第十章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律PPT課件

1、Atomic Structure and Periodic Properties of Elements第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 一. 氫光譜和氫原子的Bohr模型1.Rutherford的原子有核模型（nuclear model）一. 氫光譜和氫原子的Bohr模型2.氫原子的線狀光譜（line spectrum）第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 白光散射連續(xù)光譜。H原子受激發(fā)線狀光譜。 3.Bohr 的氫原子模型電子沿固定軌道繞核運電子沿固定軌道繞核運動，不吸收也不輻射能動，不吸收也不輻射能量，稱為定態(tài)。量，稱為定態(tài)。 軌道能量稱為能級。軌道能量稱為能級。能量最低時，為基

2、態(tài)，其它能量較高的狀態(tài)都稱為激發(fā)態(tài)。一. 氫光譜和氫原子的玻爾（ Bohr ）模型第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 原子由一種定態(tài)（能級原子由一種定態(tài)（能級E1）躍遷到）躍遷到另一種定態(tài)（能級另一種定態(tài)（能級E2）。）。 躍遷所吸收或輻射光子的能量等于躍遷所吸收或輻射光子的能量等于躍遷前后能級的能量差：躍遷前后能級的能量差：E = h = | E E | 普朗克常量普朗克常量 h = 6.62610-34 Js。 一. 氫光譜和氫原子的玻爾（ Bohr ）模型第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 一. 氫光譜和氫原子的Bohr模型不能解釋多電子原子光譜，不能說明氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。電

3、子等微觀粒子的運動不遵守經(jīng)典物 理學(xué)規(guī)律。第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 二. 電子的波粒二象性1.光子既有波動性又有粒子性，稱為波粒二象性光子既有波動性又有粒子性，稱為波粒二象性（particle-wave duality）。）。光作為電磁波，有波長光作為電磁波，有波長或頻率或頻率，能量，能量E= h光子作為粒子，又有動量光子作為粒子，又有動量p=mc運用運用Einstein方程式方程式E=mc2及及=c/，得到得到=h/mc第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 二. 電子的波粒二象性2.de Broglie關(guān)系式（de Broglie relation） 法國物理學(xué)家法國物理學(xué)家

4、de Broglie 類比光的波粒二象性，類比光的波粒二象性，指出微觀粒子如電子、原子等，都具有波動性，指出微觀粒子如電子、原子等，都具有波動性，并導(dǎo)出了其關(guān)系式：并導(dǎo)出了其關(guān)系式： p為粒子的動量，為粒子的動量，m為質(zhì)量，為質(zhì)量，為速度；為速度；為粒子為粒子波波長。波波長。 微觀粒子的波動性和粒子性通過普朗克常量微觀粒子的波動性和粒子性通過普朗克常量h聯(lián)聯(lián)系和統(tǒng)一起來。系和統(tǒng)一起來。mhph第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 二. 電子的波粒二象性3.Davisson和和Germer實驗實驗 1927年，美國物理學(xué)家年，美國物理學(xué)家Davisson C和和Germer L用電子束代替用電

5、子束代替X射線，用鎳晶體薄層射線，用鎳晶體薄層作為光柵進(jìn)行衍射實驗，得到與作為光柵進(jìn)行衍射實驗，得到與X射線衍射類射線衍射類似的圖像，證實了電子的波動性。似的圖像，證實了電子的波動性。第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 二. 電子的波粒二象性4.電子波是概率波電子波是概率波(probability wave) 電子波是統(tǒng)計性的。讓電子穿越晶體，每電子波是統(tǒng)計性的。讓電子穿越晶體，每次到達(dá)底片的位置是隨機的，多次重復(fù)以后，次到達(dá)底片的位置是隨機的，多次重復(fù)以后，底片某個位置上電子到達(dá)的概率就顯現(xiàn)出來。底片某個位置上電子到達(dá)的概率就顯現(xiàn)出來。第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 三. 不確定

6、性原理(uncertainty principle) Heisenberg指出，無法同時確定微觀粒指出，無法同時確定微觀粒子的位置和動量：子的位置和動量： x pxh/4 x粒子在粒子在x方向的位置誤差。方向的位置誤差。 px動量在動量在x方向的誤差。方向的誤差。 不確定性不確定性原理意味著原理意味著微觀粒子運動不存在既確微觀粒子運動不存在既確定位置又有確定速度的運動軌跡。定位置又有確定速度的運動軌跡。 第一節(jié) 量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運動特性 一. 波函數(shù)及四個量子數(shù)的物理意義 1.波函數(shù)波函數(shù) （wave function） 原子中電子具有波動性，奧地利物理學(xué)家原子中電子具有波動性，奧地利物

