原子結構和元素周期系

關于原子結構和元素周期系第一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

化學運動的實質是由于原子核外電子運動狀態(tài)發(fā)生變化。為了了解和掌握化學運動的變化規(guī)律，我們必須掌握如何從微觀的角度研究物質的結構及性質的關系的理論及方法，必須了解原子的結構及原子是如何構成性質迥異的不同物質。本章主要討論原子的基本結構及原子結構與元素基本性質的遞變規(guī)律。第一章原子結構與元素周期系第二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1-1人類對原子結構的認識過程1-2核外電子運動的波粒二象性1-3核外電子的運動狀態(tài)1-4各種元素的原子核外電子排布

1-5原子結構與元素性質的關系本章主要內容第三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日基本要求：1、了解微觀粒子運動的特殊性2、理解波函數(shù)、幾率密度的意義；熟悉原子軌道和電子云的角度分布圖3、掌握四個量子數(shù)的意義及取值范圍；熟悉原子軌道的近似能級圖4、能夠運用核外電子排布原則熟練寫出原子的核外電子排布式5、熟悉元素周期表的結構及周期、族、區(qū)的劃分；掌握元素基本性質的周期性變化規(guī)律第四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1-1人類對原子結構的認識過程

1.1.1經典核原子模型

1.1.2氫原子結構的玻爾理論第五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

Dalton原子學說

(1803年)Thomson“西瓜式”模型

(1904年)Rutherford原子行星模型

(1911年)Bohr電子分層排布模型

(1913年)量子力學模型(1926年)

1.1.1經典核原子模型第六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(1)盧瑟福的原子行星模型（1911）第七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(1)盧瑟福的原子行星模型（1911）盧瑟福

ErnestRutherford1871~1937英國物理學家盧瑟福根據(jù)

粒子散射的實驗，提出了原子行星模型：●所有原子中都有一個極小的核，即原子核；●原子核幾乎集中了原子全部的質量，帶有Z個正電荷；●另有Z個電子在原子核外像行星繞著太陽旋轉一樣繞核運動。

第八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日經典物理學概念面臨的窘境（1）在對粒子散射實驗結果的解釋上，新模型的成功是顯而易見的，至少要點中的前兩點是如此。問題出在第三點，盡管盧瑟福正確地認識到核外電子必須處于運動狀態(tài)，但將電子與核的關系比作行星與太陽的關系卻是一幅令人生疑的圖像。Anunsatisfactoryatomicmodel

根據(jù)當時的物理學概念，帶電微粒在力場中運動時總要產生電磁輻射并逐漸失去能量，運動著的電子軌道會越來越小，最終將與原子核相撞并導致原子毀滅。由于原子毀滅的事實從未發(fā)生，將經典物理學概念推到前所未有的尷尬境地。第九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日經典物理學概念面臨的窘境（2）根據(jù)盧瑟福原子模型，電子繞核高速運動，其放出的能量是連續(xù)的，如此得到的原子光譜應該是連續(xù)的帶狀光譜（E=hv），但是實驗得到的原子光譜卻是線狀的！連續(xù)光譜第十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(2)氫原子光譜第十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(2)氫原子光譜線狀光譜HαHβHγHδ第十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日◆從長波（紅外區(qū)）到短波（紫外區(qū)），譜線間的距離越來越小，表明n

值越來越大，波長越來越短，頻率越來越高，能量也越來越高。氫原子光譜特征：◆氫原子光譜是不連續(xù)的線狀光譜，從紅外到紫外區(qū)呈現(xiàn)多條具有特征波長的譜線。n=3,4,5,6經驗公式：第十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

描述微觀物體運動規(guī)律的需求呼喚物理學新概念的誕生！第十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(3)普朗克的量子論（1900）德國物理學家普朗克，第一個沖破經典物理學中能量連續(xù)變化的框框，首先在物理學中引入了“量子”的概念，提出了著名的、當時被譽為物理學上一次革命的量子化理論。普朗克M.Planck，1858~1947第十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(3)普朗克的量子論（1900）經典物理學中的一些物理量，如時間、速度、長度、面積等的變化是連續(xù)的，沒有一個最小單位，無限可分；有些物理量的變化是有最小單位的，例如電量，電量變化的最小單位是1個電子的電量，即1.602×10-19C，電量的改變不能小于1個電子的電量，只能是這個數(shù)的整倍數(shù)來增減，這是不連續(xù)的意思。不連續(xù)性只有在微觀世界里才有意義微觀領域能量不連續(xù)第十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(4)愛因斯坦的光子學說（1905）愛因斯坦A.Einstein

