第四章第一节原子结构与元素周期系精选文档.ppt

第四章第一节原子结构与元素周期系本讲稿第一页，共七十六页一一.原子结构发展概况原子结构发展概况1.Dalton 1.Dalton 原子论原子论 每一种化学元素的最小单每一种化学元素的最小单位是原子；同种元素的原子质位是原子；同种元素的原子质量相同，不同种元素由不同原量相同，不同种元素由不同原子组成，原子质量也不相同；子组成，原子质量也不相同；原子是不可分的。原子是不可分的。道尔顿（英）道尔顿（英）1766176618441844本讲稿第二页，共七十六页1897年汤姆逊（年汤姆逊（Thomson，18561940）通过阴极）通过阴极射线发现了电子的存在射线发现了电子的存在。认为电子处于在带正电荷的认为电子处于在带正电荷的球内球内。2.汤姆逊的西瓜原子模型汤姆逊的西瓜原子模型本讲稿第三页，共七十六页考察考察 粒子在金箔上的散射。粒子在金箔上的散射。发现大多数粒子未偏转。发现大多数粒子未偏转。一部分粒子偏转。一部分粒子偏转。sourcedeflectedundeflectedreflected1911年英国科学家卢瑟福（年英国科学家卢瑟福（Rutherford，D.1749-1819）进行了著名的进行了著名的 粒子散射实验粒子散射实验 结论：原子中的正电荷集中在一个很小的核上，其余大结论：原子中的正电荷集中在一个很小的核上，其余大部分是空的。部分是空的。3.3.卢瑟福的原子的有核模型卢瑟福的原子的有核模型卢瑟福的原子的有核模型卢瑟福的原子的有核模型本讲稿第四页，共七十六页白光做光源白光做光源连续光谱：包含某一段范围内所有不同连续光谱：包含某一段范围内所有不同波长的光谱。波长的光谱。本讲稿第五页，共七十六页氢原子光谱氢原子光谱本讲稿第六页，共七十六页4.波尔原子模型波尔原子模型（1）1900年，普朗克的量子论：年，普朗克的量子论：辐射能的吸收和发射是辐射能的吸收和发射是不连续的（量子化）不连续的（量子化）不连续的（量子化）不连续的（量子化），是按照一，是按照一，是按照一，是按照一个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这种情况称为个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这种情况称为个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这种情况称为个最小单位或最小单位的整数倍吸收或发射的，这种情况称为能量的量子化。能量的量子化。能量的量子化。能量的量子化。能量的最小单位叫做能量子，简称量子。能量的最小单位叫做能量子，简称量子。能量的最小单位叫做能量子，简称量子。能量的最小单位叫做能量子，简称量子。以光或辐射形式传递的能量子具有的能量以光或辐射形式传递的能量子具有的能量与辐射的频率与辐射的频率成正比：成正比：h6.62610-34Js，称为称为普朗克常数。普朗克常数。（2 2）19051905年，爱因斯坦的光子学说：年，爱因斯坦的光子学说：年，爱因斯坦的光子学说：年，爱因斯坦的光子学说：光不仅是一种波，而且具有粒子性。光不仅是一种波，而且具有粒子性。光不仅是一种波，而且具有粒子性。光不仅是一种波，而且具有粒子性。本讲稿第七页，共七十六页波尔原子模型要点：波尔原子模型要点：a ao o基态基态基态基态激发态激发态激发态激发态1.核外电子只能在定态轨道上运动，既不吸核外电子只能在定态轨道上运动，既不吸收能量，也不辐射能量。电子运动轨道是以收能量，也不辐射能量。电子运动轨道是以核为圆心的不同半径的同心圆；核为圆心的不同半径的同心圆；2.不同定态轨道能量不同，且不连续；不同定态轨道能量不同，且不连续；原子轨道不同能量状态称为能级；原子轨道不同能量状态称为能级；3.电子可在不同的定态轨道间跃迁，在这电子可在不同的定态轨道间跃迁，在这个过程中吸收个过程中吸收一定的一定的辐射能或以光的形式辐射能或以光的形式放出能量。