7、理學(xué)家Schrdinger導(dǎo)出導(dǎo)出Schrdinger方程，方程的解方程，方程的解波函數(shù)波函數(shù) ，用來描述電子的運動狀態(tài)。，用來描述電子的運動狀態(tài)。第二節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)解釋 VEhmzyx222222228Schrdinger方程方程：空間直角坐標(biāo)zyx,常數(shù)：Planckh：勢能V：能量E波函數(shù)： ：質(zhì)量m 1926年奧地利物理學(xué)家年奧地利物理學(xué)家Schrdinger建立著名的建立著名的描述核外電子運動狀態(tài)的波動方程描述核外電子運動狀態(tài)的波動方程 量子力學(xué)中把波函數(shù)量子力學(xué)中把波函數(shù)又稱為原子軌道。又稱為原子軌道。2.| |2的意義的意義 本身物理意義并不明確，但本身物理意義并不明確

8、，但| |2卻有明卻有明確的物理意義。表示在原子核外空間某點處電確的物理意義。表示在原子核外空間某點處電子出現(xiàn)的概率密度（子出現(xiàn)的概率密度（probability density），即），即在該點處單位體積中電子出現(xiàn)的概率。在該點處單位體積中電子出現(xiàn)的概率。3.電子云（electron cloud） 圖形圖形a是基態(tài)氫原子是基態(tài)氫原子|2的立體圖，的立體圖，b是剖面圖是剖面圖。黑色深的地方概率密度大，淺的地方概率密。黑色深的地方概率密度大，淺的地方概率密度小。概率密度的幾何圖形俗稱電子云。度小。概率密度的幾何圖形俗稱電子云。ab4.原子軌道（原子軌道（atomic orbital）描述原子中單

9、個電子運動狀態(tài)的波函數(shù)描述原子中單個電子運動狀態(tài)的波函數(shù)常稱常稱作原子軌道。作原子軌道。原子軌道僅僅是波函數(shù)的代名詞，絕無經(jīng)典力原子軌道僅僅是波函數(shù)的代名詞，絕無經(jīng)典力學(xué)中的軌道含義。學(xué)中的軌道含義。嚴(yán)格地說原子軌道在空間是無限擴(kuò)展的，但一嚴(yán)格地說原子軌道在空間是無限擴(kuò)展的，但一般把電子出現(xiàn)概率在般把電子出現(xiàn)概率在99%的空間區(qū)域的界面作的空間區(qū)域的界面作為原子軌道的大小。為原子軌道的大小。合理的波函數(shù)合理的波函數(shù)必須滿足一些整數(shù)條件，否則必須滿足一些整數(shù)條件，否則將為零，將為零， | |2也為零，即空間沒有電子出現(xiàn)。也為零，即空間沒有電子出現(xiàn)。這些整數(shù)條件分是這些整數(shù)條件分是n、l、m，稱為

10、量子數(shù)（，稱為量子數(shù)（quantum number） 。 n、l 和和 m 這三個量子數(shù)的取值一定時，就確定這三個量子數(shù)的取值一定時，就確定了一個原子軌道，即波函數(shù)了一個原子軌道，即波函數(shù)n,l,m。5.主量子數(shù)（主量子數(shù)（principal quantum number）符號符號 n， n 也稱為電子層（也稱為電子層（shell）。）。取任意正整數(shù)值，即取任意正整數(shù)值，即n = 1，2，3， 它是決定電子能量的主要因素。它是決定電子能量的主要因素。決定電子離核的平均距離，決定電子離核的平均距離，n 愈大，電子離核愈大，電子離核距離愈遠(yuǎn)，原子軌道也愈大。距離愈遠(yuǎn)，原子軌道也愈大。電子層用下列符

11、號表示：電子層用下列符號表示：電子層n1234 符號KLMN 6.軌道角動量量子數(shù)（軌道角動量量子數(shù)（orbital angular momentum quantum number）角量子數(shù)角量子數(shù) 符號符號 l ，取小于，取小于 n 的正整數(shù)和零的正整數(shù)和零 l = 0、1、2、3 (n 1)，共，共n個值個值l 稱為電子亞層或能級（稱為電子亞層或能級（subshell 或或sublevel）。它決定原子軌道的形狀。它決定原子軌道的形狀。在多電子原子中在多電子原子中 l 和和 n共同決定電子能量高低。共同決定電子能量高低。當(dāng)當(dāng) n 一定，一定，l 愈大，原子軌道能量越高。愈大，原子軌道能量越

