大學(xué)化學(xué)課件

1、6.1 氫原子結(jié)構(gòu),6.2 多電子原子結(jié)構(gòu),6.3 元素周期律,第六章 原子結(jié)構(gòu),一、氫原子光譜與Bohr理論,三、Schrdinger方程與量子數(shù),二、電子的波粒二象性,第一節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu),世上成千上萬(wàn)種物質(zhì)，其性質(zhì)各不相同，主要是由于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同所至，因此我們要想研究物質(zhì)的各種不同的性質(zhì)，就必須首先要搞清楚物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 物質(zhì)是由分子組成，分子是由原子組成，原子是由原子核和核外電子組成，原子核在化學(xué)變化中不發(fā)生變化，而核外的電子發(fā)生變化，因此要想搞清楚物質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須首先了解分子和原子結(jié)構(gòu)，要想搞清楚原子結(jié)構(gòu)必須搞清楚原子核外的電子排布，為此本章將重點(diǎn)從以上幾個(gè)方面來(lái)討論。,物質(zhì)性質(zhì) 物質(zhì)

2、結(jié)構(gòu) 分子結(jié)構(gòu) 原子結(jié)構(gòu),1、氫原子光譜,一、 氫原子光譜與Bohr理論,與日光經(jīng)過棱鏡后得到的七色連續(xù)光譜不同, 原子受高溫火焰、電弧等激發(fā)時(shí)，發(fā)射出來(lái)的是不連續(xù)的線狀光譜。每種元素的原子都有其特征波長(zhǎng)的光譜線，它們是現(xiàn)代光譜分析的基礎(chǔ)。氫原子的發(fā)射光譜是所有原子發(fā)射光譜中最簡(jiǎn)單的，發(fā)出紫外和可見光。,不連續(xù)的、線狀的， 是很有規(guī)律的。,氫原子光譜特征：,氫原子光譜由五組線系組成, 即紫外區(qū)的萊曼(Lyman)系, 可見區(qū)的巴爾麥(Balmer)系, 紅外區(qū)的帕邢(Paschen)系、布萊克特(Brackett)系和芬得(Pfund)系. 任何一條譜線的波數(shù)(wave number)都滿足簡(jiǎn)

3、單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:,式中v為波數(shù)的符號(hào), 它定義為波長(zhǎng)的倒數(shù), 單位常用cm-1; R為里德伯常量, 實(shí)驗(yàn)確定為1.096 77107 m-1; n2大于n1 , 二者都是不大的正整數(shù).,在某一瞬間，一個(gè)氫原子只能釋放出一條譜線，許多氫原子才能釋放出許多譜線，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所以能夠同時(shí)觀察到全部譜線，是無(wú)數(shù)個(gè)氫原子受到激發(fā)到了高能級(jí)，而后又回到低能級(jí)的結(jié)果。,說(shuō)明：,氫原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)電子，它是最簡(jiǎn)單的原子。在氫原子內(nèi)，這個(gè)電子核外是怎樣運(yùn)動(dòng)的？這個(gè)問題表面看來(lái)似乎不太復(fù)雜，但卻長(zhǎng)期使許多科學(xué)家既神往又困擾，經(jīng)歷了一個(gè)生動(dòng)而又曲折的探索過程。,1、愛因斯坦的光子學(xué)說(shuō) 2、普朗克的

4、量子化學(xué)說(shuō) 3、氫原子的光譜實(shí)驗(yàn) 4、盧瑟福的有核模型,1913年，28歲的Bohr在,的基礎(chǔ)上，建立了Bohr理論.,2、玻爾理論,Bohr 理論的主要內(nèi)容,年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾(Bohr N，1885-1962)于1913年提出的氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型是基于下述3條假定：,1、關(guān)于固定軌道的概念。玻爾模型認(rèn)為，電子只能在若干圓形的固定軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。因此，玻爾的氫原子模型可以形象地稱為行星模型。電子在軌道上運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量符合以下公式：,n 叫做量子數(shù)(quantum number), 取1,2,3,等正整數(shù)。軌道角動(dòng)量的量子化意味著軌道半徑受量子化條件的制約。,2、關(guān)于軌道能量量子化的概