，1879~1955愛因斯坦通過對光電效應的研究，1905年提出光子學說，為量子論提供了實驗依據(jù)和理論基礎。光是由一群顆粒性的光子組成，光子的能量與入射光的頻率有關，當光子與金屬中的電子相碰撞時，就把它的全部能量，即一個能量子轉移給了電子。

所以，光子的能量越高（即波長越短），轉移給電子的能量也越高，電子的速度就越大。而光子的數(shù)目越多（即光越強），釋放出電子的數(shù)目也就越多。光電效應說明了光不僅具有波動性，而且具有粒子性。第十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日(4)愛因斯坦的光子學說（1905）愛因斯坦用兩個公式把表征光的波動性的物理量(λ和v)和表征光的粒子性的物理量(E和p)定量地聯(lián)系起來。光子能量E的大小與光的頻率v成正比，光子動量p的大小與光的波長λ的倒數(shù)成正比：式中：h為普朗克常數(shù)，

v為光的頻率，λ為光的波長。E

=

hvp

=hλ第十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）1、愛因斯坦的光子學說2、普朗克的量子化學說3、氫原子的光譜實驗4、盧瑟福的原子行星模型1913年，28歲的Bohr在的基礎上，建立了Bohr理論.尼爾斯·玻爾N.Bohr

，1885~19621.1.2氫原子結構的玻爾理論第十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）●原子中的電子只能在符合一定量子化條件的固定的軌道上繞核運動；電子在一個軌道中運動的角動量mvr必須是的整倍數(shù)，即：h2π式中m為電子的質量；v是電子運動的速度；r是軌道的半徑；h是普朗克常數(shù)；n是量子數(shù)。這些符合量子化條件的軌道稱為穩(wěn)定軌道，具有固定的能量E，電子在穩(wěn)定軌道上運動時，不放出能量。第二十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）●

電子在離核越遠的軌道上運動，其能量越大。通常電子保持在能量最低的狀態(tài)即基態(tài)，基態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。當原子從外界獲得能量時，電子可以躍遷到離核較遠的較高能量的軌道上去，這時電子所處狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。●處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以躍遷到離核較近的軌道上，這時會以光子形式釋放出光能，光的頻率決定于兩條軌道之間的能量之差：

式中E2為電子處于激發(fā)態(tài)時的能量；E1為電子處于低能級時的能量；v為光的頻率；h為普朗克常數(shù);第二十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）玻爾根據(jù)經典力學原理和量子化條件，計算了電子運動的軌道半徑r和電子的能量E，推求出氫原子核外電子運動的軌道半徑和能量：n=3時，r3=33×52.9pm，E3=-1312.17/33kJ·mol-1當n=1

時，r1=12×52.9pm，E1=-1312.17/12kJ·mol-1n=2時，r2=22×52.9pm，E2

=-1312.17/22kJ·mol-1

從距核最近的一條軌道算起,n值分別等于1,2,3,4,5,6,7,根據(jù)假定條件算得n=1時允許軌道的半徑為53pm,這就是著名的玻爾半徑。第二十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日原子能級第二十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）◆激發(fā)態(tài)原子為什么會發(fā)射出光射線；◆氫光譜線波長的不連續(xù)性；◆說明了氫光譜線頻率的規(guī)律性（驗證了里德堡公式）；◆提出了n是能級的概念，這為人們后來研究光譜學以及發(fā)展物質結構的現(xiàn)代理論做出了貢獻。玻爾假說成功之處：第二十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾假說（玻爾理論1913）●未能完全沖破經典物理的束縛，只是在經典力學連續(xù)性概念的基礎上，人為地加上了一些量子化的條件；如在討論和計算電子運動的軌道半徑時，都是以經典力學為基礎的，認為電子在核外的運動有固定軌道，電子本身所特有的波粒二象性，這種特殊的規(guī)律在當時是玻爾所不能認識的；●