放出能量。放出或吸收的能量，正好等于两个轨道的能级放出或吸收的能量，正好等于两个轨道的能级差差=E/h=（E2-E1）/h本讲稿第八页，共七十六页氢原子光谱氢原子光谱n=1n=2n=5n=6n=4n=3n=7本讲稿第九页，共七十六页波尔模型的成功与局限性波尔模型的成功与局限性成功：解释了原子的稳定性，氢原子光谱（线光谱）的成功：解释了原子的稳定性，氢原子光谱（线光谱）的不连续性。不连续性。局限：局限：1.不能说明多电子原子体系；不能说明多电子原子体系；2.未脱离经典力学的框架；人为规定电子只能未脱离经典力学的框架；人为规定电子只能在服在服从量子化条件的定态轨道上运动，从量子化条件的定态轨道上运动，实际上电子并实际上电子并不遵守经典力学理论，而是服从微观粒子特有的规不遵守经典力学理论，而是服从微观粒子特有的规律性。律性。本讲稿第十页，共七十六页微观粒子的运动特征：微观粒子的运动特征：1.量子化特征量子化特征“量子化量子化”是指微观粒子的是指微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化是不连续的运动以及运动过程中能量的变化是不连续的，而是而是以某一最小量为单位以某一最小量为单位呈现跳跃式的变化呈现跳跃式的变化。举例：举例：原子光谱是分立的线光谱原子光谱是分立的线光谱而不是连续光谱的事实。而不是连续光谱的事实。2.波粒二象性波粒二象性1924年德布罗依（年德布罗依（deBroglie）受光具有波粒二象性的启发，）受光具有波粒二象性的启发，提出分提出分子、原子、电子等微观粒子也具有波粒二象性。子、原子、电子等微观粒子也具有波粒二象性。20世纪初，爱因斯坦的光子理论阐述了世纪初，爱因斯坦的光子理论阐述了光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。本讲稿第十一页，共七十六页对于质量为对于质量为m、以速度、以速度v运动着的微观粒子，不仅具有运动着的微观粒子，不仅具有动量动量（粒子性特征），（粒子性特征），而且具有而且具有相应的波长（波动性特征）。相应的波长（波动性特征）。两者间的相互关系符合下列关系式：两者间的相互关系符合下列关系式：这就是著名的这就是著名的德布罗依关系式，德布罗依关系式，它把物质微粒的波粒它把物质微粒的波粒二象性联系在一起。式中二象性联系在一起。式中称为物质波的波长，或德布罗称为物质波的波长，或德布罗依波长。依波长。本讲稿第十二页，共七十六页根据德布罗依关系式，可求得电子的波长。根据德布罗依关系式，可求得电子的波长。例如以一定速度运动的电子，其德布罗依波例如以一定速度运动的电子，其德布罗依波波长为：波长为：这个波长相当于分子大小的数量级。因此，这个波长相当于分子大小的数量级。因此，当一束电子流经过晶体时，应该能观察到由当一束电子流经过晶体时，应该能观察到由于电子的波动性引起的衍射现象于电子的波动性引起的衍射现象。本讲稿第十三页，共七十六页电子衍射图片电子衍射图片这一推断在这一推断在1927年戴维逊和杰莫年戴维逊和杰莫通过通过电子衍射实验电子衍射实验得到了证实。得到了证实。本讲稿第十四页，共七十六页X-raysElectron 两种衍射图相似，因电子的波长与两种衍射图相似，因电子的波长与X射线接近射线接近本讲稿第十五页，共七十六页测不准原理（测不准关系）测不准原理（测不准关系）（1927年，海森堡）年，海森堡）内容：内容：微观粒子在指定时刻的空间位置和动量是不可能同微观粒子在指定时刻的空间位置和动量是不可能同时确定的。时确定的。xx pp h/2h/2 xx h/2mh/2m h h为普朗克常数：为普朗克常数：为普朗克常数：为普朗克常数：6.6266.626 1010-34-34 x x和和和和 p p分别为位置不确定量和动量不确定量分别为位置不确定量和动量不确定量分别为位置不确定量和动量不确定量分别为位置不确定量和动量不确定量本讲稿第十六页，共七十六页 对于宏观物体对于宏观物体 m=10 g m=10 g x=0.1mmx=0.1mm 由由 xx h/2mh/2m 得得得得 =h/h/（2m2m x x）10 10-28-28 m.s m.s-1-1 远远小于可测量的限度范围远远小于可测量的限度范围 表明不确定原理对于宏观物体实际上不起作用。