原子结构与周期系

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1、1 2 第 一 节 核 外 电 子 运 动 的 特 征 （ 了 解 ）一 、 量 子 化 特 性能 量 的 量 子 化 能 量 变 化 (发 射 、 吸 收 等 ) 是 不 连 续的 ， 是 某 一 基 本 量 (即 量 子 ) 的 整 数 倍 。量 子 的 能 量 为 E = h 变 化 总 能 量 为 E = nh二 、 波 粒 二 象 性 电 子 衍 射 实 验 证 明 了 电 子 运 动 具 有 与 光 相 似 的 波 动 性 。 波 粒 二 象 性 是 所 有 微 观 粒 子 （ 电 子 、 原 子 等 ） 运 动 的一 个 重 要 特 性 。 = h /p = h / m 3 第

2、二 节 核 外 电 子 运 动 状 态 的 描 述 量 子 力 学 原 子 模 型一 、 薛 定 谔 方 程 （ 了 解 ） 量 子 力 学 中 描 述 核 外 电 子 在 空 间 运 动 的数 学 函 数 式 ， 即 原 子 轨 道 E 轨 道 能 量 （ 动 能 与 势 能 总 和 ）m微 粒 质 量 ， h普 朗 克 常 数x, y, z 为 微 粒 的 空 间 坐 标 ， (x,y,z) 波 函 数0)(8 22222222 VEh mzyx 4二 、 波 函 数 和 原 子 轨 道 (轨 函 ) 将 直 角 坐 标 转 换 为 球 极 坐 标 后 ， 得 n ,l ,m (r,)=R

3、 n ,l (r) Y l ,m (,) 径 向 部 分 角 向 部 分 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 n , l , m 。 解 薛 定 谔 方 程 ， 就 是 解 出 对 应 一 组 n , l , m的波 函 数 n ,l ,m (r,)及 其 相 应 的 能 量 E n ,l 。 5 波 函 数 n ,l ,m （ 原 子

4、 轨 函 ， 原 子 轨 道 ） 是 量 子 力学 中 描 述 原 子 核 外 电 子 运 动 状 态 的 数 学 函 数 式 ，它 的 图 像 表 示 某 一 电 子 的 运 动 状 态 ， 即 在 核 外 空间 范 围 内 电 子 出 现 的 概 率 。 为 了 描 述 电 子 自 旋 运 动 的 特 征 ， 又 引 入 了 一 个自 旋 量 子 数 ms 。 本 课 程 只 定 性 解 释 解 波 函 数 得 出 的 结 论 。 6 三 、 四 个 量 子 数1、 主 量 子 数 n (电 子 层 )n = 1, 2, 3, 4正 整 数 ， 它 决 定 电 子 离 核 的 远 近 和

5、能 级 。2、 角 量 子 数 l (分 层 ， 电 子 亚 层 )l = 0, 1, 2, 3n-1 ( l n ) ， 以 s， p， d、 f 表 示 它 决 定 了 原 子 轨 道 或 电 子 云 的 形 状 ， 也 是 决 定 多 电 子原 子 中 电 子 能 量 的 因 素 。3、 磁 量 子 数 mm描 述 原 子 轨 道 在 空 间 的 伸 展 方 向 。m = 0, 1, 2, 3. l ( m l ), 一 种 取 向 相 当 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

6、轨 道或 简 并 轨 道 。 重 要 74、 自 旋 量 子 数 msms = 1/2, 表 示 电 子 在 核 外 运 动 有 自 旋 相 反 的 两种运 动 状 态 ， 通 常 用 “”和 “”表 示 。几 点 说 明 (1)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 。(2)泡 利 不 相 容 原 理 在 同 一 原 子 中 ， 不 能 有 四 个量 子 数 完 全 相 同 的 两 个 电 子 存 在 。 （ 每 个 原 子轨 道 最 多 能 容 纳 两 个 电 子 ， 并 且 自 旋 相 反 ） 8 (3)多 电