玻爾理論解釋不了多電子原子的光譜和氫光譜的精細結構等問題；玻爾假說的缺陷：第二十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日玻爾理論的意義與局限性在解決核外電子的運動時成功引入了量子化的觀念除了氫原子光譜外，波爾理論不能說明多電子原子的光譜，也不能解釋原子如何形成分子的化學鍵本質同時又應用了“軌道”等經典概念和有關牛頓力學規(guī)律波爾理論成功地解釋了氫原子光譜，并提出了原子能級和主量子數(shù)n等概念。第二十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日德布羅意LouisdeBroglie1892~1987

1924年法國年輕的物理學家德布羅意在光的波粒二象性啟發(fā)下，大膽地提出了“物質波”的假設，預言電子等微粒會像光一樣發(fā)生衍射，顯示具有波動性。式中m為電子的質量，

h為普朗克常數(shù)，P

為電子的動量，v為電子的速度，這種實物微粒所具有的波稱為物質波，亦稱為德布羅意波。并根據(jù)波粒二象性的關系式預言了高速運動的電子的波長λ公式：1-2核外電子運動的波粒二象性◆

(1)電子的波粒二象性第二十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

1927年，電子衍射的實驗證實了德布羅意的預言，電子不僅是一種具有一定質量，高速運動的帶電粒子，而且還能呈現(xiàn)波動性。電子波動性的證明第二十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日微觀粒子的波動性是大量微粒運動表現(xiàn)出來的性質，即是具有統(tǒng)計意義的概率波。第二十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日電子波動性的證明得出的結論：波動性是與微粒行為的統(tǒng)計性規(guī)律在一起的。在底片上衍射強度大的地方（明處），也就是波強度大的地方，一定是電子在該處單位微體積內出現(xiàn)的機會多（概率密度大），衍射強度小的地方（暗處），也就是波強度小的地方，一定是電子在該處單位微體積內出現(xiàn)的機會少（概率密度?。Ｓ纱丝梢哉J為：具有波動性的微觀粒子（包括電子在內）雖然沒有確定的運動軌跡，但在空間某處波的強度與該處粒子出現(xiàn)的概率密度成正比。第三十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日小結

在經典力學中，我們能準確地同時測定一個宏觀物體的位置和動量，對微觀粒子，如電子質量極小，它在原子核外運動的速度每秒約30萬公里，接近光速。在原子這樣小的空間內（10-8cm），電子速度如此之大，不可能同時準確地測定出它的空間位置和它在那個位置上的速度。不確定原理對宏觀物體不起作用，反映了微觀粒子的運動特征，不能用經典力學的方法去處理微觀粒子。用什么方式描述微觀粒子的運動規(guī)律呢？第三十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日Heisenberg

WSchrodingerE波動力學模型是迄今最成功的原子結構模型，它是1920年代以海森堡（HeisenbergW）和薛定鍔（SchrodingerE）為代表的科學家們通過數(shù)學方法處理原子中電子的波動性而建立起來的。該模型不但能夠預言氫的發(fā)射光譜（包括玻爾模型無法解釋的譜線），而且也適用于多電子原子，從而更合理地說明核外電子的排布方式。第三十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

薛定諤方程——微粒的波動方程2.

波函數(shù)的空間圖象

（1）波函數(shù)的徑向分布圖（2）波函數(shù)的角度分布圖3.

四個量子數(shù)4.

小結1-3核外電子的運動狀態(tài)第三十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

薛定諤方程——微粒的波動方程

1926年，奧地利物理學家薛定諤從德布羅意的假設中得到啟示，首先提出了描述微觀粒子運動規(guī)律的波動方程，建立了迄今最為成功的原子結構模型——波動力學模型。亦稱為薛定諤方程，是一個二階偏微分方程：式中ψ：波函數(shù)ψ是空間坐標

x、y、z的函數(shù)；

E：體系的總能量；

V：體系的勢能；

m：粒子的質量；

h：普朗克常數(shù)

薛定諤Schr?dinger,

1887~1961第三十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

薛定諤方程——微粒的波動方程與球極坐標

(r,θ,φ)的轉換直角坐標

(x,y,z)球極坐標與直角坐標的關系x=rsinθcosφ，z

=rcosθy=rsinθsinφ，r2=x2+y2+z2

r：徑向坐標,半徑，決定了球面的大??；

θ：角坐標,

由

z

軸沿球面延伸

至

r的弧線所表示的角度；φ：角坐標,

由r沿球面平行

xy

面延伸至

xz面的弧線所表示的角度；ψ(x,y,z)ψ(r,θ,φ)θ：0~2πφ：0~π第三十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

