原子结构与元素周期系详解.ppt

2024/5/17周五1原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系 核外电子的运动状态核外电子的运动状态核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性2024/5/17周五2第一部分第一部分 核外电子的运动状态核外电子的运动状态氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 波函数和原子轨道波函数和原子轨道 概率密度和电子云概率密度和电子云 波函数的空间图象波函数的空间图象 四个量子数四个量子数 2024/5/17周五311 11 氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论玻尔理论的应用玻尔理论的应用 玻尔理论局限性玻尔理论局限性 2024/5/17周五4原子光谱原子光谱是不连续性的线状光谱是不连续性的线状光谱 氢原子光谱氢原子光谱是最简单的原子光谱是最简单的原子光谱 玻尔的三点假设玻尔的三点假设 1、氢原子光谱和玻尔理论、氢原子光谱和玻尔理论2024/5/17周五51.1.电电子子不不是是在在任任意意轨轨道道上上绕绕核核运运动动，而而是是在在一一些些符符合合一一定定条条件件的的轨轨道道上上运运动动，即即电电子子轨轨道道的的角角动动量量P P，必必须须等等于于h/2h/2的的整整数数倍倍。这这种种符符合合量量子子化化条条件件的的轨轨道道称称为为稳稳定定轨轨道道，电电子子在在稳稳定轨道上运动时，并不放出能量定轨道上运动时，并不放出能量。玻尔的三点假设玻尔的三点假设2024/5/17周五6 2.2.电子的轨道离核越远，原子所含的能电子的轨道离核越远，原子所含的能量越大，原子在正常或稳定状态时（称为基态）量越大，原子在正常或稳定状态时（称为基态），各电子尽可能处在离核最近的轨道上，这时，各电子尽可能处在离核最近的轨道上，这时原子的能量最低。当原子从外界获得能量时原子的能量最低。当原子从外界获得能量时（如灼热、放电、辐射等）电子可以跃迁到离（如灼热、放电、辐射等）电子可以跃迁到离核较远的轨道上去，即电子已被激发到较高能核较远的轨道上去，即电子已被激发到较高能量级上，此时原子和电子处于激发态。量级上，此时原子和电子处于激发态。3.3.只有电子从较高的能级（即离核较远只有电子从较高的能级（即离核较远的轨道）跃迁到较低的能级（即离核较近的轨的轨道）跃迁到较低的能级（即离核较近的轨道）时，原子才会以光子形式放出能量。道）时，原子才会以光子形式放出能量。h=Eh=E2-E-E 1大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点2024/5/17周五8玻尔理论局限性玻尔理论局限性 对氢原子光谱的精细结构无法说明对氢原子光谱的精细结构无法说明 不能说明多电子原子光谱不能说明多电子原子光谱 结论：量子性是微观世界的重要特征，结论：量子性是微观世界的重要特征，要正确客观地反映微观世界微粒运动要正确客观地反映微观世界微粒运动的规律，就必须用建筑在微观世界的的规律，就必须用建筑在微观世界的量子性和微粒运动的统计性这两个基量子性和微粒运动的统计性这两个基本特征基础上的量子力学来描述。本特征基础上的量子力学来描述。2024/5/17周五912 12 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 一、一、光和实物粒子的波粒二象性光和实物粒子的波粒二象性 1924年年德德国国物物理理学学家家LdeBroglie(德德布布罗罗意意)提出假设：提出假设：既既然然光光是是一一种种微微粒粒又又是是一一种种波波，那那么么静静止止质质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性量不为零的实物粒子也含有相似的二象性1927年年C.J.Pavisson(戴维逊戴维逊)和和L.H.Germer(盖盖末尔末尔)获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证实了实了deBroglie的假设，从此科学家们开始接受的假设，从此科学家们开始接受实物粒子的二象性。实物粒子的二象性。2024/5/17周五10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。暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。