7、 子 原 子 中 电 子 能 量 与 n 和 l 有 关 单 电 子 原 子 中 电 子 能 量 只 与 n 有 关即 单 电 子 原 子 E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d Ens= Enp = End = Enf 多 电 子 原 子 E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d E ns Enp End Enf 9 核 外 电 子 运 动 的 可 能 状 态 数 n l( l n ) 轨 道 符号（ 能 级 ） m ( ml ) 轨 道数 各 电 子 层轨 道 数（ n2） 最 多

8、 状 态 数（ 电 子 数 ） （ 2n2） 1 0 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 10 例 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 ？(1) n =2, l =1, m=0, ms= +1/2 合 理 2p 能

9、 级(2) n =3, l =3, m=2, ms= -1/2 不 合 理 。 因 取 值 l n 。(3) n =3, l =2, m=2, ms= +1/2 合 理 3d 能 级(4) n =4, l =2, m=3, ms= +1/2 不 合 理 。 因 取 值 m l 。(5) n =2, l =1, m=1, ms= -1 不 合 理 。 因 m s只 能 取 +1/2 或 -1/2。 (四 个 量 子 数 取 值 的 相 互 限 制 关 系 l n， ml， ms 1/2) 11 四 、 概 率 (几 率 )密 度 和 电 子 云1、 概 率 与 概 率 密 度 把 电 子 在 某

10、 空 间 区 域 内 出 现 的 机 会 叫 概 率 (几 率 ) 。 代 表 核 外 空 间 某 处 单 位 微 体 积 中 电 子 出 现 的 概 率 ，即 概 率 密 度 。2、 电 子 云 概 率 密 度 的 一 种 图 像 表 示 法电 子 云 用 小 黑 点 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 的 图 像 。 （ 见 p137 图 7-7） 12五 、 波 函 数 和 电 子 云 的 空 间 形 状 要 用 波 函 数 的 角 向 部 分 Y 和 径 向 部 分 R 才能 完 整 描 述 原 子 轨 道 和 电 子 云

11、 的 实 际 图 像 。 n ,l ,m (r,)=R n ,l (r) Y l ,m (,) 原 子 轨 道 径 向 部 分 角 向 部 分 13 (一 ) 波 函 数 的 角 向 部 分1、 原 子 轨 道 角 度 分 布 图原 子 轨 道 角 度 分 布 图 的 绘 制 （ 了 解 ） a、 解 薛 定 谔 方 程 ， 可 解 出 对 应 n , l , m的 一 系 列 波 函数 n ,l ,m (r,) ， 即 R n ,l (r)和 Y l ,m (,) 。 b、 以 Y l ,m (,)在 球 极 坐 标 中 作 图 ， 可 得 原 子 轨 道 角度 分 布 图 。说 明 a、

12、Yns是 常 数 ， 与 ,角 度 无 关 ， ns 原 子 轨 道 角 度 分布 图 是 一 个 球 面 。 其 它 轨 道 则 与 ,角 度 有 关 。 b、 原 子 轨 道 角 向 部 分 Y l ,m (,)只 与 l ,m有 关 ， 与 n 无关 。 因 此 ， 不 同 电 子 层 n的 s, p, d, f 原 子 轨 道 角 度 分 布图 相 似 。 重 要 14 s、 p、 d 各 种 原 子 轨 道 的 角 度 分 布 剖 面 图 （ 1） P140 图 7-13 15 s、 p、 d 各 种 原 子 轨 道 的 角 度 分 布 剖 面 图 （ 2）P140 图 7-13 1

13、6 2、 电 子 云 角 度 分 布 图 2n ,l ,m (r,)=R2 n ,l (r) Y2 l ,m (,) 电 子 云 径 向 部 分 角 向 部 分电 子 云 角 度 分 布 图 的 绘 制 （ 了 解 ） 以 Y2 l ,m (,)在 球 极 坐 标 中 作 图 ， 可 得 电 子 云 角度 分 布 图 。说 明 a、 Y2ns是 常 数 ， 与 ,角 度 无 关 ， ns电 子 云 角 度 分布 图 是 一 个 球 面 。 其 它 轨 道 则 与 ,角 度 有 关 。 b、 电 子 云 角 向 部 分 Y2 l ,m (,)只 与 l ,m有 关 ， 与 n 无关 。 因 此