薛定諤方程——微粒的波動方程

★求解薛定諤方程,是為求得波函數(shù)ψ和能量E；

薛定諤方程有非常多的解，為得到合理的解，需要引入三個只能取某些整數(shù)值的參數(shù)n、l、m。對應于一組合理的n、l、m取值，則有一個確定的波函數(shù)

ψ(r,θ,φ)n,l,m和其對應的能量

E

值?！锝獾玫摩撞皇蔷唧w的數(shù),是包括三個參數(shù)(n,l,m)

和三個變量(r,θ,φ)的一個函數(shù)式ψ(r,θ,φ)n,l,m；

n、l、m稱為量子數(shù)，它們決定著波函數(shù)ψ某些性質的量子化情況。★

有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)。第三十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日波函數(shù)ψ和概率密度|ψ|2都可以用幾何圖形形象地表示，ψ和|ψ|2均是空間坐標r,θ,φ的函數(shù)，要畫出它們之間的關系需要四維坐標，因此常常為了不同的目的，從不同的角度考察ψ和|ψ|2的性質，如只考察隨r變化的為徑向分布圖；只考察隨θ,φ變化的稱為角度分布圖。2.

波函數(shù)的空間圖象ψ

(r,θ,φ)n,l,m=Rn,l

(r)·Yl,m(θ,φ)徑向部分角度部分第三十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（1）波函數(shù)的徑向分布圖………..

在圖中r=53pm

處曲線有一個高峰，說明電子在r=53pm的球殼上出現(xiàn)的概率最大。這個極大值正是玻爾半徑

值。

從量子力學的觀點，玻爾半徑就是電子出現(xiàn)概率最大的球殼離核的距離。第三十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（1）波函數(shù)的徑向分布圖

1s電子的概率密度（電子云）在原子核附近最大，為什么它的概率的徑向分布卻是在離核53pm處最大呢？因為在靠近核處，電子出現(xiàn)的概率密度大，概率密度|ψ|2有較大值，但r很小，即球殼的體積很小，所以D(r)值不會很大；在離核較遠處，r值大，即球殼的體積大，但電子出現(xiàn)的概率密度卻不大，即概率密度|ψ|2較小，所以D(r)值也不會很大；這兩個變化趨勢相反的因素結合在一起，在某一點上就會出現(xiàn)一個極大值。

D(r)=4

r2·|ψ|2第三十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（2）波函數(shù)的角度分布圖ψ

(r,θ,φ)n,l,m=Rn,l

(r)·Yl,m(θ,φ)徑向部分角度部分如果將Yl,m(θ,φ)

隨θ,φ的角度變化作圖，就可以得到波函數(shù)ψ的角度分布圖，也就是原子軌道的角度分布圖。若將|Yl,m(θ,φ)|2

對θ,φ作圖，則可以得到電子云的角度分布圖。第四十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（2）波函數(shù)的角度分布圖①原子軌道的角度分布圖②電子云的角度分布圖③原子軌道與電子云角度分布圖比較第四十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①原子軌道的角度分布圖

由于Yl,m(θ,φ)只與量子數(shù)l，m有關，與主量子數(shù)n無關，所以只要量子數(shù)l，m相同的原子軌道，它們的角度分布就相同。如2pz、3pz、4pz原子軌道的角度分布相同，統(tǒng)稱為pz軌道的角度分布，以pz軌道為例，來討論原子軌道的角度分布圖。第四十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①原子軌道的角度分布圖第四十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①原子軌道的角度分布圖第四十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①原子軌道的角度分布圖第四十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日波函數(shù)ψ=薛定諤方程的合理解=原子軌道①原子軌道的角度分布圖三個量子數(shù)n,l,m確定的波函數(shù)稱為一個原子軌道