12、高。電子亞層用下列符號表示：電子亞層用下列符號表示：能級符號spdfl0123角量子數(shù)角量子數(shù) l l的取值 0，1，2，3n1 對應(yīng)著 s, p, d, f. (亞層) l決定原子軌道的形狀，在多電子原子中也決定電子的能量。 s p d 軌道形狀 球形 啞鈴形 花瓣形xzyyY2pxyzyzd3xyz7.磁量子數(shù)（磁量子數(shù)（magnetic quantum number） 符號符號 m ，取值，取值m = 0、1、2，l它決定原子軌道的空間取向。它決定原子軌道的空間取向。相同能級的軌道能量相等，稱為簡并軌道或等相同能級的軌道能量相等，稱為簡并軌道或等價軌道（價軌道（equivalent or

13、bital）。）。 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m m可取 0，1, 2l ； 其值決定原子軌道的空間伸展方向。xyzzY2pxY2pxyzyY2pxyz3. 3d態(tài)：n=3, l=2, m=0,2, 12d3zxyzyzd3xyzxzd3xyzxyd3xyz22d3yx xyz簡并軌道簡并軌道 多電子原子中，當(dāng)n、l相同而m不同時，軌道能量相同，空間伸展方向不同，這種軌道稱為簡并軌道。 l 0 1 2 3 s p d fm 0 0,1 0,1,2 0,1,2, 3 1 3 5 78.自旋磁量子數(shù)（自旋磁量子數(shù)（spin magnetic quantum number）符號符號 s ，取，取+1/2和和

14、-1/2兩個值。兩個值。表示電子自旋的兩種相反方向，也可用箭頭符號表示電子自旋的兩種相反方向，也可用箭頭符號和和表示。表示。電子運動狀態(tài)由電子運動狀態(tài)由 n、l、m、 s確定。確定。P172，6 題題例(1) n = 3的原子軌道可有哪些軌道角動量量子數(shù)和磁 量子數(shù)？該電子層有多少原子軌道？ (2) Na原子的最外層電子處于3s亞層，試用n、l、 m 、 s量子數(shù)來描述它的運動狀態(tài)。解(1) 當(dāng) n = 3，l = 0，1，2； 當(dāng) l = 0，m = 0； 當(dāng) l = 1，m = -1，0，+1； 當(dāng) l = 2，l = -2，-1，0，+1，+2； 共有9個原子軌道。 (2) 3s亞層的n

15、 = 3、l = 0、m = 0，電子的運動狀態(tài)可表 示為3，0，0，+1/2（或- 1/2 ）。 第二節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)解釋 量子數(shù)組合和原子軌道數(shù)主量子數(shù)n軌道角動量量子數(shù)l磁量子數(shù)m波函數(shù)同層軌道數(shù) （n2）容納電子數(shù)（2n2）1001s122002s481012pz 2px 2py第二節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)解釋 量子數(shù)組合和原子軌道數(shù)主量子數(shù)n軌道角動量量子數(shù)l磁量子數(shù)m波函數(shù)同層軌道數(shù) （n2）容納電子數(shù)（2n2）3003s9181013pz 3px 3py20123dz2 3dxy 3dxz3dyz 3dx2-y2第二節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)解釋 第三節(jié) 多電子原子的結(jié)構(gòu)一

16、. 多電子原子的能級Pauling 的近似能級：E1s E2s E2pE3s E3pE4sE3dE4p 第三節(jié) 多電子原子的原子結(jié)構(gòu)二原子的電子組態(tài)（electronic configuration）基態(tài)原子的電子排布三原則基態(tài)原子的電子排布三原則 ：Pauli不相容原理不相容原理(Pauli exclusion principle) 同一原子中不可能有同一原子中不可能有2個電子具有四個完全相同的個電子具有四個完全相同的量子數(shù)。量子數(shù)。例如：例如：Ca原子的兩個原子的兩個4s電子電子 一個是（一個是（4,0,0,1/2），）， 另一另一 個則是（個則是（4,0,0,-1/2）。）。能量最低原理

