无机化学武汉大学第三版公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

8.1 氢原子结构氢原子结构8.2 多电子原子结构多电子原子结构8.3 元素周期律元素周期律第八章第八章 原子结构原子结构第1页第1页本章重点：理解原子轨道和电子云概念掌握四个量子数物理意义和合理取值能写出元素核外电子排布和价电子层构型理解周期划分，拟定元素在周期表中位置理解原子半径、电离能、电子亲合能、电负 性周期性改变规律第2页第2页STM利用隧道电流来描绘物质表面轮廓图利用隧道电流来描绘物质表面轮廓图STM-扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)第3页第3页第4页第4页 大约两个世纪以来，原子与分子是理论科学家想象中世界，它们是“任何人始终无法看到”(Robinson,1984)(Robinson,1984)。STMSTM创造使科学家能够适时地观测到原子在物质表面排列状态，得知与表面电子行为相关物理、化学性质，它对表面科学、材料科学、生物科学和信息科学研究有着重大意义并含有辽阔应用前景。第5页第5页历史回顾典型核原子模型建立第6页第6页原子概念及原子论 古希腊元素说世界上任何东西都是由原子原子构成（包括物质和灵魂）。原子是不可分割。Democritus，公元前440年,BC460-370，古希腊哲学家德谟克利特德谟克利特Dalton原子论 18，英国科学家道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小、看不见、不可再分割原子组成，原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，因此在一切化学反应中都保持自己原有性质；同一个元素原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素原子形状、质量及各种性质则不相同。不同元素原子以简朴数目百分比相结合，形成化合物电子发觉电子发觉第7页第7页电子发觉 汤姆生Sir Joseph John Thomson(1856-1940)英国物理学家获19Nobel物理奖人们在研究气体放电时候发觉阴极射线人们在研究气体放电时候发觉阴极射线19世纪末物理学一系列重大发觉推翻否认了“原子不可再分”老式观念。1897年年，J.J.Thomson 利用电场及磁场对利用电场及磁场对带电质点运动影响测定了阴极射线荷质比带电质点运动影响测定了阴极射线荷质比(e/m)，并得出该射线是带负电荷并存在于，并得出该射线是带负电荷并存在于所有原子之中基本粒子，即为以后人们所所有原子之中基本粒子，即为以后人们所知知电子电子。Plum Pudding Model在原子中，电子分布在在原子中，电子分布在均匀正电荷背景里。均匀正电荷背景里。Millikan油滴试验（油滴试验（1909）第8页第8页Millikan油滴试验（油滴试验（1909）密里根Robert Andrews Millikan 1869-1953 美国物理学家获1923年Nobel物理奖E=1.60217710-19 C；me=9.10939010-28 g19，Millikan通过油滴试验测出电子电量，借助荷质比得到电子质量Rutherford原子行星模型(1911)第9页第9页Rutherford-粒子散射试验（1906）Rutherford原子行星模型(1911)卢瑟福(1871-1937)Sir Ernest Rutherford新西兰裔英国化学家获19Nobel化学奖原子中含有带负电电子，意味着必定尚有带正电部分。19Rutherford和助手Hans Geiger通过粒子(He2+)散射试验证实了原子核存在，提出了核型原子模型。第10页第10页Rutherford模型问题依据典型电磁理论，在原子核外作加速运动电子会不断辐射出能量，最后将完全丧失能量坠入原子核中去。于是，原子不也许是稳定体系，必将崩溃且不也许长原子不也许是稳定体系，必将崩溃且不也许长期存在期存在。但是，在现实世界里原子是稳定。科学碰到了一个难题原子中正电荷集中在很小区域，原子质量主要来自于正电荷部分即原子核，而质量很小电子则围绕原子核作旋转运动。就像行星绕太阳运转同样。第11页第11页8.1.