波函數(shù)ψ是量子力學中描述核外電子在空間運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式，量子力學借用經典力學中描述物體運動的“軌道”的這一名詞，把波函數(shù)ψ叫做原子軌道。

n=1,l=0,m=0,

ψ1,0,0

1s原子軌道,

ψ1s

n=2,l=0,m=0,

ψ2,0,0

2s原子軌道,

ψ2s

l=1,m=0,

ψ2,1,0

2pz原子軌道,

ψ2pz第四十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①原子軌道的角度分布圖★波函數(shù)ψ就是原子軌道，代表原子核外電子的一種運動狀態(tài)，及電子這種運動狀態(tài)的一個函數(shù)?！锩恳环N原子軌道即每一個波函數(shù)都有與之相對應的能量E，氫原子或類氫離子(核外只有1個電子)其能量為：eV第四十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖與原子軌道的角度部分相對應，也有電子云即概率密度|ψ|2的角度部分|Yl,m(θ,φ)|2的分布圖。例如pz電子云的角度部分是|Ypz|2=cos2θ，若將|Ypz|2對θ作圖，便可得到pz電子云的角度分布圖。它表示了電子在空間不同角度出現(xiàn)的概率密度的大小，從角度的側面反映了電子云概率密度分布的方向性。第四十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖第四十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖電子云也可以是用統(tǒng)計的方法描述電子在核外空間某一區(qū)域內出現(xiàn)概率大小的一個形象化的圖示，s

電子經常出現(xiàn)的區(qū)域是核外的一個球形空間。圖中密集的小點只是說明氫原子核外的一個電子在核外空間的一種運動狀態(tài)，并不代表有這么多個電子在核外運動。s

電子云l

=

0第五十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖處于不同狀態(tài)的電子，它們的波函數(shù)ψ各不相同，其|ψ|2

當然也各不相同，表示|ψ|2

的圖像——電子云圖也不一樣。

第五十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖第五十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②電子云的角度分布圖第五十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日③原子軌道與電子云角度分布圖比較第五十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日③原子軌道與電子云角度分布圖比較★形狀相似，不同的是電子云的角度分布圖形比原子軌道的角度分布圖形要“瘦”些；這是由于Y=cos值小于1，而|Y|2

值就更小的緣故?！镎撎柌煌?，原子軌道角度分布圖上有＋、－號之分，而電子云角度分布圖上都是正值；原子軌道角度分布圖上的＋、－號只是代表波函數(shù)ψ中角度部分Y的正、負，并不表示波函數(shù)ψ的正、負。第五十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)由n、l、m三個量子數(shù)所確定下來的一套參數(shù)就可以表示一種波函數(shù)。在求解薛定諤方程的過程中除了直接引入的這三個量子數(shù)之外，后來根據(jù)實驗和理論的要求，又引入了一個描述電子自旋特征的量子數(shù)ms。這些量子數(shù)對描述核外電子的運動狀態(tài)、確定原子中電子的能量、原子軌道或電子云的形狀和空間伸展方向、以及多電子原子核外電子的排布非常重要。第五十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－主量子數(shù)主量子數(shù)

nn=1，

2，

3，

4，

5，

6，

7……

（正整數(shù)）①主量子數(shù)n是決定電子層數(shù)的。用它來描述原子中電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核的遠近。n的取值范圍：K，L，M，N，O，P，Q……（光譜符號）第五十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－主量子數(shù)主量子數(shù)

n②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素。對單電子原子或類氫離子：電子能量只與主量子數(shù)n有關，n值越大，電子的能量越高。n=3時，r3=33×52.9pm，E3=-1312.17/33kJ·mol-1當n=1

時，r1=52.9pm，E1=-1312.17/12kJ·mol-1n=2時，r2=22×52.9pm，E2

=-1312.17/22kJ·mol-1E1s

＜

E2s

＜

E3s

＜

E4s

······E4s

=

E4p

=

E4d

=

E4f

······第五十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－主量子數(shù)主量子數(shù)

n核外電子能量既與n有關，又與l有關，取決于n和l的取值。不能只決定于n值的大小。②主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素。對多電子原子：第五十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－角量子數(shù)角量子數(shù)

l（亦稱副量子數(shù)）①角量子數(shù)l表示原子軌道或電子云的形狀。l的取值范圍：

對于給定的n值，l只能取小于n的整數(shù)值。l=0，1，

2，3，

4，

5……(n-1)s，p，d，

f，

g，h……（光譜符號）第六十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－角量子數(shù)角量子數(shù)

l（亦稱副量子數(shù)）②用主量子數(shù)n表示電子層時，角量子數(shù)l就表示同一電子層中具有不同狀態(tài)的分層，對于給定的主量子數(shù)n來說，就有n個不同的角量子數(shù)l。電子層數(shù)n值電子分層l

