原子結(jié)構(gòu)和元素周期系

1、第六章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期系 主要內(nèi)容：本章簡(jiǎn)要介紹了 人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的歷史和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)， 提出了電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征是： 量子性 和 波粒二象性 認(rèn)為：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要用四個(gè)量子數(shù)確定的波函數(shù)來(lái)描述。重點(diǎn)：是用四個(gè)量子數(shù)討論原子結(jié)構(gòu)，闡明原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系，著重探討原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)的規(guī)律性聯(lián)系。 本本 章章 要要 求求 基本要求：基本要求： 1、了解人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史； 2、了解原子結(jié)構(gòu)有關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念； 3、掌握四個(gè)量子數(shù)n、l、m、ms的意義和相互關(guān)系； 4、會(huì)用四個(gè)量子數(shù)寫(xiě)出14周期常見(jiàn)元素的電子結(jié)構(gòu)式，并會(huì)由結(jié)構(gòu)式確定元素所在周期、族、區(qū)、特征電子構(gòu)型（即價(jià)電子構(gòu)型）、

2、元素名稱和高氧化態(tài)及低氧化態(tài)化合物化學(xué)式。 5、掌握原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系。第一節(jié) 人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)史 1、古代樸素的原子論： 古希臘哲學(xué)家德?？死氐脑诱?； 19世紀(jì)初，道爾頓在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的原子論。 2、通過(guò)陰極管射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子； 3、通過(guò)粒子的散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子中除了有帶負(fù)電的電子，還有帶正電、質(zhì)量大的原子核； 4、盧瑟福提出了世界上第一個(gè)帶核原子模型， 但解釋不了氫等原子光譜是線狀光譜的事實(shí)；5、為了解原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 人們通過(guò)對(duì)原子線狀光譜的研究，發(fā)現(xiàn)電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是量子化的； 6、通過(guò)對(duì)光、電子的衍射實(shí)驗(yàn)， 證明：德布羅意預(yù)言的準(zhǔn)確性， 發(fā)現(xiàn)電子等微觀粒

3、子的運(yùn)動(dòng)特征除了“量子化”，還具有“波粒二象性”； 從而得出微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征 “量子化”和“波粒二象性”。 7、為了描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，海森堡提出 “測(cè)不準(zhǔn)原理” h = x P 8、薛定諤提出了波動(dòng)方程：第二節(jié) 核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 2-1 核外電子運(yùn)動(dòng)的量子化特征 氫原子光譜和玻爾理論 二十世紀(jì)初，人們通過(guò)對(duì)光的研究，發(fā)現(xiàn)光有波粒二象性： “所謂光的波動(dòng)性，是指光能發(fā)生衍射和干涉等波的現(xiàn)象.” “所謂光的粒子性，是指光的性質(zhì)可以用動(dòng)量來(lái)描述?！?P = mv 一 德布羅意預(yù)言 1924年德布羅意預(yù)言： “若光有波粒二象性，則所有微觀粒子在某些情況下也能呈現(xiàn)波動(dòng)性?！?德布羅意認(rèn)為 ：每

4、個(gè)微觀粒子都與一個(gè)波的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，具有質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)速度為V的微觀粒子，相應(yīng)的波長(zhǎng)可由下式算出： 波長(zhǎng) = h / mV -（6-5 ） 而 mV為微觀粒子的動(dòng)量： P = mV 所以： 波長(zhǎng) = h / p 二 電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了“德布羅意”科學(xué)預(yù)言的準(zhǔn)確性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 電子不僅是一種有一定質(zhì)量高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，而且能呈現(xiàn)波動(dòng)的特性。（當(dāng)然，其運(yùn)動(dòng)還是量子化的。） 既然電子是具有波粒二象性的微觀粒子，能否用經(jīng)典力學(xué)中確定宏觀物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量“位置”和V描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呢？三 海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理 海森堡認(rèn)為： “由于微觀粒子具有波粒二象性，所以不可能同時(shí)精確地測(cè)出它的運(yùn)動(dòng)速

5、度和空間位置?！?其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： x p h （6 6） （6 - 6）表明：對(duì)于任何一個(gè)微觀粒子，測(cè)定其位置的誤差與測(cè)定其動(dòng)量的誤差之積為一個(gè)常數(shù) h .（即原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)出其位置和動(dòng)量。）2-3 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述 一 薛定諤波動(dòng)方程 （6-7） 該方程是描述核外電子等微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方程，是一個(gè)二階偏微分方程，其中x、y、z表示 e 的空間直角坐標(biāo)；方程的解是波函數(shù)。 二 波函數(shù)和四個(gè)量子數(shù) 在薛定諤方程中： 由于包含了體現(xiàn)微粒性的m（質(zhì)量）、E（總能量）、V（勢(shì)能）和體現(xiàn)波動(dòng)性的波函數(shù)，所以該方程能反映電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。解方程的目的是要解出波函數(shù)和