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr理论理论8.1 氢原子结构氢原子结构8.1.5 氢原子激发态氢原子激发态8.1.4 氢原子基态氢原子基态8.1.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数8.1.2 电子波粒二象性电子波粒二象性第12页第12页红 橙 黄 绿 青 蓝 紫连续光谱：太阳光、白炽灯光等，光谱间没有明显分界线。线状光谱：分立、有明显界线谱线,不连续,又称原子光谱演示气体经高温火焰、电火花、电弧等作用产生气体经高温火焰、电火花、电弧等作用产生8.1.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr理论理论第13页第13页 在抽成真空放电管中充入少许气体(如氢气)，通过高压放电，可观测到原子发光现象。将碱金属化合物在火焰上加热，也会观测到碱金属发光现象。原子光谱 在抽成真空放电管中充入少许气体(如氢气)，通过高压放电，可观测到原子发光现象。将碱金属化合物在火焰上加热，也会观测到碱金属发光现象。原子光谱第14页第14页HHHH1.1.氢原子光谱氢原子光谱第15页第15页(a)The visible spectrum.(b)The complete spectrum of atomic hy drogen.特性与规律第16页第16页不连续光谱,即线状光谱其频率含有一定规律氢原子光谱谱线规律性：氢原子光谱特性：量子和量子化式中式中n1、n2为正整数，且为正整数，且n2 n1n1=1，Lyman线系；n1=2，Balmer线系；n1=3，Paschen线系；n1=4，Bracket线系；n1=5，Pfund线系；n=3,4,5,61885年，年，Johann J.Balmer(瑞士瑞士)提出提出氢原子可见线状光谱经验公式：氢原子可见线状光谱经验公式：19，Janne Rydberg（瑞典)提出更为普遍经验公式：或其中，RH=1.097 107 m-1，即Rydberg常数。第17页第17页式中式中 2，n，3.2891015各代表什么意义？各代表什么意义？为何激发原子会发光？如何解释氢原子光谱？为何激发原子会发光？如何解释氢原子光谱？典型电磁理论碰到难题：按典型电磁学理论，电子绕核作圆周运动，原子不断发射连续电磁波，原子光谱应是连续；并且由此电子能量逐步减少，最后坠入原子核，使原子不复存在。事实上原子既没有湮灭，其谱线也不是连续而是线状。量子和量子化第18页第18页19，M.Plank德国提出量子论普朗克认为能量是不连续，含有微小分立能量单位量子量子；物质吸取或放出能量是不连续不连续，是量子能量整数倍量子化量子化；能量以光形式传播时，其最小单位又称光量子或光子；量子化特性表征微观粒子运动状态一些物理量含有不连续改变特性。玻尔理论光子能量一些物理量改变不连续性(量子化)事实上是自然界普遍规律，由于每一个量子量值都非常小，因此在宏观物体中量子化不明显，尤如连续改变同样。但在微观世界却是微观粒子运动主要特性。第19页第19页玻尔玻尔(Bohr)(Bohr)理论理论 19，丹麦青年物理学家Bohr在Rutherford核原子模型基础上，依据当初刚刚萌芽Planck 量子论和Einstein 光子学说，提出了自己原子结构理论，从理论上解释了氢原子光谱规律BohrBohr理论两个基本假设：假设1 1：核外电子只能在有拟定半径和能量特定轨道上运动，电子在这些轨道上运动时并不辐射出能量；并且每一个稳定轨道角动量(L L)是量子化，它等于h h/2/2整数倍，即n称为量子数，称为量子数，h 是是Planck常数。常数。依据这个轨道角动量量子化条件，结合物体运动典型力学公式，即可计算出氢原子中电子运动速度、轨道半径和能量。第20页第20页假设2：电子在不同轨道之间跃迁时，原子会吸取或辐射出光子。吸取和辐射出光子能量多少决定于跃迁前后两个轨道能量之差，即通常电子处于离核最近轨道上，能量最低原子处于基态(1个)；轨道不同能量状态称为能级；原子取得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态(多个)处于激发态电子不稳定，有可能从能级高轨道跃迁到离核较近低能轨道，甚至恢复为基态。这时以光形式释放能量。E：轨道能量h：Planck常数能够定量解释氢原子光谱不连续性氢原子光谱能量关系式第21页第21页RH：Rydberg常数2.17910-18J电子运动轨道半径和电子能量：H原子能级？