2024/5/17周五11结论：结论：1.1.电子等实物粒子具有波粒二象性；电子等实物粒子具有波粒二象性；2.2.不不能能用用经经典典物物理理的的波波和和粒粒的的概概念念来来理解它的行为。理解它的行为。再再次次说说明明描描述述电电子子等等微微粒粒的的运运动动规规律律只能用描述微粒运动规律的量子力学。只能用描述微粒运动规律的量子力学。2024/5/17周五12二、二、测不准原理和几率概念测不准原理和几率概念测不准原理：测不准原理：一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。测定。注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测量仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测量仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测定性。定性。xh/2xh/2 m mvv2024/5/17周五13例1:对于m=10克的子弹，它的位置可精到x0.01cm,其速度测不准情况为：速度不准确程度过大对宏观物体可同时测定位置与速度对宏观物体可同时测定位置与速度2024/5/17周五14例例2:对于微观粒子如电子对于微观粒子如电子,m=9.11 10-31Kg,半径半径 r=10-10m，则，则 x至少要达到至少要达到10-11m才相才相对准确，则其速度的对准确，则其速度的测不准情况为：测不准情况为：若若m非常小，则其位置与速度是不能同时非常小，则其位置与速度是不能同时准确测定的准确测定的2024/5/17周五15结论：结论：测不准关系很好地反映了微观粒子的测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征运动特征波粒二象性；根据量子力波粒二象性；根据量子力学理论，对微观粒子的运动规律只能采学理论，对微观粒子的运动规律只能采用统计的方法作出几率性的判断。测不用统计的方法作出几率性的判断。测不准关系促使我们对微观世界的客观规律准关系促使我们对微观世界的客观规律有了更全面更深刻的理解。有了更全面更深刻的理解。2024/5/17周五1613 波函数和原子轨道 薛定谔方程薛定谔方程波函数和原子轨道波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动状一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态态，状态轨道。轨道。波函数叫做原子轨道，即波函数与原波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。子轨道是同义词。2024/5/17周五17从从薛薛定定谔谔方方程程中中求求出出的的具具体体函函数数形形式式，即即为为方方程程的的解解。它它是是一一个个包包含含n n l l m m 三三个个常常数数项项的的三三变变量量（x x、y y、z z）的的函函数数。通通常常用用 表表示示。应应当当指指出出，并并不不是是每每一一个个薛薛定定谔谔方方程程的的解解都都是是合合理理的的，都都能能表表示示电电子子运运动动的的一一个个稳稳定定状状态态。所所以以，为为了了得得到到一一个个合合理理的的解解，就就要要求求n n l l m m 不不是是任任意意的的常常数数而而是是要要符符合合一一定定的的取取值值。在在量量子子力力学学中中把把这这类类特特定定常常数数n n l l mm称称为为量量子子数数。通通过过一一组组特特定定的的n n l l mm就就可可得得出出一一个个相相应应的的n n，l l，mm（x x、y y、z z），），每每一一个个 即即表表示示原原子子中中核核外外电电子子的的一一种种运运动状态。动状态。2024/5/17周五18（2 2）波函数和原子轨道）波函数和原子轨道 波波函函数数在在量量子子力力学学中中起起了了核核心心作作用用，展展示示出出原原子子和和分分子子中中电电子子的的运运动动状状态态，是是探探讨讨化化学学键键理理论论的重要基础。的重要基础。按按照照实实物物粒粒子子波波的的本本性性和和测测不不准准原原理理的的几几率率概概念念，物物理理学学家家玻玻恩恩M.Born M.Born 假假定定粒粒子子的的波波函函数数已已不不再再是是振振幅幅的的函函数数，取取代代它它的的是是粒粒子子出出现现的的几几率率，当当这这个个波波函函数数的的绝绝对对值值越越大大，粒粒子子出出现现的的几几率率也也就越大。就越大。