值電子分層數(shù)1

0

1s2

01

2s2p3

01

2

3s3p3d4

01

2

3

4s4p4d4f第六十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－角量子數(shù)角量子數(shù)

l（亦稱副量子數(shù)）③角量子數(shù)l與多電子原子中的電子能量有關；即多電子原子中電子的能量不僅與主量子數(shù)n有關，還與角量子數(shù)l有關。

E4s

＜

E4p

＜

E4d

＜

E4f······

l=

0123······n

相同，

l

值越大，電子能量越高。第六十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－磁量子數(shù)磁量子數(shù)

m①磁量子數(shù)m決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向。m

的取值與角量子數(shù)

l有關，對于給定的

l值，有2l+1

個m的取值，可以取從

l

到－l

的所有整數(shù)，其中包括零：m=0，±1，±2，±3······±l。第六十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－磁量子數(shù)磁量子數(shù)

m①磁量子數(shù)m決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向。l=0，s電子m=0一種狀態(tài)在空間無方向性l=1，p電子m=0，±1三種狀態(tài)在空間有三種取向l=2，d電子m=0，±1，±2五種狀態(tài)在空間有五種取向l=3，f電子m=0，±1，±2，±3七種狀態(tài)在空間有七種取向角量子數(shù)

l與磁量子數(shù)m

的關系第六十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－磁量子數(shù)磁量子數(shù)

m②在沒有外加磁場的作用時，磁量子數(shù)m

與能量無關。三種p軌道雖在空間方向取向不同，但能量相同，稱為簡并

軌道；五種d軌道、七種f軌道同理也是簡并的。l=1

m=0ψ2,1,0

ψ2pz軌道m(xù)=+1m=-1ψ2,1,1與ψ2,1,-1線性組合ψ2px軌道ψ2py軌道2pz2px2py第六十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－磁量子數(shù)磁量子數(shù)

m在有外加磁場作用時，五個簡并的d軌道會發(fā)生能級分裂。第六十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)－自旋量子數(shù)ms表示電子自旋運動的狀態(tài)，取值只有兩個：自旋量子數(shù)

ms

直接從薛定諤方程得不到自旋量子數(shù)ms，它是據(jù)后來的理論和實驗的要求引入的。精密觀察強磁場存在下的原子光譜，每一條譜線實際是由靠得很近的兩條譜線組成的。為了解釋這一現(xiàn)象，1925年烏倫貝克（Uhlenbeck）和哥德希密特（Goudsmit）提出了電子自旋的假設。12ms

=+，–12第六十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)四個量子數(shù)確定后，電子在核外空間的運動狀態(tài)就確定了原子中每個電子的運動狀態(tài)需要用n，l，m，ms四個量子數(shù)來描述；主量子數(shù)n決定電子層數(shù)和主要決定電子的能量；角量子數(shù)

l

決定原子軌道的形狀，同時也影響電子的能量；磁量子數(shù)m決定原子軌道在空間的伸展方向；自旋量子數(shù)ms決定電子自旋的方向；◆◆◆◆◆第六十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.

四個量子數(shù)第六十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日4.

核外電子的運動狀態(tài)小結（2）在微觀世界中，核外電子運動的能量是不連續(xù)的，分為不同的能級（n），電子運動的每一個狀態(tài)均需要用四個量子數(shù)（n、l、m、ms）來確定。（1）電子是微觀粒子，具有波粒二象性，不能同時確定其位置和動量，它的空間運動狀態(tài)需要用波函數(shù)ψ來描述。（3）波函數(shù)、原子軌道、電子云的區(qū)別和聯(lián)系：★四個量子數(shù)n、l、m、ms確定電子的一種空間運動狀態(tài)。

★三個量子數(shù)n、l、m確定一個波函數(shù)ψn,l,m，波函數(shù)ψ

就是原子軌道；電子云就是描述電子出現(xiàn)的概率||2.第七十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日4.核外電子的運動狀態(tài)小結★原子軌道和電子云的圖象形狀相似，不同是原子軌道的圖象中有正、負號，電子云的圖象中則沒有。原子軌道的正、負號在原子軌道組合成分子軌道時會起到關鍵的作用。（3）波函數(shù)、原子軌道、電子云的區(qū)別和聯(lián)系：（4）四個量子數(shù)之間互相聯(lián)系又互相制約，同一個原子中沒有彼此狀態(tài)完全相同的電子，或者說，在同一個原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子存在。

第七十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1-4核外電子的排布1.

多電子原子的能級（1）鮑林原子軌道能級圖2.