5、念。電子軌道角動(dòng)量的量子化也意味著能量量子化。即原子只能處于上述條件所限定的幾個(gè)能態(tài), 不可能存在其他能態(tài)。,指除基態(tài)以外的其余定態(tài)。各激發(fā)態(tài)的能量隨 n 值增大而增高。電子只有從外部吸收足夠能量時(shí)才能到達(dá)激發(fā)態(tài)。,（1）定態(tài)(stationary state)：,在一定軌道中運(yùn)動(dòng)的電子具有一定的能量，稱為定態(tài)。處于定態(tài)的電子只能在有確定半徑和能量的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng), 不輻射能量也不吸收能量。,（2）基態(tài)(ground state):,n 值為 1 的定態(tài)。通常電子保持在能量最低的這一基態(tài)?；鶓B(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài).,（3）激發(fā)態(tài)(excited states):,玻爾模型認(rèn)為, 只有當(dāng)電子

6、從較高能態(tài)(E2)向較低能態(tài)(E1)躍遷時(shí), 原子才能以光子的形式放出能量(即, 定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)的電子不放出能量), 光子能量的大小決定于躍遷所涉及的兩條軌道間的能量差。根據(jù)普朗克關(guān)系式, 該能量差與躍遷過程產(chǎn)生的光子的頻率互成正比：,關(guān)于能量的吸收和發(fā)射：,E = E2 E1 = h,如果電子由能量為E1的軌道躍至能量為E2的軌道, 顯然應(yīng)從外部吸收同樣的能量.,E: 軌道的能量 ：光的頻率 h: Planck常數(shù) 6.626x10-34J.S, 計(jì)算氫原子的電離能,波爾理論的成功之處, 解釋了 H 及 He+、Li2+、B3+ 的原子光譜,Wave type H H H H,Calcula

7、ted value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1 Experimental value/nm 656.3 486.1 434.1 410.2, 說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性, 對(duì)其他發(fā)光現(xiàn)象（如光的形成）也能解釋, 不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂,波爾理論的不足之處, 不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu), 不能解釋多電子原子的光譜,3、 德布羅意關(guān)系式-微粒的波動(dòng)性,（1）微粒波動(dòng)性的直接證據(jù) 光的衍射和繞射,在光的波粒二象性的啟發(fā)下，德布羅意提出一種假想.他于1924 年說(shuō)：,（2）德布羅意關(guān)系式 一個(gè)偉大思想的誕生,1924年，Louis de Broglie認(rèn)為：質(zhì)量為 m ,

8、運(yùn)動(dòng)速度為v 的粒子,相應(yīng)的波長(zhǎng)為：,h 為Planck 常量,這就是著名的德布羅意關(guān)系式.,“過去，對(duì)光過分強(qiáng)調(diào)波性而忽視它的粒性；現(xiàn)在對(duì)電子是否存在另一種傾向，即過分強(qiáng)調(diào)它的粒性而忽視它的波性.”,1927年，Davissson 和 Germer 應(yīng)用 Ni 晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性.,(a),(b),電子通過A1箔(a)和石墨(b)的衍射圖,二、電子的波粒二象性,Schematic drawings of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons,微觀粒子電子：,宏觀物體子彈：,讓我們選一個(gè)微觀粒子和一個(gè)很

9、小的宏觀物體進(jìn)行一項(xiàng)計(jì)算：,顯然，包括宏觀物體如運(yùn)動(dòng)著的壘球和槍彈等都可按德布羅意公式計(jì)算它們的波長(zhǎng)。由于宏觀物體的波長(zhǎng)極短以致無(wú)法測(cè)量，所以宏觀物體的波長(zhǎng)就難以察覺，主要表現(xiàn)為粒性，服從經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。只有象電子、原子等質(zhì)量極小的微粒才具有與 x射線數(shù)量級(jí)相近的波長(zhǎng)才符合德布羅意公式，然而，如此短的波長(zhǎng)在一般條件下仍不易顯現(xiàn)出來(lái)。,m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m,Question,波粒二象性是否只有微觀物體才具有？,海森堡不確定原理(uncertainty principle), 海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理 （Heisenberg