6、相應(yīng)的能量。為了得到電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的解，必須引用只能取整數(shù)值的三個(gè)參數(shù) 量子數(shù)。三個(gè)量子數(shù)的取值及它們的關(guān)系 主量子數(shù) ：n = 1、2、3、4- 。 角（副）量子數(shù)： L = 0、1、2 - (n-1)； n 確定時(shí)，L可取 L (n-1)的所有整數(shù)。 磁量子數(shù)：m = i 取 0、1、2 - 。 L確定可取 m L 的所有整數(shù)。除了以上三個(gè)量子數(shù)，量子力學(xué)中還引入了電子的自旋量子數(shù)m s ，其值為 1/2 。 研究證明：核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須用4個(gè)量子數(shù) n、L、m、m s 來(lái)描述，缺一不可。 四個(gè)量子數(shù)及其意義 1 主量子數(shù)n 又稱能量量子數(shù)，是決定電子能量的主要量子數(shù)。 2 角（副）量

7、子數(shù)L 是確定原子軌道形狀并在多電子原子中和主量子數(shù)一起決定電子能級(jí)能量大小的量子數(shù)。 四個(gè)量子數(shù)及意義3-4 3 磁量子數(shù)m 即決定原子軌道空間取向的量子數(shù)。 一個(gè)取值表示一個(gè)空間伸展方向。 4 自旋量子數(shù)ms 是表示電子自旋方向的量子數(shù)。有兩個(gè)取值，+1/2 -1/2。學(xué)習(xí)四個(gè)量子數(shù)的目的 學(xué)習(xí)四個(gè)量子數(shù)的目的： 是為了根據(jù)原子軌道能量高低，按照核外電子排布原理，寫(xiě)出常見(jiàn)元素的電子構(gòu)型，掌握各類元素電子構(gòu)型的特征及與元素周期表的關(guān)系，進(jìn)而掌握元素的性質(zhì)變化規(guī)律。 第三節(jié) 原子核外電子排布和元素周期表 3-1 多電子原子的能級(jí) 在多電子原子中，由于存在電子與核之間的靜電引力，電子與電子之間的

8、相互排斥力，因此電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，為了表示這種復(fù)雜性，人們建立了 中心勢(shì)場(chǎng)模型，用屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)來(lái)解釋。一 中心勢(shì)場(chǎng)模型 “即在討論核電荷數(shù) Z 1的原子中某個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將其它電子對(duì)該電子的靜電排斥作用設(shè)想為是由原子中心發(fā)出來(lái)的，而這種排斥作用相當(dāng)于降低了原子核對(duì)該電子的吸引力，形成了一個(gè)中心勢(shì)場(chǎng)。”這就是中心勢(shì)場(chǎng)摸型。 二 屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng) 1 屏蔽效應(yīng) 在中心勢(shì)場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，人們把多電子原子中其它電子降低核電荷對(duì)某電子的吸引力的作用稱為屏蔽效應(yīng)。 有效核電荷 被屏蔽效應(yīng)降低后所剩余的核電荷稱為有效核電荷，用Z*表示。 顯然：屏蔽效應(yīng)會(huì)減弱原子核對(duì)外層電子的吸引力，使其

9、離核更遠(yuǎn)，所以外層電子的能量升高。實(shí)驗(yàn)證明：屏蔽效應(yīng)隨n的增大而增大，n越大其能級(jí)E越高。 2 鉆穿效應(yīng) 鉆穿效應(yīng) 簡(jiǎn)單的說(shuō)，“即外層電子有鉆到核附近的現(xiàn)象?！便@穿效應(yīng)的結(jié)果，使核對(duì)電子的吸引力增大，電子的能量降低。 綜上所述： 當(dāng) n 同而 L 不同，L 越小鉆穿效應(yīng)越強(qiáng)， E 越低。即 Ens Enp End-。 當(dāng) n 不同而 L 相同，n 越大屏蔽效應(yīng)越強(qiáng)，E 越高。即 E1s E2s E 3s-。 若 n 和 L都不同時(shí)，究竟哪個(gè)能級(jí) E 高呢？ 3 能級(jí)交錯(cuò) 大量光譜實(shí)驗(yàn)證明： Z 18以前，即核外e數(shù)18以前，由于3d軌道上無(wú) e , 所以 E3dE4s。但是，隨著原子序數(shù)和核外