17、（能量最低原理（Aufbau principle）基態(tài)原子電子排布時，總是先占據(jù)能量最低的基態(tài)原子電子排布時，總是先占據(jù)能量最低的軌道。當(dāng)?shù)湍芰寇壍勒紳M后，才排入高能量的軌道。當(dāng)?shù)湍芰寇壍勒紳M后，才排入高能量的軌道，以使整個原子能量最低。軌道，以使整個原子能量最低。例例1：H ：1s1； He ：1s2； Li ：1s22s1。例例2： 19K：1s22s22p63s23p64s1Hund規(guī)則（規(guī)則（Hunds rule）電子在能量相同的軌道（簡并軌道）上排布時電子在能量相同的軌道（簡并軌道）上排布時，盡可能以自旋相同的方向，分占不同軌道，盡可能以自旋相同的方向，分占不同軌道，這樣的排布方式總

18、能量最低。這樣的排布方式總能量最低。例：例：7N：1s22s22p3，三個，三個2p電子的運動狀態(tài)：電子的運動狀態(tài)： （2,1,0, 1/2 ） ；（；（2,1,1, 1/2 ） ；（；（2,1,-1 , 1/2 ） 用原子軌道方框圖表示：用原子軌道方框圖表示：7N1s 2s 2pHund規(guī)則的補充規(guī)定：規(guī)則的補充規(guī)定：簡并軌道全充滿、半充滿、或全空，是能量較簡并軌道全充滿、半充滿、或全空，是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)。低的穩(wěn)定狀態(tài)。例：例： 24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1 電子組態(tài)的寫法電子組態(tài)的寫法 原子的電子組態(tài)：原子

19、的電子組態(tài)：電子填充按近似能級順序進(jìn)行電子填充按近似能級順序進(jìn)行但電子組態(tài)必須按電子層排列但電子組態(tài)必須按電子層排列例：例： 21Sc的電子組態(tài)的電子組態(tài)1s22s22p63s23p63d14s2填充電子時填充電子時4s比比3d能量低，先填能量低，先填4s，后填，后填3d，但形成離子時，先失去但形成離子時，先失去4s電子，電子，3d仍然是內(nèi)層仍然是內(nèi)層軌道。電離時軌道。電離時Sc失去失去1個個4s電子而不是電子而不是3d電子電子。 原子的電子組態(tài)：原子的電子組態(tài)：把內(nèi)層用稀有氣體的元素符號加方括號表示為原把內(nèi)層用稀有氣體的元素符號加方括號表示為原子芯子芯(atomic kernel)。例：例：

20、20Ca：1s22s22p63s23p64s2 寫作寫作Ar 4s2， 26Fe： Ar3d64s2； 47Ag：Kr4d105s1離子的電子組態(tài)離子的電子組態(tài)：仿照原子電子組態(tài)方式書寫仿照原子電子組態(tài)方式書寫例如：例如： 26Fe ：Ar3d4s； S軌道先排，先失軌道先排，先失第三節(jié) 多電子原子的結(jié)構(gòu)例按電子排布的規(guī)律，寫出按電子排布的規(guī)律，寫出22號元素鈦的基態(tài)電號元素鈦的基態(tài)電子組態(tài)。子組態(tài)。解鈦的基態(tài)電子排布式為：鈦的基態(tài)電子排布式為： 1s22s22p63s23p63d24s2 。第三節(jié) 多電子原子的結(jié)構(gòu)二 原子的電子組態(tài) （electronic configuration）價電子

21、（價電子（valence electron）：）：化學(xué)反應(yīng)中原子芯部分的電子結(jié)構(gòu)不變化，改變的是價化學(xué)反應(yīng)中原子芯部分的電子結(jié)構(gòu)不變化，改變的是價電子。電子。價電子所處的電子層稱為價電子層（價電子所處的電子層稱為價電子層（valence shell）。）。例：例： 20Ca：1s22s22p63s23p64s2 ,價層電子組態(tài)價層電子組態(tài)4s2 26Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 ,價層電子組態(tài)價層電子組態(tài)3d64s2 21Sc:1s22s22p63s23p63d14s2,價層電子組態(tài)價層電子組態(tài)3d14s2 1.能級組和元素周期能級組和元素周期能級組能級組ns到到np為第為

22、第n能級組，能級組，(n-1)d或或(n-2)f也屬于也屬于第第n能級組。能級組。不同能級組能量差別不同能級組能量差別大，同一能級組內(nèi)各大，同一能級組內(nèi)各能級之間能量差別小能級之間能量差別小。一. 原子的電子組態(tài)與元素周期表第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 元素周期（元素周期（period）能級組對應(yīng)周期。能級組對應(yīng)周期。元素的數(shù)目與能級元素的數(shù)目與能級組最多能容納的電組最多能容納的電子數(shù)目一致。子數(shù)目一致。例預(yù)測第預(yù)測第7周期完成時共有多少個元素。周期完成時共有多少個元素。 解第第7周期從周期從7s能級開始填充電子，然后依次是能級開始填充電子，然后依次是5f、6d、7p。 7s能級有能級