表明不确定原理对于宏观物体实际上不起作用。对于电子对于电子 m=9.1110 m=9.1110-31-31 KgKg 其大小数量级为其大小数量级为1010-10-10 m m，位置的合理准确度位置的合理准确度 x=10 x=10-11-11 m m由由 xx h/2mh/2m 得得得得 h/h/（2m2m x x）=6 6 10 106 6 m.s m.s-1-1，这已与电子的本身速度，这已与电子的本身速度（107m.s-1）相当。相当。本讲稿第十七页，共七十六页微观粒子运动规律的统计性解释微观粒子运动规律的统计性解释 微观粒子的波动性是大量微粒运动（或一个粒微观粒子的波动性是大量微粒运动（或一个粒子的千万次运动）所表现出来的性质，即物质的运动子的千万次运动）所表现出来的性质，即物质的运动是具有统计意义的概率波。是具有统计意义的概率波。原子中电子的运动特征可用原子中电子的运动特征可用“概率波概率波”和和“概率概率密度密度”来描述。来描述。空间某个区域空间某个区域波的强度（衍射强度）的大小与粒子波的强度（衍射强度）的大小与粒子出现机会（概率）的多少成正比出现机会（概率）的多少成正比。本讲稿第十八页，共七十六页1.薛定谔方程薛定谔方程1926年，奥地利物理学家薛定年，奥地利物理学家薛定谔（Schrdinger）建立了描述微观粒子运动规律的建立了描述微观粒子运动规律的波动方程，即著名的薛定谔方程：波动方程，即著名的薛定谔方程：二二.原子结构原子结构（量子力学模型）（量子力学模型）（波塞）（波塞）-波函数波函数：不是具体的数，：不是具体的数，而是描述微观粒而是描述微观粒子运动状态的数学表达式子运动状态的数学表达式；是空间坐标；是空间坐标x x、y y、z z的函数。的函数。（x x、y y、z)z)。描述核外电子在空间运动的状态。描述核外电子在空间运动的状态（原子轨道）（原子轨道）m m：粒子的质量粒子的质量;E E：体系的总能量；体系的总能量；V V：势能势能m m、E E、V-V-体现微粒性；体现微粒性；-体现波动性体现波动性二阶偏微分方程二阶偏微分方程本讲稿第十九页，共七十六页（x、y、z）也可用球坐标（）也可用球坐标（r、）表示：）表示：（r、）。）。（x x，y y，z z）或（）或（）或（）或（r,)r,)X=r sincoscosY=rsinsinY=rsinsinZ=rcosZ=rcos(x(x、y y、z)z)（r r、）=R =R（r)r)Y Y（、)o ox xy yz z r r本讲稿第二十页，共七十六页在一定条件下，在一定条件下，通过求解薛定谔方程通过求解薛定谔方程，可得到描述，可得到描述核外电子运动状态的一系列波函数核外电子运动状态的一系列波函数(r、)的具体表达的具体表达式，以及其对应的状态能量式，以及其对应的状态能量E。所求得的每一波函数所求得的每一波函数(r、)，都对应于核外电子运，都对应于核外电子运动的一种运动状态，即一个定态，其相应的能量即为原子轨道能动的一种运动状态，即一个定态，其相应的能量即为原子轨道能级。级。例如基态氢原子的波函数为：例如基态氢原子的波函数为：相应的基态相应的基态1s的能级为的能级为-21.810-19J本讲稿第二十一页，共七十六页 为了得到电子运动状态的合理解，必需引进几个参数为了得到电子运动状态的合理解，必需引进几个参数n n、l l、m,m,称它们为量子数称它们为量子数（表征微观粒子运动状态的一些特定的（表征微观粒子运动状态的一些特定的数字），数字），每个量子数都有其确定的取值范围。每个量子数都有其确定的取值范围。