形成核电荷大，半径减小，易形成8电子稳定结构电子稳定结构 半充满，全充满时半充满，全充满时EA小，例如：氮族，稀有气体。小，例如：氮族，稀有气体。同一主族自上而下同一主族自上而下EA变小，但第二周期例外，如：变小，但第二周期例外，如：F、O、N比比Cl、S、P小。小。（4）电负性：原子在分子中吸引电子的能力。）电负性：原子在分子中吸引电子的
13、能力。1932年化学家鲍林年化学家鲍林(L.Pauling)指出指出:“电负性是元素的原子在化合物电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度。中吸引电子能力的标度。”并提出：并提出：F的负电性为的负电性为4.0，其它原子的负电，其它原子的负电性均为相对值，以性均为相对值，以Xp表示。表示。Xp的数值越大的数值越大,表示该元素的原子吸引电子的表示该元素的原子吸引电子的能力就越强能力就越强;反之反之,Xp的数值越小的数值越小,表示该元素的原子吸引电子的能力就越表示该元素的原子吸引电子的能力就越弱。弱。本讲稿第九页，共十九页Rn(2.6)Xe 2.58Kr 2.97Ar 3.24Ne 4.79H
14、e 4.16At(2.39)I 2.36Br 2.68Cl 2.87F 4.19Po(2.19)Te 2.16Se 2.42S 2.59O 3.61Bi(2.01)Sb 1.98As 2.21P 2.25N 3.07Pb 1.85Sn 1.82Ge 1.99Si 1.92C 2.54Tl 1.79In 1.66Ga 1.76Al 1.61B 2.05Ba 0.88Sr 0.96Ca 1.03Mg 1.29Be 1.58Cs 0.66Rb 0.71K 0.73Na 0.87Li 0.91H 2.30【部分元素的电负性部分元素的电负性】周期表中从左到右电负性逐渐增大，从上到下逐渐减小。金属的周期表
15、中从左到右电负性逐渐增大，从上到下逐渐减小。金属的电负性一般小于电负性一般小于1.9，而非金属元素的电负性一般大于，而非金属元素的电负性一般大于2.2，处于，处于1.9与与2.2之之间的元素称为间的元素称为“类金属类金属”。周期表中锂和镁、铍和铝、硼和硅等。例如，锂和镁都能在空周期表中锂和镁、铍和铝、硼和硅等。例如，锂和镁都能在空气中燃烧，除生成氧化物外同时生成氮化物；铍和铝的氢氧化物都气中燃烧，除生成氧化物外同时生成氮化物；铍和铝的氢氧化物都具有两性；硼和硅都是具有两性；硼和硅都是“类金属类金属”等。人们把这种现象称为对角线等。人们把这种现象称为对角线规则。规则。本讲稿第十页，共十九页【例例
16、题题1】：下列：下列说说法是否正确？如不正确，法是否正确？如不正确，应应如何改正？如何改正？（1）s电电子子绕绕核旋核旋转转，其，其轨轨道道为为一一圆圆圈，而圈，而p电电子是走子是走字形。字形。（2）主量子数）主量子数为为1时时，有自旋相反的两条，有自旋相反的两条轨轨道。道。（3）主量子数）主量子数为为3时时，有，有3s、3p、3d、3f四条四条轨轨道。道。【解析解析】：（1）不正确。因）不正确。因为电为电子运子运动动并无固定并无固定轨轨道。道。应应改正改正为为：s电电子在核外子在核外运运动电动电子云子云图图像或几率分布是一个球体，其剖面像或几率分布是一个球体，其剖面图图是个是个圆圆。而。而p
17、电电子云子云图图或几率密度分布是一个或几率密度分布是一个纺锤纺锤体，其剖面体，其剖面图图是是形。形。（2）不正确。因）不正确。因为为n=1，l=0，m=0，只有一个，只有一个1s原子原子轨轨道。道。应应改改为为：主量子数主量子数为为1时时，在，在1s原子原子轨轨道中有两个自旋相反的道中有两个自旋相反的电电子。子。（3）不正确。因为）不正确。因为n=3 时，时，l只能取只能取0、1、2，所以没有，所以没有3f。另外。另外3s、3p、3d的电子云形状不同，的电子云形状不同，3p还有还有m=0、1三种空间取向不同的三种空间取向不同的运动状态，有运动状态，有3个原子轨道，个原子轨道，3d有有m=0、1
18、、2五种空间取向，有五种空间取向，有5个个原子轨道。因此应改为：主量子数为原子轨道。因此应改为：主量子数为3时，有时，有9个原子轨道。个原子轨道。本讲稿第十一页，共十九页【例【例题题2】：】：试试比比较较Li2+离子的离子的2s和和2p轨轨道能量的高低。道能量的高低。【分析】：【分析】：Li2+单质电单质电子体系，是子体系，是类氢类氢离子，没有离子，没有电电子的屏蔽作用（子的屏蔽作用（=0）其能量公式为：）其能量公式为：E=2.17910-18Z2/n2（J），只与核电荷数（已一），只与核电荷数（已一定）和主量子数有关。定）和主量子数有关。【解】：因【解】：因Li2+是单质电子体系，其各轨道的