10、uncertainty principle ）,如果我們能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定微粒的位置, 那就不能準(zhǔn)確測(cè)定其動(dòng)量, 反之亦然.如果我們精確地知道微粒在那里, 就不能精確地知道它從那里來(lái), 會(huì)到那里去;如果我們精確地知道微粒在怎樣運(yùn)動(dòng), 就不能精確地知道它此刻在那里.即不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量 ！,x p h, 重要暗示不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中行星繞太陽(yáng)那樣的電子軌道, 具有波粒二象性的電子，已不再遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動(dòng)沒有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動(dòng)性與其微粒行為的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律相聯(lián)系. 因此, 實(shí)物的微粒波是概率波, 性質(zhì)上

11、不同于光波的一種波. 波動(dòng)力學(xué)的軌道概念與電子在核外空間出現(xiàn)機(jī)會(huì)最多的區(qū)域相聯(lián)系.,但是，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系不是限制人們的認(rèn)識(shí)限度，而是限制經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，說(shuō)明微觀體系的運(yùn)動(dòng)有更深刻的規(guī)律在起作用，這就是量子力學(xué)所反應(yīng)的規(guī)律.,微觀粒子不同于宏觀物體，它們的運(yùn)動(dòng)無(wú)軌跡可言，即在一確定的時(shí)間沒有一確定的位置。,2、描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù) (four quantum mummers used in defining the movement state of electrons ),1、 薛定鍔方程和波函數(shù) (Schrodinger equation and wave function ),3、

12、 波函數(shù)的圖形描述 (portrayal of wave function ),三、Schrdinger方程與量子數(shù),1、 描述核外電子空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)及其圖像,（1）Schrdinger方程與量子數(shù), 方程中既包含體現(xiàn)微粒性的物理量 m ,也包含體現(xiàn)波動(dòng)性的物理量; 求解薛定鍔方程, 就是求得波函數(shù)和能量 E ; 解得的不是具體的數(shù)值, 而是包括三個(gè)常數(shù) (n, l, m)和三個(gè)變量 (r,)的函數(shù)式n, l, m (r,) ; 數(shù)學(xué)上可以解得許多個(gè)n, l, m (r,) , 但其物理意義并非都合理; 為了得到合理解, 三個(gè)常數(shù)項(xiàng)只能按一定規(guī)則取值, 很自然地得到三個(gè) 量子數(shù)。有合理解

13、的函數(shù)式叫做波函數(shù)(Wave functions), 它們以n, l, m 的合理取值為前提.,波動(dòng)力學(xué)的成功: 軌道能量的量子化不需在建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時(shí)事先假定.,波函數(shù) = 薛定鍔方程的合理解 = 原子軌道,（1）主量子數(shù) n (principal quantum number),2、描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)量子數(shù), 與電子能量有關(guān).對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n, 確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離, 不同的n 值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層 n的取值 .(能層) 能層符號(hào) K L M N O.,描述電子離核的遠(yuǎn)近，確定原子的能級(jí)或確定軌道能量的高低。決定軌道或電子云的分布范圍。一般，n 值越大，

14、電子離核越遠(yuǎn)，能量越高。主量子數(shù)所決定的電子云密集區(qū)或能量狀態(tài)稱為電子層（或主層）。,（2） 角量子數(shù) l (angular momentum quantum number),s 軌道 球形,p 軌道 啞鈴形 （雙紡錘形）,d 軌 道 有 兩 種 形 狀 ： 多 紡 錘 形,同一電子層（n）中因副量子數(shù)（l）不同又分成若干電子亞層（簡(jiǎn)稱亞層，有時(shí)也稱能級(jí)）。l確定同一電子層中不同原子軌道的形狀。在多電子原子中，與n一起決定軌道的能量。, 與角動(dòng)量的取向有關(guān)，確定原子軌道在空間的伸展方向。 m可取 0，1, 2l 值決定了角度函數(shù)的空間取向 m 值相同的軌道互為等價(jià)軌道,（3） 磁量子數(shù)m (