对应于对应于一组合理的一组合理的n n、l l、m m取值取值，必有一个确定的波函，必有一个确定的波函数数(r(r、)n n、l l、m m对应，也就是有对应，也就是有一个确定的原子轨道。一个确定的原子轨道。1 1、0 0、0 0 代表代表1s1s原子轨道原子轨道,1s1s2 2、1 1、0 0 代表代表2p2pz z原子轨道原子轨道,2pz2pz确定确定一个电子的运动状态一个电子的运动状态还需加一个还需加一个m mS S量子数。量子数。*2.*2.四个量子数四个量子数本讲稿第二十二页，共七十六页1 1）主量子数）主量子数n n 意义：描述电子层能量的高低次序和离核的远意义：描述电子层能量的高低次序和离核的远近。近。取值：取值：1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6自然数自然数 符号：符号：K L M N O P K L M N O P n=1n=1表示能量最低、离核最近的第一电子层。表示能量最低、离核最近的第一电子层。n n越大，电子离核平均距离越远，能量越高，电子越大，电子离核平均距离越远，能量越高，电子出现概率越小。出现概率越小。本讲稿第二十三页，共七十六页2 2）角量子数）角量子数l l意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；确定原子轨道的形状，并在多电子原子中和主量子数一确定原子轨道的形状，并在多电子原子中和主量子数一起决定原子轨道的能量。起决定原子轨道的能量。取值：取值：0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 （n n1 1）符号：符号：s p d f g s p d f g n n取值取值:1 :1 2 2 3 3 4 4l l取值取值:0 :0 0 10 1 0 1 2 0 1 2 0 1 2 30 1 2 3轨轨 道道:1s :1s 2s 2p2s 2p 3s 3p 3d 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f4s 4p 4d 4f本讲稿第二十四页，共七十六页 每个每个n n值最多对应值最多对应n n个不相同的角量子数个不相同的角量子数l，即每个电子层最多有即每个电子层最多有n n个亚层。个亚层。l l的每个值还可表示一种形状的原子轨道的每个值还可表示一种形状的原子轨道 l=0l=0，s s轨道，球形；轨道，球形；l=1l=1，p p轨道，哑铃形；轨道，哑铃形；l=2l=2，d d轨道，花瓣形轨道，花瓣形 本讲稿第二十五页，共七十六页3 3）磁量子数）磁量子数m m (同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方向不同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方向不同的原子轨道。同的原子轨道。)意义意义:决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向取值：与取值：与l l有关，给定有关，给定l l，m m有有2l+12l+1个值个值 -l 0 +l-l 0 +l，一个，一个m m值对应一个原子轨道值对应一个原子轨道本讲稿第二十六页，共七十六页薛定谔方程薛定谔方程1 1）主量子数）主量子数）主量子数）主量子数n n2 2）角量子数）角量子数）角量子数）角量子数l l3）磁量子数）磁量子数m取值：取值：123456 自然数自然数符号：符号：KLMNOP 取值：取值：01234.