10、e數(shù)的增加，3d軌道上開(kāi)始進(jìn)入e，其鉆穿效應(yīng)較弱，能量幾乎不變；而4s軌道上的e鉆穿能力較強(qiáng)，能量下降，使得E4s 18 的元素中。 按上公式，可將所知的能級(jí)分為七個(gè)能級(jí)組，恰好與周期表中的七個(gè)周期相對(duì)應(yīng)。 3-2 核外電子排布原理與電子排布 1 能量最低原理 “核外電子在原子軌道上的 分布總是按能級(jí)由低到高的順序進(jìn)入各個(gè)原子軌道的。” 2 保里不相容原理 “每個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子?！奔赐辉又袥](méi)有兩個(gè)4個(gè)量子數(shù)都相同的電子。 3 洪特規(guī)則 等價(jià)軌道中的電子將盡可能以相同的自旋方向分占不同軌道。學(xué)習(xí)核外電子排布還應(yīng)注意的問(wèn)題： 第一 電子層結(jié)構(gòu)（電子排布式）與電子填充

11、的表示不一樣。 即在能級(jí)交錯(cuò)的地方，填充電子時(shí)先填入低能量軌道，再填入高能量軌道；但是， 表示電子層結(jié)構(gòu)或?qū)戨娮优挪际綍r(shí)，則按電子層寫(xiě)，同層寫(xiě)在一起，不按能級(jí)組寫(xiě)。 第二 填充電子和失去電子的順序不一致，不是先失去能量高的電子，而是先失去最外層的電子，再失去次外層的電子。 學(xué)習(xí)核外電子排布還應(yīng)注意的問(wèn)題： 第三 在寫(xiě)價(jià)電子構(gòu)型（價(jià)e結(jié)構(gòu)）時(shí)， 對(duì)于過(guò)渡元素的原子，一般應(yīng)包括次外層的 d 電子；對(duì)于離子，若原子失去電子后次外層變?yōu)樽钔鈱樱瑒t要將最外層電子寫(xiě)完整。 第四 判斷元素屬于某一分區(qū)時(shí)， （ 分為S、P、d、ds區(qū) ) 要按最后一個(gè)電子排入哪類軌道劃分。 3-3原子結(jié)構(gòu)與元素周期系的關(guān)系

12、周期系是指自然界中元素所形成的一個(gè)完整的體系。 周期律是指“隨核內(nèi)質(zhì)子數(shù)遞增，核外電子呈現(xiàn)周期性排布，而使元素性呈現(xiàn)周期性遞變的規(guī)律?！?元素周期表是元素周期律的直觀的表達(dá)形式。 常見(jiàn)元素周期表常見(jiàn)元素周期表 1、最早是門捷列夫短式周期表（1869年）； 2、三角行周期表； 3、寶塔式（滴水鐘式） 周期表； 4、現(xiàn)在最通用的是維爾納長(zhǎng)式周期表 。維爾納長(zhǎng)式周期表的結(jié)構(gòu)維爾納長(zhǎng)式周期表的結(jié)構(gòu) 1、周期： 維爾納長(zhǎng)式周期表分主表和副表 。 2、列：維爾納長(zhǎng)式周期表有18縱列，包括8個(gè)主族和8個(gè)副族 。 3、族：主族（A族），副族（B族）。 4、區(qū)：主表從左到右分為S、d、ds、p區(qū)， 副表（鑭系和

13、錒系）是 f 區(qū) 。 5、非金屬三角區(qū)：21 種非金屬集中于此。注意：注意：1 周期律的本質(zhì) 電子排布的周期性導(dǎo)致了元素性質(zhì)的周期性，每一周期都從開(kāi)始到結(jié)束，周期性的重復(fù)這一變化 。2. 周期的劃分 周期不是按電子層劃分，而是按能級(jí)組劃分。 周期數(shù) = 能級(jí)組數(shù) = 元素最外電子層數(shù) 各周期元素?cái)?shù)目 = 相應(yīng)能級(jí)組中所具有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)（即所容納的電子數(shù)）。 各電子層所容納的電子數(shù)等于 2n2 , 且最外層電子數(shù)小于等于 8 。3. 族的劃分 族是按價(jià)電子數(shù)（特征電子構(gòu)型）劃分的。 4 元素的分區(qū) S 外層e構(gòu)型為nS12的A和A為S區(qū); P 外層e構(gòu)型為nS2nP16的A至A和零族為P區(qū)； d 外層構(gòu)型一般為(n-1)d18nS12的B至B為d區(qū)； ds 外層e構(gòu)型為(n-1)d10nS12的B和B為ds區(qū) ； f 外層e構(gòu)型為(n-2)f 114nS2的鑭系5871和錒系90103為 f 區(qū)。第四節(jié) 元素的電離勢(shì)、電負(fù)性和原子結(jié)構(gòu) 電離勢(shì) 指“使基態(tài)的氣態(tài)原子失去1個(gè)電子，形成+1價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子時(shí)所需的能量稱為第一電離勢(shì) ，用1表