氢原子光谱能量关系式可见，伴随n，r,电子离核越远，电子能量以量子化方式，因此，n被称为量子数第22页第22页借助于氢原子光谱能量关系式可定出氢原子各能级能量：电离能可见，n1，n2为能级代号第23页第23页原子能级图第24页第24页原子能级Balmer线系巴尔麦线系第25页第25页n=3 红（H）n=4 青（H）n=5 蓝紫 （H）n=6 紫（H）Balmer线系线系如何计算？第26页第26页当电子从当电子从n=3n=2能级时能级时同理当电子从n=4n=2能级时，得到H谱线 从n=5n=2能级时，得到H谱线 从n=6n=2能级时，得到H谱线 从n=7n=2能级时，得到H谱线当电子从n=2,3,4,5,6n=1能级时,产生赖曼线系(紫外区);当电子从n=4,5,6n=3能级时,产生帕邢线系（红外区）;激发与发射图示激发与发射图示第27页第27页第28页第28页波粒二象性第29页第29页Bohr Bohr 氢原子理论不足只能解释氢原子及一些单电子离子(或称类氢离子，如HeHe+、LiLi2+2+、BeBe2+2+等等)光谱,而对于这些光谱精细结构主线无能为力；对于多电子原子，哪怕只有两个电子HeHe原子，其光谱计算值与试验结果也有很大出入。阐明从宏观到微观物质运动规律发生了深刻改变，本来适合用于宏观物体运动规律用于微观物体已经失效.人们开始结识到，从PlanckPlanck发展到BohrBohr这种旧量子论都是在典型物理基础上加进一些与典型物理不相容量子化条件，它本身就存在不能自圆其说内在矛盾。出路在于彻底抛弃典型理论体系，建立新理论量子力学。第30页第30页微观粒子特性及其运动规律第31页第31页光波粒二象性：光干涉、衍射 波动性波动性光含有能量、与实物互相作用 粒子性粒子性 （光压、光电效应）电子？1924年，法物理学家德布罗依预言：微观粒子也年，法物理学家德布罗依预言：微观粒子也应含有波粒二象性。应含有波粒二象性。第32页第32页1924年，年，Louis de Broglie认为：认为：质量为质量为 m，运动速度为，运动速度为粒子，相粒子，相应波长为：应波长为：8.1.2 电子波粒二象性电子波粒二象性 1927年，年，Davissson和和Germer应用应用Ni晶体进行电子衍射试验，晶体进行电子衍射试验，证实电子含有证实电子含有波动性波动性。=h/m=h/p，h=6.62610-34 Js，Plank常量。波粒二象性微观粒子运动特性与微观粒子相联系波称为与微观粒子相联系波称为物物质波质波或或德布罗依波德布罗依波电子德布罗依波长？Louis de Broglie(1892-1987)France第33页第33页 任何运动物体包括宏观物体都可按上式计算，但宏观物体波长极短难以觉察而主要表现粒子性。电子德布罗依波长？若电子速度为光速二分之一，电子质量则电子德布罗意波长如某子弹：则：其它粒子波长第34页第34页粒子波长 只有像电子、原子等质量极小微粒才含有与只有像电子、原子等质量极小微粒才含有与X X射线相近波长，射线相近波长，当它们透过晶体时就有衍射现象，表现出波动性。当它们透过晶体时就有衍射现象，表现出波动性。第35页第35页海森堡测不准原理(不拟定原理)：1927年，德国物理学家海森堡提出测不准关系用位置和动量来描述微观粒子运动时，所测位置准确度愈高，则其动量准确度愈低，反之亦然。即不也许同时准确测定微粒空间位置和动量。反应了微观粒子运动特性，但对宏观物体不起作用。统计性第36页第36页对于m=10g子弹，若能准确测到x=0.01cm，则因此，宏观物体位置和动量能同时准确测定。对于电子，m=9.1110-31kg，原子半径数量级为10-10m若能准确测到x=10-11m，则因此，微观粒子位置和速度不能同时准确测定。电子速度不拟定程度既然如此之大，就意味着电子运动轨道不复存在。(揭示了Bohr理论缺点)量子力学理论认为，微观粒子在极小空间运动都如此，它们没有固定轨道，只有统计分布规律，即只能用概率不能用轨道来描述它们运动状态。统计性第37页第37页微观粒子运动统计性：考察电子衍射试验，设想若电子流很强，则不久得到明暗相间衍射环纹显示波动性；若电子流强度很小，电子一个一个从阴极灯丝飞出，底片上会出现一个一个点显示电子含有粒子性。经一定期间同样得到明暗相间衍射环纹。亮环纹处，衍射强度大，电子出现机会多，即几率大；暗环纹处则相反。量子力学认为，原子中核外电子运动不象典型力学量子力学认为，原子中核外电子运动不象典型力学认为那样有拟定轨道，但含有按几率分布统计认为那样有拟定轨道，但含有按几率分布统计性规律。