一定的波函数表示电子的一种运动状态，一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态状态轨道。轨道。波函数叫做原子轨道，波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词即波函数与原子轨道是同义词。2024/5/17周五19原子核外电子的一种运动状态原子核外电子的一种运动状态 每一个波函数都有对应的能量每一个波函数都有对应的能量 E E 波函数波函数没有明确的直观的物理没有明确的直观的物理意义意义,但波函数绝对值的平方但波函数绝对值的平方|2 2却有明确的物理意义却有明确的物理意义 （3）波函数的意义）波函数的意义2024/5/17周五204 4 概率密度和电子云概率密度和电子云 概率和概率密度概率和概率密度概率概率|(x|(xy yz)|z)|2 2 d d概率密度概率密度=|(x|(xy yz)|z)|2 2 电子云电子云|2 2的空间图像就是电子云分布图像的空间图像就是电子云分布图像2024/5/17周五21、电子云电子云|2 2 的空间图像就是电子云分布图像的空间图像就是电子云分布图像 即电子云是从统计的概念出发，对即电子云是从统计的概念出发，对 核外电子出现的概率密度做形象化核外电子出现的概率密度做形象化 的描述。当电子云中黑点密的地方的描述。当电子云中黑点密的地方 表示电子在此处出现的概率密度大，表示电子在此处出现的概率密度大，黑点稀的地方表示概率小。黑点稀的地方表示概率小。2024/5/17周五225 5、四个量子数四个量子数 量子量子数数物物理理意意义义取取值值范范围围主量子数主量子数n描描述述电电子子离离核核远远近近及及能量高低能量高低n=1,2,3,正整数正整数角量子数角量子数l描描述述原原子子轨轨道道的的形形状状及能量的高低及能量的高低l=0,1,2,小小于于n n的的正正整数整数磁量子数磁量子数m描描述述原原子子轨轨道道在在空空间间的伸展方向的伸展方向自自旋旋量量子子数数ms描述电子的自旋方向描述电子的自旋方向ms=+1/2,-1/22m=0,+1,-1,+2,l2024/5/17周五23主量子数（主量子数（n）角角 量量 子子 数数（l）磁量子数（磁量子数（m）轨道符号轨道符号轨道数轨道数1001s12002s110，1，-1-12p33003s110，1，-1-13p320，1，-1-1，2 2，-2-23d54004s110，1，-1-14p320，1，-1-1，2 2，-2-24d530，1，-1-1，2 2，-2-2，3 3，-3-34f75005s110，1，-1-15p320，1，-1-1，2 2，-2-25d530，1，-1-1，2 2，-2-2，3 3，-3-35f740，1，-1-1，2 2，-2-2，3 3，-3,+4,-4-3,+4,-45g92024/5/17周五24对比玻尔原子结构模型和波动力学模型两者所对比玻尔原子结构模型和波动力学模型两者所得的结果可得得的结果可得：两种理论都有着相同的能量表达式；两种理论都有着相同的能量表达式；波函数能解释其它一些原子的性质，如光谱波函数能解释其它一些原子的性质，如光谱线的强度等；线的强度等；从解薛定谔方程，量子数是通过边界条件自从解薛定谔方程，量子数是通过边界条件自然的出现，但在然的出现，但在BohrBohr模型中它们是人为规模型中它们是人为规定的。定的。在在BohrBohr理论中，电子占据像行星绕太阳的理论中，电子占据像行星绕太阳的轨道；在波动力学模型中（薛定谔方程）中，轨道；在波动力学模型中（薛定谔方程）中，电子占据离域轨道，实验证明支持薛定谔方电子占据离域轨道，实验证明支持薛定谔方程所得图像程所得图像 2024/5/17周五25第二部分第二部分 核外电子的排布核外电子的排布和元素周期系和元素周期系 多电子原子的能级多电子原子的能级 核外电子层结构的原则核外电子层结构的原则原子的电子层结构和元素周期原子的电子层结构和元素周期系系 2024/5/17周五261 1、多电子原子的能级、多电子原子的能级 鲍林（鲍林（L.PaulingL.Pauling）的近似能级图）的近似能级图 屏蔽效应屏蔽效应 钻穿效应钻穿效应 科顿原子轨道能级图科顿原子轨道能级图 2024/5/17周五272024/5/17周五28（1 1）鲍林（）鲍林（L.PaulingL.Pauling）的近似能级图）的近似能级图 近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，称为能级称为能级 1s 1s 第一能级组第一能级组 2s2p 2s2p 第二能级组第二能级组 3s3p 3s3p 第三能级组第三能级组 4s3d4p 4s3d4p 第四能级组第四能级组 5s4d5p 5s4d5p 第五能级组第五能级组 6s4f5d6p 6s4f5d6p 第六能级组第六能级组 7s5f6d7p 7s5f6d7p 第七能级组第七能级组 在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。