15、magnetic quantum number),p 軌道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三種取值, 三種取向, 三條等價(jià)(簡(jiǎn)并) p 軌道.,d 軌道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五種取值, 空間五種取向, 五條等價(jià)(簡(jiǎn)并) d 軌道.,f 軌道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七種取值, 空間七種取向, 七條等價(jià)(簡(jiǎn)并) f 軌道.,本課程不要求記住 f 軌道具體形狀!,（4） 自旋量子數(shù) ms (spin quantum number), 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài) 自旋運(yùn)動(dòng)

16、使電子具有類似于微磁體的行為 ms 取值+1/2和-1/2，分別用和表示,想象中的電子自旋 兩種可能的自旋方向: 正向(+1/2)和反向(-1/2) 產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng) 相反自旋的一對(duì)電子, 磁場(chǎng)相互抵消.,Electron spin visualized,由上面的討論知道 n, l, m 一定, 軌道也確定,核外電子運(yùn)動(dòng),軌道運(yùn)動(dòng),自旋運(yùn)動(dòng),與一套量子數(shù)相對(duì)應(yīng)（自然也有1個(gè)能量Ei),n l m ms,Question,寫出與軌道量子數(shù) n = 4, l = 2, m = 0 的原子軌道名稱.,原子軌道是由 n，l，m 三個(gè)量子數(shù)決定的。與 l = 2 對(duì)應(yīng)的軌道是 d 軌道。因?yàn)?n =

17、4，該軌道的名稱應(yīng)該是 4d。磁量子數(shù) m = 0 在軌道名稱中得不到反映, 但根據(jù)我們迄今學(xué)過的知識(shí), m = 0 表示該 4d 軌道是不同伸展方向的 5 條 4d 軌道之一。,Representations of the five d orbitals,r : 徑向坐標(biāo), 決定了球面的大小 : 角坐標(biāo), 由 z軸沿球面延伸至 r 的弧線 所表示的角度. : 角坐標(biāo), 由 r 沿球面平行xy面延伸至xz 面的弧線所表示的角度.,直角坐標(biāo)( x, y, z)與球坐標(biāo) (r,) 的轉(zhuǎn)換,2、波函數(shù)的圖形描述,將Schrdinger 方程變量分離：,徑向波函數(shù),R n, l (r) ,R(r),波

18、函數(shù)徑向分布圖 (以氫原子的1s, 2s, 3s 軌道為例),取不同的 r 值, 代入波函數(shù)式中進(jìn)行計(jì)算, 以計(jì)算結(jié)果對(duì) r 作圖. 例如, 氫原子1s軌道的 R(r) = 2e-r, n, l, m ( r, ) =,Y l,m (, ), 曲線怎樣繪得 ?, 曲線含義:,離核越近, 這些 s 軌道的 R 值越大. 其它含義不在本課程要求之列.,角度波函數(shù),波函數(shù)角度分布圖 (以氫原子 2px軌道為例), 通過坐標(biāo)原點(diǎn)畫出若干條射線, 每條對(duì)應(yīng)一組 和 值; 將該組和 值代入波函數(shù)式(見上)中進(jìn)行計(jì)算, 以計(jì)算結(jié)果標(biāo)在該 射線上某一點(diǎn); 用同樣方法標(biāo)出其它射線上的點(diǎn),然后將所有的點(diǎn)相聯(lián),得沿