核外電子排布的原則

（1）能量最低原理（2）保里不相容原理（3）洪特規(guī)則第七十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

多電子原子的能級薛定諤方程只能對單電子原子體系做出精確的解，對多電子原子來說，由于原子中各電子之間的相互作用，當電子處在不同狀態(tài)時，其能量不僅與主量子數(shù)n有關，還與角量子數(shù)l

有關，從薛定諤方程不能得到精確的解，只能借助于某些實驗數(shù)據(jù)或做近似處理得到核外電子排布的基本規(guī)律。第七十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.

多電子原子的能級原子中各電子之間有相互作用，當電子處在不同狀態(tài)時，其能量不僅與主量子數(shù)n有關，還與角量子數(shù)l有關。單電子體系各種狀態(tài)的電子的能量只與主量子數(shù)

n

有關E4s=E4p=E4d=E4f

E2p＜

E3p＜

E4p＜

E5p

多電子原子體系E4s＜E4p＜E4d＜E4f

第七十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（1）鮑林原子軌道能級圖

美國結構化學家鮑林根據(jù)光譜實驗的結果，提出了多電子原子中原子軌道的近似能級圖，圖中的能級順序是指價電子層中填入電子時各能級能量的相對高低。

鮑林L.Pauling1901~1994

1931年他應用量子力學理論研究原子和分子的電子結構及化學鍵的本質，創(chuàng)立了雜化軌道理論。他因對化學鍵本質的研究而獲得1954年諾貝爾化學獎。1962年又榮獲諾貝爾和平獎。第七十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日Pauling近似能級圖（1）鮑林原子軌道能級圖第七十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日保里（W.Pauli）不相容原理能量最低原理洪德（F.Hund）規(guī)則2.

核外電子排布的原理第七十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日Pauli不相容原理同一原子中不能存在運動狀態(tài)完全相同的電子，或者說同一原子中不能存在四個量子數(shù)完全相同的電子。例如：一原子中電子A和電子B的三個量子數(shù)n，l，m已相同，ms就必須不同。quantumnumbernlmmselectricA21

01/2electricB2101/2第七十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日能量最低原理電子總是優(yōu)先占據(jù)可供占據(jù)的能量最低的軌道，占滿能量較低的軌道后才進入能量較高的軌道。 根據(jù)此原理，電子填入軌道時遵循下列次序：

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p

出現(xiàn)d軌道時，依照ns,(n-1)d,np順序排布；d,f軌道均出現(xiàn)時，依照ns,(n-2)f,(n-1)d,np順序排布。第七十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日Hund規(guī)則電子分布到等價軌道時，總是盡先以相同的自旋狀態(tài)分占軌道。即在n和

l相同的軌道上分布的電子，將盡可能分占m值不同的軌道，且自旋平行。例如：7N（1s22s22p3）第八十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日全充滿、半充滿規(guī)則等價原子軌道（n，l相同的亞層）處于全充滿(p6、d10、f14)，半充滿（p3、d5、f7）或全空（p0、d0、f0）的狀態(tài)時，體系能量較低，狀態(tài)較穩(wěn)定。例：24Cr 3d54s1（） 3d44s2（）

29Cu 3d104s1（） 3d94s2（）第八十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日幫助記憶圖第八十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日外圍電子（價電子）構型

化學上，將最后布入的能量最高的能級組，例如Fe的3d64s2原子軌道合稱為外圍電子層。在外圍電子層上的電子分布叫做外圍電子構型（或組態(tài)），F(xiàn)e的外圍電子構型為3d64s2。注意在書寫s、p區(qū)元素的外圍電子構型時，常常將（n－1）d10或（n－2）f14(n-1)d10省略。第八十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日Z=11，Na：1s22s22p63s1或[Ne]3s1，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或[Ar]4s2，Z=50，Sn：[Kr]4d105s25p2，Z=56，Ba：[Xe]6s2。[Ne]、[Ar]——原子實第八十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1-5原子的電子層結構和元素周期系1.原子的電子層結構與元素的分區(qū)、周期、族的關系（1）原子半徑的周期性（2）電離能的周期性（3）電子親和能的周期性（4）電負性的周期性2.