2024/5/17周五29在能级图中在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、所谓等价轨道是指其能量相同、成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。角量子数角量子数l l相同的能级，其能量由主量子相同的能级，其能量由主量子 数数n n决定，决定，n n越大，能量越高。越大，能量越高。主量子数主量子数n n相同，角量子数相同，角量子数l l不同的能级，不同的能级，其能量随其能量随l l的增大而升高。的增大而升高。主量子数主量子数n n和角量子数和角量子数l l同时变化时，从图同时变化时，从图中可知，能级的能量变化情况是比较复杂中可知，能级的能量变化情况是比较复杂的。的。2024/5/17周五30（2 2）屏蔽效应与斯莱脱（）屏蔽效应与斯莱脱（SlaterSlater）规则）规则 在多电子原子中，每个电子不仅受到原在多电子原子中，每个电子不仅受到原子核对它的吸引力，而且还要受到其它电子核对它的吸引力，而且还要受到其它电子的斥力。我们把这种内层电子的排斥作子的斥力。我们把这种内层电子的排斥作用考虑为对核电荷的抵消或屏蔽，相当于用考虑为对核电荷的抵消或屏蔽，相当于使核的有效核电荷数减少。使核的有效核电荷数减少。2024/5/17周五31（2 2）屏蔽效应与斯莱脱（）屏蔽效应与斯莱脱（SlaterSlater）规则）规则 Z*=Z E=由于其它电子对某一电子的排斥作用而抵消了一由于其它电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而使有效核电荷降低，削弱了核部分核电荷，从而使有效核电荷降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用屏蔽作用和和屏蔽效应屏蔽效应。2024/5/17周五32为了计算屏蔽参数，斯莱脱为了计算屏蔽参数，斯莱脱Slater提出规提出规则可近似计算。则可近似计算。Slater规则暂不介绍规则暂不介绍 Z*=Z E=2024/5/17周五33钻穿效应钻穿效应 在原子中，对于同一主层的电子，因在原子中，对于同一主层的电子，因s s电子比电子比p p、d d、f f电子在离核较近处出现的概率要多，电子在离核较近处出现的概率要多，表明表明s s电子有渗入内部空间而靠近核的本领，电子有渗入内部空间而靠近核的本领，这种外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现这种外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现象，称为象，称为钻穿作用钻穿作用。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象，称为生变化的现象，称为钻穿效应钻穿效应。由于钻穿效应。由于钻穿效应的存在，使得电子在核外排布时出现了能级交的存在，使得电子在核外排布时出现了能级交错的现象。错的现象。2024/5/17周五342024/5/17周五352 2、核外电子层结构的原则、核外电子层结构的原则 能量最低原理能量最低原理 堡里不相容原理堡里不相容原理（奥地利科学家）洪特（洪特（HundHund）规则）规则（德国科学家）2024/5/17周五36、能量最低原理、能量最低原理 多电子原子在基态时，核外电子总多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道，这称是尽可能分布到能量最低的轨道，这称为为能量最低原理能量最低原理。2024/5/17周五37、堡里不相容原理堡里不相容原理 一个电子的四个量子数为（一个电子的四个量子数为（3 3、2 2、0 0、-1/2-1/2）另一个电子的四个量子数为（另一个电子的四个量子数为（3 3、2 2、0 0、+1/2+1/2）从保里原理可获得以下几个重要结论：从保里原理可获得以下几个重要结论：a)每一种运动状态的电子只能有一个。每一种运动状态的电子只能有一个。b)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。