19、 x 軸伸展 的啞鈴形面.,波函數(shù)角度分布圖,電子云是電子在核外空間各處出現(xiàn)幾率密度大小的形象化描述。幾率密度 = | |2， | |2 的圖象稱為電子云。 因而用 Y 2( ， ) ， 作圖即得到電子云的角度分布圖。其圖形與原子軌道角度分布圖相似，不同之處有兩點(diǎn)： 由于Y 1，Y2 Y （更小），所以電子云角度分布圖瘦些。 原子軌道角度分布有+、- 號(hào)之分，( Y 有正負(fù)號(hào)，代表波函數(shù)的對(duì)稱性并不代表電荷)，電子云的角度分布圖沒有正負(fù)號(hào)。,（3）電子云的角度分布圖,電子云常用小黑點(diǎn)的疏密程度表示。把占9095的幾率分布用匡線匡起來(lái)，形成電子云的界面圖，故也可用電子云的界面圖來(lái)表示電子出現(xiàn)的幾

20、率分布。,注意：由于微觀粒子具有波粒二象性，不僅其物理量是量子化的，而且從電子云概念可知，微觀粒子在空間的分布還具有統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。即電子雖不循著有形的軌道或途徑運(yùn)動(dòng)但它在空間的分布總有一個(gè)幾率或幾率密度較大的范圍。因此，盡管電子決不像宏觀物體運(yùn)動(dòng)那樣，呈現(xiàn)某種幾何形狀的軌道或途徑。,（4）電子云徑向分布圖,幾率幾率密度體積 對(duì)1s電子，在離核距離為r，厚度為dr的薄球殼內(nèi)出現(xiàn)的幾率 2 dV，而球面的面積A4r2，則球殼的體積dV 4r2dr，如右 圖所示。 所以電子在球殼內(nèi)出現(xiàn)的幾率 2 4r2dr， 令D（r）2 r2 ， 則D（r）叫做電子云的徑向分布函數(shù)，它是r的函數(shù)。它表示電 子在核外

21、空間出現(xiàn)的幾率隨r的變化情況。,徑向分布函數(shù)：,以D(r)r作圖，如下圖所示：,徑向分布函數(shù)圖：,（1）隨n增大，電子離核平均距離增大，如1s2s3s, 2p3p4p （2）當(dāng)n相同而l不同時(shí)，電子離核平均距離較接近，如3s,3p,3d相差不多。所以，通常把n相同的原子軌道合并一個(gè)電子層，把n、L都相同的原子軌道合并為一個(gè)電子亞層。 （3）電子云徑向分布圖中峰的數(shù)目為（n-1）。,一、多電子原子軌道能級(jí),第二節(jié) 多電子原子結(jié)構(gòu),二、核外電子排布,一、多電子原子軌道能級(jí), 什么叫屏蔽作用？在多電子原子中，核外電子不僅受到原子核的吸引，而且還受到電子間的相互排斥，這種由于電子間的相互排斥而使指定電

22、子感受到的核電荷Z* （稱為有效核電荷）減少的作用稱為屏蔽效應(yīng)。指定電子上的核電荷變?yōu)閆*=Z， 稱為屏蔽常數(shù)。,1、屏蔽效應(yīng)（Shielding effect）,屏蔽參數(shù) 的大小可由 Slater 規(guī)則決定，其內(nèi)容如下：,將原子中的電子分成如下幾組： （1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p), 位于被屏蔽電子右邊的各組，s = 0 1 s 軌道上的 2 個(gè)電子間 s = 0.30，n1 時(shí)，s = 0.35 被屏蔽電子為 ns 或 np 時(shí)，(n-1) 層對(duì)它 s = 0.85 ，小于(n-1) 的s =1.00 被屏蔽電子 nd 或 nf 時(shí)

23、，左邊各組 s =1.00,軌道的鉆穿能力通常有如下順序: n s n p n d n ，這意味著, 亞層軌道的電子云按同一順序越來(lái)越遠(yuǎn)離原子核, 導(dǎo)致能級(jí)按E(ns) E(np） E(nd) E(nf ) 順序分裂),指外層電子向內(nèi)層鉆穿的效應(yīng)稱為鉆穿效應(yīng)。,2、穿鉆效應(yīng),如果能級(jí)分裂的程度很大，就可能導(dǎo)致與臨近電子層中的亞層能級(jí)發(fā)生交 錯(cuò)。例如，4s電子云徑向分布圖上除主峰外還有3個(gè)離核更近小峰，其鉆穿程度如此之大，以致其能級(jí)處于3d亞層能級(jí)之下，發(fā)生交錯(cuò)。,核外電子分布三規(guī)則：,最低能量原理,Pauli不相容原理,Hund 規(guī)則,二、核外電子排布,Pauling近似能級(jí)圖, 泡利不相容原