元素基本性質的周期性第八十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1.原子的電子層結構與元素的分區(qū)、周期、族的關系第八十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日原子電子層結構與元素周期表的關系在1869年，俄國化學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律，列出了元素周期表?，F(xiàn)代周期律的說法是：元素性質隨著元素原子核電荷（原子序數(shù)）的遞增而呈周期性變化，其本質在于隨著原子核電荷的遞增，其外層電子結構呈現(xiàn)周期性變化。

第八十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日元素周期表第八十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日共七個周期：一個特短周期（1），二個短周期（2、3），二個長周期(4、5)，二個特長周期（6、7），第7周期又叫不完全周期；序號還表達了該周期中原子開始建立的電子層。例如：第4周期開始建立n=4的電子層，即開始建立N層電子；七個周期對應于順序圖中的七個能級組；除第一周期外，各周期均以填充s軌道的元素開始，并以填充p軌道的元素告終。第八十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日關于族的劃分傳統(tǒng)劃分：主族（A），副族（B）第1，2，13，14，15，16和17列為主族，即,ⅠA,ⅡA,ⅢA,ⅣA,ⅤA,ⅥA,ⅦA。稀有氣體(He除外)8e－為ⅧA,通常稱為零族，第3~7，11和12列為副族，即ⅢB,ⅣB,ⅤB,ⅥB,ⅦB,ⅠB和ⅡB。ⅠB,ⅡB——根據(jù)ns軌道上電子數(shù)劃分。第8,9,10列元素稱為Ⅷ族。第九十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日關于區(qū)的劃分根據(jù)電子排布情況和元素原子的外層電子構型，可以把周期表劃分為4個區(qū)BlocksValenceElectronConfigurationssBlockns1-2pBlocksns2np1-6dBlocks(n-1)d1-10ns1-2fBlocks(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2第九十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（1）原子半徑的周期性（2）電離能的周期性（3）電子親和能的周期性（4）電負性的周期性（5）氧化態(tài)2.

元素基本性質的周期性第九十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（1）原子半徑的周期性原子半徑一般分為：

共價半徑、金屬半徑、范德華半徑一般同一元素的半徑：范德華半徑＞金屬半徑＞共價半徑討論原子半徑的變化規(guī)律，采用的是共價半徑，稀有氣體用范德華半徑代替。rrr第九十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（1）原子半徑的周期性第九十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（1）原子半徑的周期性主族元素：從左到右r減小；從上到下r增大。過渡元素：從左到右r緩慢減?。?/p>

從上到下r

略有增大。一般規(guī)律：第九十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個正電荷的氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第一電離能，用I

1表示。由+1價氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第二電離能，用I

2表示。E+(g)E

2+(g)+e-I

2E(g)

E+(g)+e-I

1例如：e-e-e-2.

元素基本性質的周期性（2）電離能的周期性第九十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（2）電離能的周期性第九十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日第九十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（2）電離能的周期性一般規(guī)律：●同一周期（短周期）自左向右，電離能遞增；（核電荷數(shù)增多，原子半徑減小，原子核對外層電子的引力增大）●各周期中稀有氣體的電離能最大，因為它們的原子具有穩(wěn)定的8電子結構；●同一主族元素自上而下，電離能總趨勢是減??；（電子層數(shù)增加，原子半徑增大，原子核對外層電子的引力減小起主導作用，核電荷數(shù)增大，核對電子的吸引力增大這一因素不起主導作用）第九十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（2）電離能的周期性一般規(guī)律：●同一周期過渡元素電離能增加程度較??；因其原子半徑減小的程度小，Mn和Zn的電離能比其前面元素Cr和Cu增加較多，因為Mn和Zn的d軌道半充滿和全充滿；●同一元素各級電離能的大小規(guī)律：I1＜I2

＜I3

＜…；●電離能的數(shù)據(jù)能說明元素的金屬活潑性和元素的常見氧化態(tài)；第一百頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2.

元素基本性質的周期性（2）電離能的周期性反?，F(xiàn)象：◆同一周期主族元素N＞O，P＞S；

O和S外層失去1個電子后，p軌道半充滿穩(wěn)定結構，故電離能小于其前面的元素；◆同一周期過渡元素Mn和Zn分別具有半充滿和全充滿的d軌道穩(wěn)定結構，不易失去電子，故電離能比其前面的元素增加較多；

VCrMn……NiCuZn651653717737746906第一百零一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日思考題為什么各周期中稀有氣體原子的電離能最高？第2族元素Be和Mg，第15族元素N和P，第12族元素Zn