c)因为因为s、p、d、f各分层中原子轨道数为各分层中原子轨道数为1、3、5、7所以各分层中相应最多只能容纳所以各分层中相应最多只能容纳2、6、10、14个电子。个电子。d)每个电子层原子轨道的总数为每个电子层原子轨道的总数为n个，因此，各电子层个，因此，各电子层中电子的最大容量为中电子的最大容量为2n个。个。2024/5/17周五38、洪特（洪特（HundHund）规则）规则 电子分布到能量相同的等价轨道时，电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占领能总是尽先以自旋相同的方向，单独占领能量相同的轨道。量相同的轨道。例例:7 7NN 2p 2p 2s 2s 1s 1s 2024/5/17周五39作为洪特规则的特例，等价轨道：作为洪特规则的特例，等价轨道：全充满全充满 p p6 6、d d1010、f f1414 半充满半充满 p p3 3、d d5 5、f f7 7 全全 空空 p p0 0、d d0 0、f f0 0 的结构状态比较稳定的结构状态比较稳定例：例：1919号号 K K 1s 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 64s4s1 1 原子实结构式为原子实结构式为 Ar4sAr4s1 1 24 24号号 Cr Ar3dCr Ar3d5 54s4s1 12024/5/17周五403 3、原子的电子层结构、原子的电子层结构和元素周期系和元素周期系 原子的电子层原子的电子层 原子的电子层结构与元素的分区原子的电子层结构与元素的分区 原子的电子层结构与周期的关系原子的电子层结构与周期的关系 原子的电子层结构与族的关系原子的电子层结构与族的关系 元素周期系的发展前景元素周期系的发展前景 2024/5/17周五41原子的电子层原子的电子层 注意几个例外注意几个例外 :2424号号Cr 3dCr 3d5 54s4s1 1 29 29号号Cu 3dCu 3d10104s4s1 1 4040号号Zr 4dZr 4d2 25s5s2 2 41 41号号Nb 4dNb 4d4 45s5s1 1 4242号号Mo 4dMo 4d5 55s5s1 1 43 43号号Tc 4dTc 4d5 55s5s2 2 4444号号Ru 4dRu 4d7 75s5s1 1 45 45号号 Rh 4dRh 4d8 85s5s1 1 4646号号Pd 4dPd 4d10 10 2024/5/17周五42原子的电子层结构原子的电子层结构与元素的分区与元素的分区 2024/5/17周五43核外电子的排布（原子的电子层结构）核外电子的排布（原子的电子层结构）1HHydrogen氢氢1s1*2HeHelium氦氦1s23LiLithium锂锂1s22s14BeBeryllium铍铍1s22s25BBoron硼硼1s22s22p1*6CCarbon碳碳1s22s22p27NNitrogen氮氮1s22s22p38OOxygen氧氧1s22s22p49FFluorine氟氟1s22s22p510NeNeon氖氖1s22s22p6原子原子序数序数电子轨道图电子轨道图元素元素符号符号英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式2024/5/17周五4411NaSodium钠钠 1s22s22p63s112 MgMagnesium镁镁1s22s22p63s213 AlAluminium铝铝1s22s22p63s23p114 SiSilicon硅硅1s22s22p63s23p215PPhosphorus磷磷1s22s22p63s23p316SiSulfur硫硫1s22s22p63s23p417 ClChlorine 氯氯1s22s22p63s23p518ArArgon氩氩1s22s22p63s23p6原子原子序数序数元素元素符号符号英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式2024/5/17周五45*Ar原子实，表示原子实，表示Ar的的电子结构式电子结构式电子结构式电子结构式 1s22s22p63s23p6。原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。