14、， 不 同 电 子 层 n的 s, p, d, f 电 子 云 角 度 分布 图 相 似 。 17 s、 p、 d 各 种 电 子 云 的 角 度 分 布 图参 见 P138 图 7-9， P141 图 7-14 18例 简 述 原 子 轨 道 角 度 分 布 图 与 电 子 云 角 度分 布 图 的 区 别 。答 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 一 些 ， 而 电 子 云 的角 度 分 布 图 要 瘦 一 些 。 这 是 由 于 Y l ,m (,)

15、值 小于 1， 而 Y2 l ,m (,)值 更 小 。 b、 原 子 轨 道 角 度 分 布 图 上 有 “ ” 和 “ ”之 分 ， 而 电 子 云 的 角 度 分 布 图 上 均 为 “ ” 值 。这 是 由 于 Y 值 虽 有 “ ” 和 “ ” ， 但 却都 是 “ ” 值 。 2Y 19第 三 节 原 子 核 外 电 子 排 布 和 元 素 周 期 系一 、 多 电 子 原 子 的 原 子 轨 道 能 级单 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 1s 2s 2p 3s 3p 3d 多 电 子 原 子 中

16、， 电 子 能 量 不 仅 要 考 虑 原 子 核 对 其 的吸 引 ， 还 应 考 虑 各 轨 道 电 子 之 间 的 相 互 排 斥 作 用 ，电 子 能 量 与 n 和 l 有 关 。即 1s 2s 2p 3s 3p 20 (一 ) 鲍 林 原 子 轨 道 近 似 能 级 图 重 要 21(1) 将 能 级 相 近 的 原 子 轨 道 排 为 一 个 能 级 组 ， 目 前 有 7个 能 级 组 。(2) 鲍 林 近 似 能 级 图 表 示 多 电 子 原 子 中 ， 原 子 轨 道 能级 的 高 低 顺 序 （ 与 n 和 l 有 关 ） (3) “ 能 级 交 错 ” （ 了 解 ）

17、 例 如 ： E4s E3d ， E 5s E4d ， E 6s E4f E5d 1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p能量升高 22 二 、 原 子 核 外 电 子 的 排 布 与 电 子 结 构(一 ) 核 外 电 子 排 布 的 原 则1、 能 量 最 低 原 理在 基 态 时 ， 核 外 电 子 总 是 尽 可 能 分 布 到 能 量 最 低 的轨 道 ， 使 整 个 体 系 的 能 量 最 低 。具 体 可 按 鲍 林 近 似 能 级 图 依 次 充 填 电 子1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7

18、s5f6d7p2、 泡 利 不 相 容 原 理在 同 一 原 子 中 ， 不 可 能 有 四 个 量 子 数 完 全 相 同 的 两个 电 子 存 在 。 （ 每 个 原 子 轨 道 最 多 能 容 纳 两 个 电 子 ，并 且 自 旋 相 反 ） 重 要 233、 洪 特 规 则在 等 价 轨 道 (n 和 l 相 同 )中 ， 电 子 尽 可 能 单 独 占 据各 等 价 轨 道 ， 且 自 旋 方 向 相 同 。 （ 电 子 成 对 能 ）如 ， p3 而 不 是洪 特 规 则 的 特 例 等 价 轨 道 全 充 满 、 半 充 满 或 全空 的 状 态 是 比 较 稳 定 的 。如 ，

19、 全 充 满 p6， d10， f14 半 充 满 p3， d5， f7 全 空 p0， d0， f0（ 电 子 云 整 体 为 一 球 形 对 称 状 态 ， 比 较 稳 定 。 ） 24 (二 )原 子 的 电 子 结 构例 写 出 原 子 序 数 为 8、 11的 元 素 的 符 号 及 电 子 结 构式 和 电 子 轨 道 式 。元 素 符 号 电 子 结 构 式 电 子 轨 道 式 O 1s22s22p4 Na 1s22s22p63s1原 子 实 体例 ， Ne 代 表 1s 2 2s22p6 Ar 代 表 1s2 2s22p6 3s23p6 Kr 代 表 1s2 2s22p6 3s