24、理(Pauli exclusion principle)：, 最低能量原理(Aufbau principle) ：,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(jìn)入能量較高的軌道。,同一原子中不能存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子, 或者說(shuō)同一原子中不能存在四個(gè)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(gè)量子數(shù)n, l, m已相同, ms就必須不同。,根據(jù)順序圖, 電子填入軌道時(shí)遵循下列次序：,1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p,怎樣推算出各層(shell)和各亞層(subshell)電子

25、的最大容量?,Question,由泡利不相容原理并結(jié)合三個(gè)軌道量子數(shù)之間的關(guān)系, 能夠推知各電子層和電子亞層的最大容量. 各層最大容量與主量子數(shù)之間的關(guān)系為：最大容量2n2., 洪德規(guī)則 (Hunds rule)：,電子分布到簡(jiǎn)并軌道時(shí), 總是盡先以相同的自旋狀態(tài)分占軌道。即在 n 和 m 相同的軌道上分布電子, 將盡可得分布在 m 值不同的軌道上, 且自旋相同。,例如：Mn (25)原子3d 軌道中的 5 個(gè)電子按下面列出的方式(a)而不是按方式(b)排布：,洪德規(guī)則導(dǎo)致的結(jié)果之一是, 電子總數(shù)為偶數(shù)的原子(分子和離子)也可能含有未成對(duì)電子。顯然, s、p、d 和 f 亞層中未成對(duì)電子的最大

26、數(shù)目為 1、3、5 和 7, 即等于相應(yīng)的軌道數(shù)。未成對(duì)電子的存在與否, 實(shí)際上可通過物質(zhì)在磁場(chǎng)中的行為確定：含有未成對(duì)電子的物質(zhì)在外磁場(chǎng)中顯示順磁性(paramagnetism)，順磁性是指物體受磁場(chǎng)吸引的性質(zhì)；不含未成對(duì)電子的物質(zhì)在外磁場(chǎng)中顯示反磁性(diamagnetism), 反磁性是指物體受磁場(chǎng)排斥的性質(zhì)。,Question,根據(jù)Hunds rule, 下列三種排布中哪一種是氮原子的實(shí)際電子組態(tài)?,半滿全滿規(guī)則： 當(dāng)軌道處于全滿、半滿時(shí)，原子較穩(wěn)定。,Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2,N：1s2 2s2 2p3,原子芯,第三節(jié) 元素周期律,一

27、、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系,二、元素性質(zhì)的周期性,一、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系,1869年，俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫在總結(jié)對(duì)比當(dāng)時(shí)已知的60多種元素的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素之間的本質(zhì)聯(lián)系：按原子量遞增把化學(xué)元素排成序列，元素的性質(zhì)發(fā)生周期性的遞變。這就是元素周期律的最早表述。,1、元素周期律,相比之下,與門捷列夫同時(shí)發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)是原子量的函數(shù)的德國(guó)人邁爾(J.L.Meyer,1830-1895)卻沒有這樣足夠的膽量。,The elements if arranged according to their atomic weights, show a distinct periodicity of

28、 their properties.,讓我們復(fù)習(xí)一下量子數(shù),電子層,電子亞層之間的關(guān)系是有益的！,Mendeleevs periodic law (1869),元素周期性 內(nèi)涵極其豐富，具體內(nèi)容不可窮盡，其中最基本的是：隨原子序數(shù)遞增，元素周期性地從金屬漸變成非金屬,以稀有氣體結(jié)束，又從金屬漸變成非金屬，以稀有氣體結(jié)束，如此循環(huán)反復(fù)。 元素周期表 自從1869年門捷列夫給出第一張?jiān)刂芷诒淼?00多年以來(lái)，至少已經(jīng)出現(xiàn)700多種不同形式的周期表。人們制作周期表的目的是為研究周期性的方便。研究對(duì)象不同，周期表的形式就會(huì)不同。,維爾納長(zhǎng)式周期表:是由諾貝爾獎(jiǎng)得主維爾納（Alfred Werner