*虽先排虽先排4s后排后排3d，但但电子结构式中先写电子结构式中先写电子结构式中先写电子结构式中先写 3d，后写后写后写后写 4s*21 Sc Scandium 钪钪Ar3d14s222 Ti Titanium钛钛Ar3d24s223 V Vanadium钒钒Ar3d34s224 Cr Chromium铬铬Ar3d54s125 MnManganese锰锰Ar3d54s226 Fe Iron铁铁Ar3d64s227 Co Cobalt钴钴Ar3d74s228 Ni Nickel镍镍Ar3d84s2*19 K Potassium钾钾Ar4s120 Ca Calcium钙钙Ar4s22024/5/17周五461元素的周期元素的周期周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自对应一个周期。共有七个能级组，对应一个周期。共有七个能级组，所以共有七个周期。所以共有七个周期。HHe1第一周期：第一周期：2种元素种元素第一能级组：第一能级组：2个电子个电子1个能级个能级1s1个个轨道轨道BeLiBCNOFNe2第二周期：第二周期：8种元素种元素第二能级组：第二能级组：8个电子个电子2个能级个能级2s2p4个个轨道轨道(2)元素周期系元素周期系2024/5/17周五47MgNaAlSiPSCl Ar3第三周期：第三周期：8种元素种元素第三能级组：第三能级组：8个电子个电子2个能级个能级3s3p4个个轨道轨道K Ca ScTiVCr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr4YZr Nb Mo TcRh PdRuAg CdSrRbIn Sn Sb TeIXe5第五周期：第五周期：18种元素种元素第五能级组：第五能级组：18个电子个电子3个能级个能级5s4d5p9个个轨道轨道第四周期：第四周期：18种元素种元素第四能级组：第四能级组：18个电子个电子3个能级个能级4s3d4p9个个轨道轨道2024/5/17周五48第七周期：第七周期：32种元素种元素第七能级组：第七能级组：32个电子个电子4个能级个能级7s5f6d7p16个个轨道轨道BaCs6sCe Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu4fLa Hf Ta W ReIrPtOsAu Hg5dTl Pb Bi Po At Rn6p第六周期：第六周期：32种元素种元素第六能级组：第六能级组：32个电子个电子4个能级个能级6s4f5d6p16个个轨道轨道RaFr7sTh PaU Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr5fAc Rf Db Sg Bh Hs Mt UunUuuUub6d7p2024/5/17周五4922元素的区和族元素的区和族元素的区和族元素的区和族s区元素区元素包括包括IA族，族，IIA族，价层电子组态为族，价层电子组态为ns12，属于活泼金属。属于活泼金属。p区元素区元素包括包括IIIA族，族，IVA族，族，VA族，族，VIA族，族，VIIA族，族，0族族（VIIIA族族），价层电子组态为），价层电子组态为ns2np16，右，右上方为非金属元素，左下方为金属元素上方为非金属元素，左下方为金属元素。s区和区和p区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中s电子数与电子数与p电子电子数之和。若和数之和。若和数数为为8，则为则为0族元素，也称为族元素，也称为VIIIA族族。价层电子是指排在稀有气体原子实后面的电子，在化学反应价层电子是指排在稀有气体原子实后面的电子，在化学反应中能发生变化的基本是价层电子。中能发生变化的基本是价层电子。2024/5/17周五50d区元素区元素包括包括IIIB族，族，IVB族，族，VB族，族，VIB族，族，VIIB族，族，VIII族族。价层电子组态一般为。价层电子组态一般为(n1)d18ns2，为为过渡金属。过渡金属。(n1)d中的电子由不充满向充满过渡。第中的电子由不充满向充满过渡。第4，5，6周期的过渡元素分别称为第一，第二，第三过渡系列元素。周期的过渡元素分别称为第一，第二，第三过渡系列元素。d区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中(n1)d的电子数与的电子数与ns的电子数之和的电子数之和；若和若和数数大于或等于大于或等于8，则为，则为VIII族元素族元素。ds区元素价层电子组态为区元素价层电子组态为(n1)d10ns12。有时将有时将d区和区和ds区定义为过渡金属区定义为过渡金属。ds区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中ns的电子数的电子数。f区元素区元素价层电子组态为价层电子组态为(n2)f014(n1)d02ns2，包括包括镧系和镧系和锕系锕系元素，元素，称为内过渡元素。