19、能量只与主量子数是单质电子体系，其各轨道的能量只与主量子数n有有关，与角量子数关，与角量子数l无关，所以在无关，所以在Li2+离子中，离子中，2s和和2p轨道的能量相等。轨道的能量相等。【例题例题3】：某元素原子共有：某元素原子共有3个价电子，其中一个价电子的四个量子数个价电子，其中一个价电子的四个量子数为为n=3、l=2、m=2、ms=+1/2。试回答：。试回答：（1）写出）写出该该元素原子核外元素原子核外电电子排布式子排布式（2）写出）写出该该元素的原子序数，指出在周期表中所元素的原子序数，指出在周期表中所处处的分区、周期的分区、周期数和族序数，是金属数和族序数，是金属还还是非金属以及最高
20、正价化合价。是非金属以及最高正价化合价。【解解】：（：（1）由一个价）由一个价电电子的量子数可知，子的量子数可知，该电该电子子为为3d电电子，子，则则其它其它二个价二个价电电子必子必为为4s电电子（因子（因为为E3dE4s价价层电层电子构型子构型为为3d1 4s2。所以。所以电电子排布式子排布式为为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2。（2）该该元素的原子序数元素的原子序数为为21，处处于周期表中的于周期表中的d区第四周期区第四周期III B族，族，是金属元素，最高正价是金属元素，最高正价为为+3。本讲稿第十二页，共十九页【例题例题4】：在现代原子结构理论中，假定每个原子轨道
21、只能容纳在现代原子结构理论中，假定每个原子轨道只能容纳一个电子，则原子序数为一个电子，则原子序数为42的元素原子的核外电子排布将是怎样的的元素原子的核外电子排布将是怎样的？按这种假设而设计出的元素周期表，该元素将属于第几周期、第？按这种假设而设计出的元素周期表，该元素将属于第几周期、第几族？该元素的中性原子在化学反应中得失电子情况又将怎样？几族？该元素的中性原子在化学反应中得失电子情况又将怎样？【分析分析】：在该题的假设下，原有原子结构理论的有关规律的实质：在该题的假设下，原有原子结构理论的有关规律的实质是有用的，但具体的则要发生一些变化。如保里不相容原理和洪特规是有用的，但具体的则要发生一些
22、变化。如保里不相容原理和洪特规则就不适用；但能量最低原理是有用的；饱和的概念仍然成立，只是则就不适用；但能量最低原理是有用的；饱和的概念仍然成立，只是各个轨道、各个亚层、各个电子层最多能容纳的电子数应为原来的一各个轨道、各个亚层、各个电子层最多能容纳的电子数应为原来的一半，如第二层排成半，如第二层排成2s1 2p3就饱和了，第三层排成就饱和了，第三层排成3s1 3p3 3d5就饱和了；就饱和了；轨道的能级顺序没有变化，电子的填充顺序也无变化。轨道的能级顺序没有变化，电子的填充顺序也无变化。解：电子排布式：解：电子排布式：1s1 2s1 2p3 3s1 3p3 3d5 4s1 4p3 4d5 4
23、f7 5s15p3 5d5 6s1 6p2周期表中的位置：第六周期，第周期表中的位置：第六周期，第III A族。族。该元素的中性原子在化学反应中可得到一个电子显该元素的中性原子在化学反应中可得到一个电子显 1价；可失去价；可失去3个电子显个电子显+3价，也可失去价，也可失去2个个p电子而显电子而显+2价。价。本讲稿第十三页，共十九页【练习练习1】：现代原子结构理论认为，在同一电子层上，可有：现代原子结构理论认为，在同一电子层上，可有s、p、d、f、g、h等亚层，各亚层分别有等亚层，各亚层分别有1、3、5、个轨道。试个轨道。试根据电子填入轨道的顺序预测：根据电子填入轨道的顺序预测：（1）第）第8
24、周期共有周期共有 种元素；种元素；（2）原子核外出现第一个）原子核外出现第一个6 f电子的元素的原子序数是电子的元素的原子序数是 ；（3）根据）根据“稳定岛稳定岛”假说，第假说，第114号元素是一种稳定同位素，号元素是一种稳定同位素，半衰期很长，可能在自然界都可以找到。试推测第半衰期很长，可能在自然界都可以找到。试推测第114号元素属于号元素属于 周期，周期，族元素，原子的外围电子构型是族元素，原子的外围电子构型是 。【答案答案】：（：（1）50 （2）139 （3）七）七 A 7s27p2本讲稿第十四页，共十九页【练习练习2】：目前，科学家正在：目前，科学家正在设设法探法探寻寻“反物反物质质