20、23p63d10 4s24p6 25 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 。解 元 素 符 号 电 子 结 构 式 外 围 电 子 构 型 （ 价 电 子 构 型 ） Cr Ar 3d54s1 3d54s1 Ni Ar 3d84s2 3d84s2 Cu Ar 3d104s1 3d104s1 Sr Kr 5s2 5s2 Sn Kr 4d 105s25p2 5s25p2按 鲍 林 近 似 能 级 图 排 布 电 子 ,再 调 整 同 一 电 子 层 排 在 一 起 。 26 原 子 失 去 或

21、 得 到 电 子 是 从 最 外 层 开 始 的 。例 元 素 符 号 原 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 3s 23p5 Cl 3s23p6 O 2s22p4 O2 2s22p6 27三 、 原 子 的 电 子 层 结 构 和 元 素 周 期 系(一 ) 原 子 的 电 子 层 结 构 见 p151 153 表 7-6 以 及 元 素 周 期 表 。主 族 元 素 、 第 4周 期 副 族 和 B

22、 、 B元 素 ， 完 全符 合 核 外 电 子 排 布 三 原 则 。第 5、 6周 期 副 族 元 素 以 及 镧 系 、 锕 系 元 素 ， 有 少部 分 “ 例 外 ”情 况 。 要 以 实 验 结 果 为 准 。掌 握 1 36号 元 素 名 称 、 元 素 符 号 、 电 子 结 构 等 28 (二 ) 原 子 的 电 子 层 结 构 与 周 期 的 划 分 原 子 的 电 子 层 结 构 呈 现 周 期 性 变 化 ， 导 致 元 素 性质 呈 现 周 期 性 变 化 。 能 级 组 的 划 分 是 周 期 划 分 的 本质 原 因 。 第 7周 期 是 不 完 全 周 期 。

23、周 期 数 能 级 组 数 电 子 层 数例 根 据 外 围 电 子 构 型 判 断 元 素 在 第 几 周 期 。 3s23p2 (第 3周 期 ) 3d104s1 (第 4周 期 ) 4s1 (第 4周 期 ) 4d15s2 (第 5周 期 ) 5s 25p5 (第 5周 期 ) 5d76s2 (第 6周 期 ) 例 外 ， 46Pd ， 4d10， 第 5周 期 ， 只 有 4个 电 子 层 。 29 30 (三 ) 原 子 的 电 子 层 结 构 与 族 的 划 分8个 主 族 (A族 )： A A， A为 稀 有 气 体 元 素 。8个 副 族 (B族 )： B B， B包 含 3个

24、 纵 列 。价 电 子 层 （ 外 围 电 子 ) ： 参 与 化 学 反 应 的 电 子 层 。（ 1） A族 ： A 、 A ns1 2 A A ns2 np1 6 主 族 的 族 数 =价 电 子 数 =最 高 氧 化 值（ 2） B族 ： 族 数 最 高 氧 化 值 B 、 B (n-1)d10 ns1 2 ns 电 子 数 部 分 价 电 子 数 B B (n-1)d 1 5ns1 2 价 电 子 数 价 电 子 数 B (n-1)d 6 10 ns0 2 部 分 价 电 子 数 部 分 价 电 子 数 31例 根 据 外 围 电 子 构 型 判 断 元 素 在 第 几 族 。 3s

25、23p2 ( A) 3d104s1 ( B) 4s1 ( A) 4d15s2 ( B ) 5s25p5 ( A) 5d76s2 ( B ) 32 (四 ) 原 子 的 电 子 层 结 构 与 元 素 的 分 区按 价 电 子 构 型 的 特 点 ， 分 为 五 个 区 s 区 ： A 、 A ， ns1 2， 都 是 活 泼 金 属 。p 区 ： A A， ns2 np1 6 ， 大 部 分 为 非 金 属 。d 区 ： B B， (n-1)d 1 10 ns0 2 ， 都 是 金 属 。ds 区 ： B 、 B， (n-1)d10 ns1 2 ， 都 是 金 属 。 f 区 ： 镧 系 (5