称为内过渡元素。(n2)f中的电子由不中的电子由不充满向充满过渡。充满向充满过渡。有时认为有时认为f区元素属于区元素属于IIIB族族。2024/5/17周五51原子的电子层结构原子的电子层结构与周期的关系与周期的关系 各周期元素的数目相应能级组中原子各周期元素的数目相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数轨道所能容纳的电子总数2 2、8 8、8 8、1818、1818、3232p p区从左上到右下的对角线为区从左上到右下的对角线为B B、Si Si、AsAs、TeTe、AtAt，在此诸元素的右上方位是非金，在此诸元素的右上方位是非金属，左下方位金属，对角线上及附近的属，左下方位金属，对角线上及附近的元素是准金属，有些具有半导体的性质，元素是准金属，有些具有半导体的性质，周期表中约周期表中约4/54/5的元素是金属。的元素是金属。2024/5/17周五52原子的电子层结构原子的电子层结构与族的关系与族的关系 主族元素的族数（包括主族元素的族数（包括dsds区）该元素原子的区）该元素原子的最外层电子数该族元素的最高化合价（除氧、最外层电子数该族元素的最高化合价（除氧、氟外）氟外）副族元素的族数副族元素的族数=最高能级组中的电子总数最高能级组中的电子总数 或或 副族数（副族数（s+ds+d）电子数）电子数1010 2024/5/17周五53副副族族元元素素的的氧氧化化态态均均能能呈呈现现多多种种2024/5/17周五54元元素素周周期期系系的的发发展展前前景景2024/5/17周五55第三部分第三部分 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性 原子半径电离能元素的电负性电子亲合势2024/5/17周五56 原子半径原子半径 A.A.共共价价半半径径同同种种元元素素的的两两个个原原子子共共价价单单键键连连接接时时，核间距的一半。核间距的一半。一般一般 单键半径单键半径 双键半径双键半径 叁键半径叁键半径B.B.金金属属半半径径紧紧密密堆堆积积的的金金属属晶晶体体中中以以金金属属键键结结合合的的同种原子核间距离的一半。同种原子核间距离的一半。同一原子的金属半径要大于共价半径同一原子的金属半径要大于共价半径101015%15%。C.C.范范德德华华半半径径非非键键合合原原子子之之间间只只靠靠分分子子间间的的作作用用力力互相接近时，两原子的核间距的一半。互相接近时，两原子的核间距的一半。一般范德华半径最大（非键合），共价半径最小一般范德华半径最大（非键合），共价半径最小（轨道重叠），金属半径位中间（紧密堆积）（轨道重叠），金属半径位中间（紧密堆积）2024/5/17周五57原子半径在周期中的变化原子半径在周期中的变化 在短周期中，从左往右随着核电荷数的增加，在短周期中，从左往右随着核电荷数的增加，原子核对外层电子的吸引作用也相应地增强，原子核对外层电子的吸引作用也相应地增强，使原子半径逐渐缩小。使原子半径逐渐缩小。在长周期中，自左向右原子半径缩小程度不大。在长周期中，自左向右原子半径缩小程度不大。周期系中各相邻元素原子半径减少的平均幅度为：周期系中各相邻元素原子半径减少的平均幅度为：非过渡金属（非过渡金属（0.1pm0.1pm）过渡元素（）过渡元素（0.05 0.05 pmpm）内过渡元素（）内过渡元素（0.01 pm0.01 pm）2024/5/17周五58（1）原子半径在周期表中的变化原子半径在周期表中的变化只有当只有当d5，d10，f7，f14半充满和全充满时，层中电子的对半充满和全充满时，层中电子的对称性较高，这时称性较高，这时 占主导地位，占主导地位，占主导地位，占主导地位，原子半径原子半径 r增大增大。核电荷数核电荷数Z增大，对电子吸引力增大，使得原子半径增大，对电子吸引力增大，使得原子半径r有减小的趋势。有减小的趋势。核外电子数增加，电子之间排斥力增大，使得原子半径核外电子数增加，电子之间排斥力增大，使得原子半径 r有增大的趋势。有增大的趋势。以以以以 为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中从左向右原子半径减小。(a)同周期中同周期中从左向右，在原子序数增加的过程中，有两个因素在影响原从左向右，在原子序数增加的过程中，有两个因素在影响原子半径的变化子半径的变化这是一对矛盾，这是一对矛盾，以哪方面为主？以哪方面为主？2024/5/17周五59短周期的主族元素，以第短周期的主族元素，以第3周期为例周期为例MgNaAlSiPSClArr/pm15413611811711010499154长周期的过渡元素长周期的过渡元素，以第以第4周期的第一过渡系列为例周期的第一过渡系列为例ScTiVCrMnFeCoNiCuZnScNi，8个个元素，元素，r减少减少了了29pm。