（n1）符号：符号：spdfg取值：与取值：与l有关，给定有关，给定l，m有有2l+1个值个值-l 0+l，一个，一个m值对应一个原子轨道值对应一个原子轨道本讲稿第二十七页，共七十六页本讲稿第二十八页，共七十六页l m l m 轨道符号轨道符号 轨道数量轨道数量0 0 s 10 0 s 11 -1,0,+1 p 31 -1,0,+1 p 32 -2,-1,0,+1,+2 d 52 -2,-1,0,+1,+2 d 53 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 73 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 7 没有外加磁场时没有外加磁场时，同一亚层中的原子轨道能量相等，同一亚层中的原子轨道能量相等（3 3个个p p轨道，轨道，5 5个个d d轨道，轨道，7 7个个f f轨道轨道），称），称简并轨道简并轨道或或等等价轨道价轨道。在外界强磁场的作用下，因轨道的空间伸展方向不同，能在外界强磁场的作用下，因轨道的空间伸展方向不同，能量上会显示出微小的差别。量上会显示出微小的差别。本讲稿第二十九页，共七十六页综上所述：综上所述：一组合理的一组合理的n n、l l、m,m,可确定一个原子轨道离可确定一个原子轨道离核的远近、形状和伸展方向。核的远近、形状和伸展方向。n=3,l=1,m=0 n=3,l=1,m=0 3,1,0 3,1,0 对应对应3p3pz z轨道。轨道。思考：思考：n=4,l=0,m=0 n=4,l=0,m=0 代表什么轨道？代表什么轨道？4s4s轨道，轨道，4,0,04,0,0本讲稿第三十页，共七十六页4 4）自旋量子数）自旋量子数m ms s电子除绕核运动外电子除绕核运动外,还绕着自身的轴作自旋运动。还绕着自身的轴作自旋运动。意义：描述核外电子的自旋状态。意义：描述核外电子的自旋状态。取值：取值：+1/2+1/2，-1/2 -1/2 ；，四个量子数四个量子数 n,l,m,m n,l,m,ms s可确定一个电子在原子核外可确定一个电子在原子核外的运动状态。的运动状态。本讲稿第三十一页，共七十六页小结小结:1.主主量量子子数数n和和轨轨道道角角动动量量量量子子数数l决决定定核核外外电电子子的能量的能量；2.轨轨道道角角动动量量量量子子数数l还还决决定定原原子子轨轨道道的的形形状状和和电电子云的形状子云的形状；3.磁量子数磁量子数m决定决定原子轨道或电子云的空间取向原子轨道或电子云的空间取向；4.自旋角动量量子数自旋角动量量子数ms决定决定电子运动的自旋状态电子运动的自旋状态。本讲稿第三十二页，共七十六页四个量子数与各电子层可能存在的电子运动状态数列于下表四个量子数与各电子层可能存在的电子运动状态数列于下表:主量子主量子数数电子层电子层原子轨道符号原子轨道符号原子轨道数原子轨道数电子运动状态电子运动状态数数n=1K1s12n=2L2s 2p1 38n=3M3s 3p 3d1 3 518n=4N4s 4p 4d 4f1 3 5 732nn22n2本讲稿第三十三页，共七十六页例题：例题：假定下列各套量子数，指出其中哪些实际上假定下列各套量子数，指出其中哪些实际上是不存在的，并说明原因。是不存在的，并说明原因。（1）(3,2,2,1/2);（2）(3,0,-1,1/2);（3）(2,2,2,2);（4）(1,0,0,0);（5）(2,-1,0,1/2);（6）(2,0,-2,1/2)【答】【答】(3)不存在，自旋量子数只能取不存在，自旋量子数只能取1/2，同，同 理理(4)也不存在；也不存在；(5)不存在，因为角量子不存在，因为角量子 数不能取负数。（数不能取负数。（2）（）（6）不存在，因为磁）不存在，因为磁量子数的取值受角量子数的制约。量子数的取值受角量子数的制约。本讲稿第三十四页，共七十六页3.原子轨道的图形原子轨道的图形利用数学上的变量分离法，可将波函数利用数学上的变量分离法，可将波函数（r、）分解为两个独立函数的乘积：）分解为两个独立函数的乘积：（r、）=R（r）.Y(、)(1)R(r)称为称为波函数的径向部分波函数的径向部分。R(r)值只随值只随n和和l的取值而变化。的取值而变化。(2)Y(、)称为称为波函数的角度部分。波函数的角度部分。Y(、)值只随值只随l和和m的取值而变化。