性规律。薛定谔方程应如何正确描述微观粒子运动？应如何正确描述微观粒子运动？电子通过石墨衍射图 第38页第38页1.Schrdinger方程方程8.1.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数（二阶偏微分方程）（是空间坐标x,y,z 函数）END联系了微观粒子波动性和粒子性第39页第39页直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,)转换 波函数径向部分波函数角度部分量子数第40页第40页2 2、量子数、量子数为得到合理解需引入三个参数，它们需满足条件：n=1，2，3（正整数）l=0，1，2，n-1m=0，1，2，l 通过一组特定n，l，m值就可得到相应波函数(r,)n，l，m，并求出相应能量值E。比如，对氢原子 1，0，0，2，0，0，2，1，0 l=0 s 态l=1 p 态l=2 d 态l=3 f 态l=4 g 态其它第41页第41页氢原子和类氢离子几种波函数(a0=Bohr 半径)第42页第42页3、波函数和原子轨道波函数是描述核外电子运动状态数学函数式，又是空间坐标(r,)函数，其空间图象可理解为电子运动空间范围，因此把n，l，m称为原子轨道函数，俗称“原子轨道”。波函数 即原子轨道（两者是同义语），指电子一个空间运动状态或者电子在核外运动空间范围。可用一组量子数可用一组量子数n，l，m描述，每个拟定描述，每个拟定 表示表示电子一个运动状态。电子一个运动状态。比如，1，0，0 即 1s 称为1s 轨道 2，0，0 即 2s 称为2s 轨道 2，1，0 即 称为2pz 轨道 在量子力学中，把三个量子数都有拟定值波函数称为一个原子轨道。总结第43页第43页总而言之：是描述核外电子运动状态数学函数式；在量子力学中把每一个这种波函数称为原子轨道；它代表原子中核外电子一个运动状态；每一个原子轨道即每一个都有与之相应E。Schrdinger方程物理意义：方程物理意义：对一个质量为m，在势能为V 势场中运动微粒(如电子)来说，方程每一个特定解(r,)n，l，m 表示原子中电子一个运动状态，与 相应常数 E 即为该状态能量。理解第44页第44页 依据量子力学理论，电子不是沿着固定轨道依据量子力学理论，电子不是沿着固定轨道绕核旋转，而是在原子核周围空间不久地运动绕核旋转，而是在原子核周围空间不久地运动着。因此，我们不能必定电子在某一瞬间在空间着。因此，我们不能必定电子在某一瞬间在空间什么位置上。但这并不是说电子运动没有规律什么位置上。但这并不是说电子运动没有规律性，大量电子运动或一个电子千百万次运动性，大量电子运动或一个电子千百万次运动含有一定规律性。能够统计办法推算出电子含有一定规律性。能够统计办法推算出电子在空间出现几率大小。电子运动含有一定几在空间出现几率大小。电子运动含有一定几率分布规律。率分布规律。END第45页第45页几率(概率)电子在核外空间某一区域出现机会 表示：电子在核外空间某处单位微体积内出现 几率 即几率密度(概率密度)几率=几率密度体积电子云以小黑点疏密描述电子在核外出现几率密度分布空间图象。是电子在核外空间出现几率密度大小形象化描述s电子云：球形对称p电子云：无柄哑铃形，px py pzd电子云：花瓣形，8.1.4 8.1.4 几率密度和电子云几率密度和电子云表示办法由波函数描述波为几率波，波强度与几率密度成正比1s电子云电子云第46页第46页ns电子云空间分布图2p电子云空间分布图第47页第47页几率密度分布几种表示办法(c)等几率面空间图象第48页第48页1.径向分布函数D(r)：空间微体积问问D(r)与与2 图形有何区别图形有何区别?8.1.5 波函数空间图象？rr+dr则单位厚度球壳内几率在球壳内发觉电子几率：第49页第49页半径为 r 单位厚度球壳内发觉电子几率;几率密度,指在核外空间某点附近单位体积内发觉电子几率.(2)由图可知,1s径向分布曲线有一个大几率峰,对H,（为何?）其它状态:2s 2个峰2p 1个峰3s 2个峰3p 2个峰3d 2个峰几率最大峰半径相同几率最大峰半径相同规律规律：(n-l)个峰，个峰，n相同，主峰半径相近相同，主峰半径相近,可见电子分层分布可见电子分层分布.END第50页第50页节面峰数=nl角度分布第51页第51页+30602.角度分布(1)原子轨道角度分布其它第52页第52页(2)电子云角度分布图态两者区别？