相邻元素之间，。相邻元素之间，平均减少幅度平均减少幅度4pm许。许。NaCl，7个个元素，元素，r减少减少了了55pm。相邻元素之间，。相邻元素之间，平均减少幅度平均减少幅度10pm许。许。Ar为范德华半径，为范德华半径，所以比较大所以比较大。r/pm1441321221181171171161151171252024/5/17周五60短周期短周期短周期短周期主族元素，电子填加到外层轨道，对核的正电荷中和主族元素，电子填加到外层轨道，对核的正电荷中和少，有效核电荷少，有效核电荷Z*增加得多。所以增加得多。所以r减小的幅度大。减小的幅度大。长周期长周期长周期长周期过渡元素，电子填加到次外过渡元素，电子填加到次外层轨道层轨道，对核的正电荷中对核的正电荷中和多和多，Z*增加得少，所以增加得少，所以r减小的幅度小。减小的幅度小。短周期主族元素原子半径平均减少幅度短周期主族元素原子半径平均减少幅度10pm，长周期的过，长周期的过渡元素平均减少幅度渡元素平均减少幅度4pm。造成这种不同的原因是什么？。造成这种不同的原因是什么？Cu，Zn为为d10结构，电子斥力大，结构，电子斥力大，所以所以r不但没减小，不但没减小，反而有所增加。反而有所增加。ScTiVCrMnFeCoNiCuZnr/pm144132122118117117116115117125试设想超长周期的内过渡元素，会是怎样的情况。试设想超长周期的内过渡元素，会是怎样的情况。2024/5/17周五61（b）镧系收缩）镧系收缩LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu15种元素，种元素，r共减小共减小11pm。电子填到内层。电子填到内层(n2)f轨道，轨道，屏蔽系数更大，屏蔽系数更大，Z*增加的幅度更小。所以增加的幅度更小。所以r减小的幅度很小。减小的幅度很小。r/pm161160158158158170158r/pm169165164164163162185162Eu4f76s2，f轨道轨道半充满半充满，Yb4f146s2，f轨道全充满，电轨道全充满，电子斥力的影响占主导地位，原子半径变大。子斥力的影响占主导地位，原子半径变大。将将15镧系种元素，原子半径共减小镧系种元素，原子半径共减小11pm这一事实，称为这一事实，称为镧系收缩。镧系收缩。2024/5/17周五62KCaScTiVCrr/pm203174144132122118RbSrYZrNbMor/pm216191162145134130CsBaLaHfTaWr/pm235198169144134130镧系收缩造成的影响镧系收缩造成的影响对于镧系元素自身的影响，使对于镧系元素自身的影响，使15种镧系元素的半径相似，种镧系元素的半径相似，性质相近，分离困难。性质相近，分离困难。对于镧后元素的影响，使得第二、第三过渡系的同族元素半对于镧后元素的影响，使得第二、第三过渡系的同族元素半径相近，性质相近，分离困难。径相近，性质相近，分离困难。2024/5/17周五63(c)同族中同族中同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变化趋势同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变化趋势核电荷核电荷Z增加许多，对电子吸引力增大，增加许多，对电子吸引力增大，使使r减小；减小；核外电子增多，增加一个电子层，使核外电子增多，增加一个电子层，使r增大。增大。主族元素主族元素Li123pmNa154pmK203pmRb216pmCs235pmr r增大增大增大增大在这一对矛盾中，在这一对矛盾中，起主导作用。同族中，从上到下，原起主导作用。同族中，从上到下，原子半径增大。子半径增大。2024/5/17周五64副族元素副族元素 TiVCrr/pm132122118ZrNbMo145134130HfTaW144134130第二过渡系列比第一第二过渡系列比第一过渡系列原子半径过渡系列原子半径r增增大大1213pm。第三过渡系列和第二第三过渡系列和第二过渡系列原子半径过渡系列原子半径 r相近相近或相等或相等。这是镧系收缩的。这是镧系收缩的影响结果。影响结果。2024/5/17周五65原子半径在族中变化原子半径在族中变化 在同一主族中，从上到下，随在同一主族中，从上到下，随着核电荷数增加，元素原子的电着核电荷数增加，元素原子的电子层数增多，原子半径增大。子层数增多，原子半径增大。副族元素