26、7 71号 元 素 )和 锕 系 (89 103号 元素 ) ， (n-2) f 1 14 (n-1)d0 2ns2 ， 都 是 金 属 。 33 第 四 节 元 素 某 些 性 质 的 周 期 性一 、 原 子 半 径概 念 （ 了 解 ） （ 1） 共 价 半 径 ： 同 种 元 素 的 两 个 原 子 以 共 价 单 价结 合 时 ， 核 间 距 离 的 一 半 。（ 2） 范 德 华 半 径 ： 在 分 子 晶 体 中 ， 相 邻 分 子 间 两个 邻 近 的 非 成 键 原 子 的 核 间 距 离 的 一 半 。（ 3） 金 属 半 径 ： 在 金 属 晶 体 中 ， 相 邻 的 两

27、 个 接 触原 子 的 核 间 距 离 的 一 半 。 共 价 半 径 金 属 半 径 范 德 华 半 径 34 （ 一 ） 同 一 周 期 元 素 原 子 半 径 的 变 化短 周 期 (1、 2、 3) ： 从 左 到 右 ， 原 子 半 径 逐 渐 减 小 ，变 化 幅 度 较 大 ， 最 后 稀 有 气 体 的 原 子 半 径 变 大 (范德 华 半 径 )。长 周 期 (4、 5、 6) ： 从 左 到 右 ， 原 子 半 径 逐 渐 减 小(指 总 体 趋 势 ， 过 渡 元 素 有 起 伏 )， 变 化 幅 度 较 小 。（ 二 ） 同 一 族 元 素 原 子 半 径 的 变 化

28、 主 族 元 素 ： 自 上 而 下 ， 原 子 半 径 逐 渐 增 大 。 副 族 元 素 ： 自 上 而 下 ， 原 子 半 径 逐 渐 增 大 (指 总 体趋 势 ， 有 例 外 ) ， 变 化 幅 度 较 小 ， 第 五 、 六 周 期 元素 原 子 半 径 非 常 接 近 ( 镧 系 收 缩 )。 35 四 、 元 素 的 电 负 性概 念 ：在 分 子 中 ， 元 素 原 子 吸 引 电 子 的 能 力 叫 元 素 的 电 负 性 。（ 常 用 鲍 林 电 负 性 ）(一 ) 同 一 周 期 元 素 的 电 负 性 的 变 化同 一 周 期 ， 自 左 至 右 ， 电 负 性 逐

29、渐 增 大 (总 体 趋 势 ) 。 （ 过 渡 元 素 变 化 较 不 规 则 ）(二 ) 同 一 族 元 素 的 电 负 性 的 变 化主 族 元 素 ： 自 上 而 下 ， 电 负 性 逐 渐 减 小 。 副 族 元 素 ： 电 负 性 变 化 较 不 规 则 。 F电 负 性 最 大 ， Cs电 负 性 最 小 。 （ 不 考 虑 稀 有 气 体 ） 36 本 章 小 结 1、 波 函 数 n ,l ,m与 原 子 轨 道 ； 概 率 密 度 与 电 子 云2、 原 子 轨 道 角 度 分 布 图 与 电 子 云 角 度 分 布 图 。3、 四 个 量 子 数 （ n ,l ,m , ms ） 。4、 核 外 电 子 排 布 三 原 则 （ 能 量 最 低 原 理 、 保 里 不 相容 原 理 、 洪 特 规 则 ）5、 原 子 轨 道 的 能 级 （ 鲍 林 原 子 轨 道 近 似 能 级 图 ） 。6、 原 子 的 电 子 层 结 构 与 周 期 、 族 、 区 的 划 分 。7、 原 子 半 径 、 电 负 性 等 元 素 性 质 的 周 期 性 变 化 。2本 章 练 习 7、 10、 16、 20、 21、 24