第53页第53页(3)3d态：n=3,l=2,m=0,四个量子数第54页第54页 主量子数主量子数 n (principal quantum number)磁量子数磁量子数 m(magnetic quantum number)自旋量子数自旋量子数 ms(spin quantum number)角量子数角量子数(azimuthal quantum number)n=1,2,3,8.1.6 四个量子数四个量子数END第55页第55页与电子能量相关，是决定能量大小主要原因;对于氢原子，电子能量唯一决定于n；不同n 值，对应于不同电子层：主量子数n：取值 K L M N O轨道能量是量子化 核外电子按能级高下分层分布不同能级层次称为电子层n 描述电子层能级高下顺序和离核远近参数电子层是按电子出现几率较大区域离核远近划分。角量子数第56页第56页角量子数l：(副量子数)l 取值 0，1，2，3n1 相应着 s,p,d,f.(亚层)l 决定了角度函数形状。描述原子轨道或电子云形状.l 表示同一层中含有不同状态分层或称亚层n=1，l=0，1sn=2，l=0，1，2s，2pn=3，l=0，1，2 3s，3p，3dn=4，l=0，1，2，3 4s，4p，4d，4f第57页第57页 对单电子原子或离子，E只与n相关如对H原子，（l 相同时n则E）对多电子原子，（n相同时 l则E）因此 l 与多电子原子能量相关磁量子数m：同一亚层中还包含若干个空间伸展方向不同原子轨道m描述原子轨道或电子云在空间伸展方向描述原子轨道或电子云在空间伸展方向m可取 0，1,2l；有（2 l+1）个m值列表第58页第58页l012m00，+1，-10，+1，-1，+2，-2原子轨道符号spz，px，pym与E无关,同一亚层中原子轨道能量相等；能量相等轨道等价轨道或简并轨道。简并轨道数目称为简并度（2l+1）线状光谱分裂原因：在外加磁场作用下，因为伸展方向不同，角动量在外加磁场方向上分量大小不 同，而显示微小能量差别。ms第59页第59页自旋量子数ms：描述电子自旋运动；取值：表示：“”，“”示顺时针 或 逆时针归纳 在应用高分辨率光谱仪观测氢原子光谱时，人们发觉，氢原子在无外磁场时，电子由2 2p p能级跃迁到1 1s s能级时得到不是1 1条谱线，而是靠得很近2 2条谱线。1925 1925年,人们为解释此现象沿用旧量子论中习惯名词提出电子有自旋运动假设，引出了第四个量子数，称为自旋量子数。须指出，电子自旋并非真像地球绕轴自旋一样，它只是表示电子两种不同状态考虑自旋后，由于自旋磁矩和轨道磁矩互相作用分裂成两个相隔很近2p 2p 能级，因此2p2p与1s1s间跃迁可得两条很靠近谱线第60页第60页 n,l,m 一定，轨道也拟定 l 0 1 2 3 轨道 s p d f 比如:n=2，l=0，m=0，2s n=3，l=1，m=0，3pz n=3，l=2，m=0，3dz2思考：当n为3时,l,m 分别能够取何值？轨道名称?总而言之，原子中每个电子运动状态可用四个量总而言之，原子中每个电子运动状态可用四个量 子数子数n,l,m，ms来描述，四个量子数拟定后，电子来描述，四个量子数拟定后，电子核外空间运动状态就拟定了。核外空间运动状态就拟定了。小结第61页第61页小结(1)(1)：四个量四个量 子数子数n,l,m，ms可要求每个原子中电子运动可要求每个原子中电子运动状态。状态。主量子数主量子数n决定电子能量和电子离核远近。决定电子能量和电子离核远近。角量子数角量子数l决定电子轨道形状，在多电子原子中也影响决定电子轨道形状，在多电子原子中也影响电子能量。电子能量。磁量子数磁量子数m决定原子轨道或电子云伸展方向。决定原子轨道或电子云伸展方向。自旋量子数自旋量子数ms决定电子自旋方向。决定电子自旋方向。第62页第62页本节内容小结本节内容小结(2)：由于电子含有波粒二象性，又表现出量子化特性，因此核外电子运动没有固定轨道，但含有按几率分布统计规律性；可用Schrdinger方程描述电子运动；波函数是描述核外电子运动状态数学表示式，满足一定条件方程每一个合理解就表示电子某一也许稳定状态；也称原子轨道或原子轨函或轨道函数原子轨道空间图象，以角度分布图作为近似描述；以 空间图象电子云表示电子在核外空间出现 几率密度；以四个量子数来拟定核外每一个电子运动状态。END第63页第63页8.2.