25、”。所。所谓谓“反物反物质质”是由是由“反粒反粒子子”构成的，构成的，“反粒子反粒子”与其与其对应对应的正粒子具有相同的的正粒子具有相同的质质量和相同的量和相同的电电量，量，但但电电荷的符号相反。荷的符号相反。2002年年9月月20日，欧洲核子研究中心成功制造出日，欧洲核子研究中心成功制造出约约5万个低能量状万个低能量状态态的反的反氢氢原子，原子，这这是人是人类类首次在受控条件下大批量制造反物首次在受控条件下大批量制造反物质质。试试回答：回答：（1）科学家制造出的反）科学家制造出的反氢氢原子的原子的质质量数量数为为 ，电电荷数荷数为为 。（2）一）一对对正、正、负电负电子相遇子相遇发发生湮生湮
26、灭灭，转转化化为为一一对频对频率相同的光子，已知率相同的光子，已知电电子子质质量量为为0.91030kg，那么，那么这对电这对电子湮子湮灭时释灭时释放的能量是放的能量是 J，这这两个光子两个光子的的频频率率约为约为 Hz。（保留。（保留2位有效数字，普朗克常数位有效数字，普朗克常数h6.631034Js）（3）反物质酸碱中和反应的实质可表示为：）反物质酸碱中和反应的实质可表示为：。【答案答案】：（：（1）1；1 （2）1.61013；1.210 20 （3）HOHH2O本讲稿第十五页，共十九页【练习练习3】：写出：写出Eu（63号）、号）、Te（52号）元素原子的电子排布式。号）元素原子的电子
27、排布式。若原子核外出现若原子核外出现5 g和和6 h五层，请预测第九、十周期最后一个元素原五层，请预测第九、十周期最后一个元素原子序数和它们的电子排布。子序数和它们的电子排布。【答案答案】：由于第一层仅有：由于第一层仅有s亚层，第二层出现亚层，第二层出现2p，第三层出现，第三层出现3d，第四层出现，第四层出现4f，可推知第五层新增，可推知第五层新增5g，第六层新增，第六层新增6h，各亚层排布，各亚层排布的电子数为的电子数为s2、p6、d10、f 14、g18、h22，电子的排布遵循，电子的排布遵循，ns (n4)h (n3)g (n2)f (n1)d 的顺序。的顺序。Eu（63）和）和Te（5
28、2）的电子排布式分别为：）的电子排布式分别为：Eu：Xe5f 76s2 Te：Kr4d105s25p4第九周期最后一个元素应从第九周期最后一个元素应从9s开始排布，以开始排布，以118号稀有气体为原子号稀有气体为原子核：核：1189s26h226g187f 148d109p6。原子序数为：。原子序数为：11821814106168第十周期最后一个元素从第十周期最后一个元素从10s开始排布，以开始排布，以168号稀有气体为原子核：号稀有气体为原子核：16810s26h227g188f 149d1010p6，原子序数为：，原子序数为：1682221814106240本讲稿第十六页，共十九页【练习练
29、习4】：电电离能是指由蒸气状离能是指由蒸气状态态的孤立原子失去的孤立原子失去电电子形成阳离子形成阳离子需要的能量。从中性原子中移去第一个子需要的能量。从中性原子中移去第一个电电子所需要的能量子所需要的能量为为第第一一电电离能（离能（I1），移去第二个），移去第二个电电子所需要的能量子所需要的能量为为第二第二电电离能（离能（I2），），依次依次类类推。推。元 素I1/eVI2/eVI3/eVA13.023.940.0B4.331.947.8C5.747.471.8D7.715.180.3E21.641.165.2现现有有5种元素，种元素，A、B、C、D、E，其，其I1I3分分别别如下表，根据表中
30、数据判如下表，根据表中数据判断其中的金属元素有断其中的金属元素有 ，稀有气体元素有，稀有气体元素有 ，最活，最活泼泼的金属是的金属是 ，显显二价的金属是二价的金属是 。【答案答案】：B、C、D E B D本讲稿第十七页，共十九页【练习练习5】：根据以下数据估算第：根据以下数据估算第43号人造元素得（号人造元素得（Tc）的金属半径）的金属半径（单单位位为为pm），并），并说说明做出估明做出估计计的依据：的依据：第四周期元素第四周期元素TiVCrMnFeCoNi原子半径原子半径/pm147134127126126125124第五周期元素第五周期元素ZrNbMoTcRuRhPd原子半径原子半径/pm160146139134134137第六周期元素第六周期元素HfTaWReOsIrPt原子半径原子半径/pm159146140137135136139【答案】：136 pm本讲稿第十八页，共十九页祝祝同同学学们们学学习习进进步步，天天天天有有个个好好心心情情！本讲稿第十九页，共十九页