23、有1個原子軌道，個原子軌道，5f有有7個、個、6d有有5個、個、7p有有3個，共有個，共有16個原子軌道，最多能填滿個原子軌道，最多能填滿32個電個電子。子。 第第7周期完成時共有周期完成時共有32個元素。個元素。 一. 原子的電子組態(tài)與元素周期表2.價層電子組態(tài)與族價層電子組態(tài)與族族（族（group）：周期表根據(jù)價層電子組態(tài)，把）：周期表根據(jù)價層電子組態(tài)，把性質(zhì)相似的元素歸為一族。性質(zhì)相似的元素歸為一族。第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 2.價層電子組態(tài)與族價層電子組態(tài)與族主族：主族：周期表中共有周期表中共有IAA 8個主族，其中個主族，其中A族又稱族又稱0族。族。主族元素的價層電子組態(tài)

24、：主族元素的價層電子組態(tài)： 內(nèi)層軌道全充滿，外層電子組態(tài)是內(nèi)層軌道全充滿，外層電子組態(tài)是ns1到到ns2np6。外層電子的總數(shù)等于族數(shù)。外層電子的總數(shù)等于族數(shù)。2.價層電子組態(tài)與族副族：副族：IBB 8個副族。個副族。特征：特征： (n-1)d或或 (n-2)f軌道填充電子，軌道填充電子， (n-2)f、(n-1)d和和ns都是價層。都是價層。3.元素分區(qū)：據(jù)價電子組態(tài)，周期表分為元素分區(qū)：據(jù)價電子組態(tài)，周期表分為5個區(qū)。個區(qū)。s區(qū)：元素價層電子組態(tài)是區(qū)：元素價層電子組態(tài)是ns1和和ns2，IA和和A族族。p區(qū)：價層電子組態(tài)是區(qū)：價層電子組態(tài)是ns2np16，AA，0族族元素。元素。 d區(qū)：價

25、層電子組態(tài)為區(qū)：價層電子組態(tài)為(n-1)d18ns2或或(n-1)d9ns1或或(n-1)d10ns0 。ds區(qū)：價層電子組態(tài)為區(qū)：價層電子組態(tài)為(n-1)d10ns12，IB和和B族。族。 f區(qū)：價層電子組態(tài)區(qū)：價層電子組態(tài)(n-2)f014(n-1)d02ns2，鑭系，鑭系和錒系。和錒系。第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 3.元素分區(qū)：0(n-1)d18ns2或或(n-1)d9ns1或或(n-1)d10ns0第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 4.過渡元素過渡元素（transition element）和稀土元素和稀土元素全部副族元素都稱為過渡元素。包括全部副族元素都稱為過渡元素。包

26、括d區(qū)、區(qū)、ds區(qū)區(qū)和和f區(qū)的元素。其中鑭系和錒系元素稱為內(nèi)過渡區(qū)的元素。其中鑭系和錒系元素稱為內(nèi)過渡元素（元素（inner transition element）。）。過渡元素原子的最外層電子數(shù)較少，除鈀外都過渡元素原子的最外層電子數(shù)較少，除鈀外都只有只有12個電子，所以它們都是金屬元素。個電子，所以它們都是金屬元素。它們的它們的(n-1)d軌道未充滿或剛充滿，或軌道未充滿或剛充滿，或f軌道也軌道也未充滿，所以在化合物中常有多種氧化值，性未充滿，所以在化合物中常有多種氧化值，性質(zhì)與主族元素有較大的差別。質(zhì)與主族元素有較大的差別。第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 1. 原子半徑（atomic radius）共價半徑共價半徑rc：共價單鍵結(jié)合的共價單鍵結(jié)合的兩原子核間距離的一半兩原子核間距離的一半van der Waals半徑半徑rv：單質(zhì)分單質(zhì)分子晶體中相鄰分子間兩個非鍵子晶體中相鄰分子間兩個非鍵合原子核間距離的一半合原子核間距離的一半金屬半徑金屬半徑:金屬單質(zhì)的晶體中金屬單質(zhì)的晶體中相鄰兩個原子核間距離的一半相鄰兩個原子核間距離的一半第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 二. 元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律第四節(jié) 元素周期表與元素性質(zhì)的周期性 1.原子半徑（atomic radi