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级8.2 多电子原子结构多电子原子结构8.2.2 核外电子排布核外电子排布第64页第64页轨道：与氢原子类似，其电子运动状态 可描述为1s,2s,2px,2py,2pz,3s能量：与氢原子不同,能量不但与n相关,也与l相关;在外加磁场作用下,还 与m相关。8.2.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级Pauling近似能级图第65页第65页1.Pauling近似能级图特点第66页第66页特点：近似能级图是按原子轨道能量高下排列；能量相近能级划分为一组称为能级组能级组；通常有7个能级组；能量相同状态叫简并状态 p 轨道为三重简并；d 轨道为五重简并；f 轨道为七重简并；l 相同，n 不同时，n则E n相同，l 不同时，l则E，即发生能级分裂；n 不同，l 不同时较复杂，可能出现能级交织。图第67页第67页屏蔽效应第68页第68页2.2.屏蔽效应屏蔽效应 对单电子原子，如H，Z=1，核外只有一个电子，E 只与 n 相关；对多电子原子，一个电子不但受到原子核吸引，并且还受到其它电子斥力，尤如核电荷数减少了个；Z=Z*，Z*有效核电荷数，屏蔽常数屏蔽效应：多电子原子中由于其它电子对某一电子排斥作多电子原子中由于其它电子对某一电子排斥作用而抵消了部分核电荷，使有效核电荷用而抵消了部分核电荷，使有效核电荷 减少，减少，核对该电子吸引力被削弱作用称为核对该电子吸引力被削弱作用称为屏蔽作用屏蔽作用或或屏蔽效应屏蔽效应。Z*=Z屏蔽作用大小第69页第69页 各电子层屏蔽作用大小：KLMN 离核越近电子对外层电子屏蔽作用越大;l 同n不同时,1s2s3s;2p3p4p同一内层电子对d、f 电子屏蔽作用大，而对s、p电子小；当屏蔽电子数越多或被屏蔽电子离核越远时，值越大。n 相同时，为何其它电子对相同时，为何其它电子对l 越大电子屏蔽作用越大？越大电子屏蔽作用越大？钻穿效应用Slater规则近似求算屏蔽常数。第70页第70页屏蔽常数计算办法 SlaterSlater规则：(1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d),(4s,4p),(4d),(5s,5p)处于被屏蔽电子右侧各组对被屏蔽电子处于被屏蔽电子右侧各组对被屏蔽电子=0如被屏蔽电子为如被屏蔽电子为(ns,np)组中电子，则同组每个其它电子对组中电子，则同组每个其它电子对此电子此电子=0.35(同组为同组为1s时时=0.30)，(n-1)电子层中每个电子电子层中每个电子对此电子对此电子=0.85，(n-2)以及更内层电子以及更内层电子=1.00被屏蔽电子为被屏蔽电子为(nd)或或(nf)组中电子，则同组每个其它电子对组中电子，则同组每个其它电子对此电子此电子=0.35，所有左侧各组中每个电子对此电子，所有左侧各组中每个电子对此电子=1.00计算原子中某电子计算原子中某电子值，可将相关屏蔽电子对该电子值，可将相关屏蔽电子对该电子值相加：值相加：=1+2+3+Slater依据光谱试验资料提出以下计算屏蔽常数近似规则。利用这个规则能够粗略地预计电子在不同轨道上能量。将原子电子层结构用括号分成以下小组：第71页第71页钻穿作用：外层电子钻到原子内部空间而靠近原子核现象。2s,2p轨道径向分布图3d 与 4s轨道径向分布图3.钻穿效应钻穿效应 第72页第72页钻穿效应钻穿效应 外层电子钻到内层空间靠近原子核，受到 原子核较强吸引,使能量减少作用。电子钻穿效应越大，更能回避其它电子屏蔽作用，受到核吸引力越强，因而能量越低。n 相同，l 不同时，钻穿效应 ns np nd nf(解释能级分裂)解释能级交错Cotton第73页第73页4.Cotton原子轨道能级图 n 相同氢原子轨道简并性。原子轨道能量随原子序数增大而减少。伴随原子序数增大，原子轨道产生能级交错现象。核外电子排布1第74页第74页核外电子分布三规则：最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最 低。Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反电子。(即在同一个原子中没有四个量子数完全相应相同电子)Hund 规则 在 n 和 l 相同轨道上分布电子,将尽也许分占 m 值不同轨道,且自旋平行。