29、1866-1919）首先倡導(dǎo)的，長(zhǎng)式周期表是目前最通用的元素周期表，大家要重點(diǎn)掌握的。它的結(jié)構(gòu)如下：,（1）周期號(hào)數(shù)等于電子層數(shù)。 （2）各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容 納的電子總數(shù)。 （3）主族元素的族號(hào)數(shù)等于原子最外層電子數(shù)。,（4）長(zhǎng)式周期表的主表從左到右可分為s區(qū)，d區(qū)，ds區(qū)， p區(qū)4個(gè)區(qū)，有的教科書把ds區(qū)歸入d區(qū)；副表(鑭系和 錒系)是f區(qū)元素,ds區(qū),元素周期表,二、元素周期性 (the periodic of elements),原子參數(shù)(atomic parameters)是指用以表達(dá)原子特征的參數(shù)，它影響甚至決定元素的性質(zhì)，并隨原子序呈周期性變化.,（1）

30、適用金屬元素 （2）固體中測(cè)定兩個(gè)最鄰近原子 的核間距一半,（1）適用非金屬元素 （2）測(cè)定單質(zhì)分子中兩個(gè)相鄰原子的核 間距一半,1、 原子半徑(atomic radius),嚴(yán)格地講，由于電子云沒有邊界，原子半徑也就無(wú)一定數(shù)。但人總會(huì)有辦法的。迄今所有的原子半徑都是在結(jié)合狀態(tài)下測(cè)定的。,金屬半徑(metallic radius),共價(jià)半徑(covalent radius),同周期原子半徑的變化趨勢(shì) (一),總趨勢(shì)：隨著原子序數(shù)的增大,原子半徑自左至右減小.,解 釋: 電子層數(shù)不變的情況下，有效核電荷的增大導(dǎo)致核對(duì)外層電子的引力增大.,解 釋: 主族元素: 電子逐個(gè)填加在最外層, 對(duì)原來(lái)最外層

31、上的電子的屏蔽參數(shù)()小, 有效 核電荷(Z*) 迅速增大。例如, 由Na(Z=11)至Cl (Z=17), 核電荷增加6, 最外層3s電子 感受到的有效核電荷則增加4.56(由2.51增加至7.07)。 過渡元素: 電子逐個(gè)填加在次外層, 增加的次外層電子對(duì)原來(lái)最外層上電子的屏蔽 較強(qiáng), 有效核電荷增加較小。 內(nèi)過渡元素: 電子逐個(gè)填加在外數(shù)第三層, 增加的電子對(duì)原來(lái)最外層上電子的屏蔽 很強(qiáng), 有效核電荷增加甚小。,同周期原子半徑的變化趨勢(shì) (二),相鄰元素的減小幅度：主族元素 過渡元素 內(nèi)過渡元素, 第3周期前7個(gè)元素平均減小: r(Na) - r(Cl)/6 = 191 pm - 99

32、pm/6 = 15.3 pm 第一過渡系10個(gè)元素平均減小: r(Sc) - r(Zn)/9 = 164 pm - 137 pm/9 = 3.0 pm 鑭系15個(gè)元素平均減小: r(La) - r(Lu)/14 = 188 pm - 173pm/14 = 1.1 pm,原子半徑變化規(guī)律的形象表示,2、電離能( ionization energy),E (g) = E+ (g) + e- I 1,E+ (g) =E 2+ (g) + e- I 2,I 1 I 2 I 3 I 4,電離能涉及分級(jí)概念?；鶓B(tài)氣體原子失去最外層一個(gè)電子成為氣態(tài)+1價(jià)離子所需的最小能量叫第一電離能, 再?gòu)恼x子相繼逐個(gè)失去電子所需的最小能量則叫第二、第三、電離能。各級(jí)