8.2.2 核外电子排布核外电子排布阐明第75页第75页 s p d f 原子轨道数 1 3 5 7 (2l+1)最多电子数 2 6 10 141)每一个运动状态只能有一个电子;2）每个轨道最多能容纳两个自旋相反电子;3）每个电子层中原子轨道总数 n24）每个电子层中电子最大容量 2n2第76页第76页半满全满规则：当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。Z=26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 N：1s2 2s2 2p3Ar称为原子芯练比如比如,C Z=6轨道表示式：轨道表示式：1s2s2p电子结构式电子结构式或电子排布式或电子排布式电子构型书写方式：第77页第77页4s3d决定基态中性原子或离子核外电子排布时，最主线是考虑整个原子或离子在哪一个状态能量最低，而不是任何情况只看轨道能量高下。第78页第78页利用三原则讨论核外电子排布NeNaKBrCr归纳第79页第79页量子数，电子层，电子亚层之间关系每个亚层中轨每个亚层中轨道数目道数目1 3 5 72 6 10 142 8 18 2n2每个亚层最多容每个亚层最多容纳电子数纳电子数每个电子层最多每个电子层最多 容纳电子数容纳电子数主量子数主量子数 n 1 2 3 4电子层电子层 K L M N角量子数角量子数 l 0 1 2 3电子亚层电子亚层 s p d f元素周期律元素周期律第80页第80页8.3.1 原子电子层结构和原子电子层结构和 元素周期系元素周期系8.3 元素周期律元素周期律8.3.2 元素性质周期性元素性质周期性第81页第81页8.3.1 原子电子层结构和元素周期系原子电子层结构和元素周期系第82页第82页元素周期表(长表)：周期(号)数=电子层数。各周期元素数目=最高能级组中原子轨道所能容纳电子总数。周期划分原子电子层结构：依据核外电子排布三原则和光谱试验结果，可得周期系中各元素原子电子层结构。第83页第83页1、周期划分依据原子电子层结构划分为七个周期周期名称周期数 元素数目 最高能级组原子轨道 电子最大容量特短周期121s2短周期282s2p8383s3p8长周期4184s3d4p185185s4d5p18专长周期6326s4f5d6p32未完毕周期723(未满)7s5f6d7p32第84页第84页预计第8、9周期有多少种元素？周期与能级组关系：元素周期划分实质上是按原子结构中能级组高 低顺序划分；元素所在周期数=原子外层电子所处最高能级组数=电子层数各周期元素数目=最高能级组内轨道所能容纳电子总数原子中外层电子每进入一个新能级组，周期表就出现一 个新周期；而外层电子填满一个能级组就完毕一个周期；每一能级组中电子填充都从ns1开始np6结束 碱金属稀有气体由此证实，电子周期性排布元素性质周期性改变 （电子层结构周期性）族划分第85页第85页周期与能级组关系：族划分第86页第86页2、族划分主族（A）：原子中最后一个电子填入亚层为s或p 包括短周期族：A、A、A、A,零族 族数=原子最外层电子数A ns1A ns2A ns2np5副族（B）：原子最后填入电子亚层为d 或 f 不包括短周期族：B、B、B、和B B 族数=ns电子+(n-1)d电子数 如CrB、B 族数=ns电子数 ns电子+(n-1)d电子数之和=810 过渡元素长周期表划分为16个族 18个纵行7个主族7个副族零族(A)族(B)区第87页第87页s 区ns12 最后一个电子s p 区ns2np16 最后一个电子p d 区(n1)d19ns12 (Pd无s电子)最后一个电子dds区(n1)d10ns12 最后一个电子s或df 区(n2)f114(n1)d02ns2 最后一个电子f3、区划分例第88页第88页掌握 周期表中位置 原子电子层结构例3-3已知 Z=25，写出原子电子结构式、名称、符号及 所属周期和族。解：电子结构式 名称 锰 元素符号 Mn 属d区元素、位于第四周期、第B族例3-3已知某元素在周期表中位于第五周期、A族，试写出 该元素基态原子电子排布式、元素名称、符号和 原子序数。解：电子排布式 元素名称 碲 元素符号 Te 原子序数 52练第89页第89页练习1已知某元素处于周期表中第四周期、A族，试写出 该元素原子电子排布式、原子核电荷数和名称。练习2已知某元素原子序数为26，试指出它在周期表中位 置、名称和元素符号。位于第四周期、族、d区 元素周期律第90页第90页元素周期律：元素以及由它形成单质和化合物性质，伴随元素原子序数(核电荷数)依次递增，呈现周期性改变。1.原子半径（r）8.3.2 8.3.2 元素性质周期性元素性质周期性 原子核周围是电子云，它们没有拟定边界。普通所谓原子半径是指形成共价键或金属键时原子间接触所显示半径。第91页第91页示意图 共价半径共价半径：同种元素原子，形成共价单键时，两原子核间距二分之一。van der Waals 半径半径：分子晶体中，原子以范德华力作用时，两相邻原子核间距二分之一。金属半径金属半径：金属晶体中，两相邻原子核间距二分之一。主族元素主族元素：同一周期从左到右：同一周期从左到右,随随Z,Z,r 减小；减小；同一族从上到下同一族从上到下,随随Z,电子层数电子层数,r 增大。增大。过渡元素过渡元素：同一周期从左到右：同一周期从左到右,r 缓慢减小；缓慢减小；同一族从上到下，同一族从上到下，r增长幅度很小增长幅度很小,甚至相等甚至相等.d（核间距）第92页第92页主族元素主族元素示意图第93页第93页 元素原子半径改变趋势镧系收缩第94页第94页 镧系元素从左到右，原子半径减小幅度更小，这是由于新增长电子填入外数第三层上，对外层电子屏蔽效应更大，外层电子所受到 Z*增长影响更小。镧系元素从镧到镱整个系列原子半径减小不明显现象称为镧系收缩。电离能短周期平均为 10pm；（新增电子填充在（n-1）d 轨道）d区过渡元素平均为 4pm；f区镧系元素平均为 1pm。相邻原子间减小幅度平均值：（新增电子填充在（n-2）f 轨道）第95页第95页2.电离能 基态气态原子失去电子成为带一个正电荷气态正离子所需要能量称为第一电离能，用 I 1表示。由+1价气态正离子失去电子成为+2价气态正离子所需要能量称为第二电离能，用 I 2表示。A+(g)A 2+(g)+e-I 2A(g)A+(g)+e-I 1比如：图第96页第96页规律第97页第97页 N、P、As、Sb、Be、Mg电离能较大电离能较大 半满，全半满，全满。出现反常：满。出现反常：BeB；N O同一主族同一主族：从上到下，最外层电子数相同；：从上到下，最外层电子数相同；Z*增长不多，增长不多，r 增大为主要原因，核对外层电子引力依次削弱，电子易增大为主要原因，核对外层电子引力依次削弱，电子易失去，失去，I 依次变小。依次变小。同一周期同一周期：主族元素主族元素从从A 到卤素，到卤素，Z*增大，增大，r 减小，减小，I 增增大。其中大。其中A I1 最小，稀有气体最小，稀有气体 I1 最大；长周期中部最大；长周期中部(过渡过渡元素元素)，电子依次加到次外层，电子依次加到次外层，Z*增长不多，增长不多，r 减小缓慢，减小缓慢，I 略有增长。略有增长。电离能越小，原子易失去电子，金属性强；电离能越大，原子不易失去电子，非金属性强；通常非金属I较大，而金属I较小。电子亲和能I1最大？I1最小？第98页第98页3.电子亲和能 元素气态原子在基态时取得一个电子成为一价气态负离子所放出能量称为电子亲和能。当负一价离子再取得电子时要克服负电荷之间排斥力，因此要吸取能量。O(g)+e-O-(g)E1=-140.0 kJ.mol-1O-(g)+e-O2-(g)E2=844.2 kJ.mol-1比如：普通元素第一电子亲和能0，即吸热，普通，非金属元素E1较大，示得电子倾向强；非金属元素I1较大，示难失电子；规律第99页第99页 同一周期：从左到右，Z*增大，r 减小，最外层电子数依次增多，趋向于结合电子形成 8 电子结构，E 负值增大。卤素 E 呈现最大负值，A为正值，稀有气体 E 为最大正值。同一主族：从上到下，规律不很明显，大部分 E 负值变小。特例：E(N)为正值，是 p 区元素中除稀有气体外唯一正值。E 最大负值不出现在 F 原子而是 Cl 原子。反常现象：OS，FCl 最大电了亲合能出现在第三周期 电负性第100页第100页 原子在分子中吸引电子能力称为元素电负性，用 表示。电负性标度不同，数据不同，但在周期系中改变规律是一致。电负性能够综合衡量各种元素金属性和非金属性。同一周期从左到右电负性依次增大；同一主族从上到下电负性依次变小，F 元素 为3.98，非金属性最强。电负性最小Cs,金属性最强。电负性标度有各种，常见有Mulliken标度()，Pauling标度()和Allred-Rochow 标度 4.电负性图第101页第101页电负性()改变第102页第102页氢原子光谱HHHH氢放电管紫 蓝 青 红特性与规律第103页第103页