的取值而变化。o ox xy yz z r r（r、）本讲稿第三十五页，共七十六页1.角度分布图角度分布图（1）原子轨道的角度分布图）原子轨道的角度分布图波函数的角度部分波函数的角度部分Y(,)在不同的在不同的,角的相应的角的相应的Y 值值，在空间形成一个闭合的曲面在空间形成一个闭合的曲面，这个图形就叫波函数的角，这个图形就叫波函数的角度分布图。度分布图。角度分布图的说明：角度分布图的说明：形状：形状：S-球型球型P-两球相切两球相切d-花瓣型花瓣型+，-号号，只代表函数取值的正负，不代表电性的正，只代表函数取值的正负，不代表电性的正负。负。本讲稿第三十六页，共七十六页图4-3 s、p、d原子轨道的角度分布图的平面示意图本讲稿第三十七页，共七十六页（2）电子云的角度分布图）电子云的角度分布图根据根据(r,)=R(r)Y(,),得得 2(r,)=R2Y 2(,),以以Y 2(,)随随(,)的变化做图的变化做图,得电子云的角度分布图。得电子云的角度分布图。电子云的角度分布图与波函数的角度分布图的比较：电子云的角度分布图与波函数的角度分布图的比较：图形相似图形相似电子云的角度分布图比波函数的角度分布图瘦一些电子云的角度分布图比波函数的角度分布图瘦一些因因Y 2(,)Y(,),电子云的角度分布图无正负号电子云的角度分布图无正负号.本讲稿第三十八页，共七十六页 原原子子轨轨道道的的径径向向部部分分的的图图形形，通通常常并并不不以以R（r）对对r作图，而是采用作图，而是采用D（r）r2R2（r）对对r作图。作图。D（r）称称为为原原子子轨轨道道的的径径向向分分布布函函数数，它它表表示示在在离离核核半半径径为为r、厚厚度度为为dr的的球球壳壳薄薄层层中中，电电子子出出现现总总几几率率随随半半径径r的的分分布变化规律。布变化规律。3.径向分布函数图径向分布函数图rr+dr本讲稿第三十九页，共七十六页图图4-4 氢原子的各种状态的径向分布图氢原子的各种状态的径向分布图本讲稿第四十页，共七十六页径向分布函数图说明：径向分布函数图说明：曲线上峰的个数为曲线上峰的个数为（nl）个；个；最高峰称为主峰最高峰称为主峰。n相同的轨道主峰离核相同的轨道主峰离核距离相近；距离相近；图中极小值（图中极小值（D(r)0），这些点称为），这些点称为节节点。点。本讲稿第四十一页，共七十六页三、核外电子的排布三、核外电子的排布1.屏蔽效应：屏蔽效应：由于其它电子的由于其它电子的排斥，使得原子核对某电子排斥，使得原子核对某电子的吸引力减弱的现象叫做屏蔽效应。的吸引力减弱的现象叫做屏蔽效应。屏蔽效应的大小，可用屏蔽常数屏蔽效应的大小，可用屏蔽常数表示表示*=-*为有效核电荷数，为有效核电荷数，为核电荷数。为核电荷数。按按Slater方法可近似估算方法可近似估算值：值：原子内所有电子对指定电子的屏蔽原子内所有电子对指定电子的屏蔽常数的总和为该电子在原子中受到的总的屏蔽常数。常数的总和为该电子在原子中受到的总的屏蔽常数。(1s)(2s2p)(3s3p)(3d)(4s4p)(4d)(4f)外层电子对内层电子的屏蔽常数外层电子对内层电子的屏蔽常数为零。为零。同层电子间的屏蔽常数同层电子间的屏蔽常数=0.35；但对第一层电子；但对第一层电子而言，而言，=0.30。第（第（n-1）层电子对第）层电子对第n层电子的屏蔽常数为，层电子的屏蔽常数为，=0.85。第（第（n-2）层及其以内各层电子对第）层及其以内各层电子对第n层电子的屏蔽常数均为，层电子的屏蔽常数均为，=1.00。本讲稿第四十二页，共七十六页2.钻穿效应钻穿效应外层电子回避其他电子的屏蔽作用外层电子回避其他电子的屏蔽作用,更多的钻到近核处更多的钻到近核处,受到受到较多核电荷吸引，从而使轨道能量降低的现象，称为钻较多核电荷吸引，从而使轨道能量降低的现象，称为钻穿效应。穿效应。钻穿效应大小与角量子数有关。钻穿效应大小与角量子数有关。n同同,l越小越小,钻穿效应越大钻穿效应越大nsnpndnf钻穿效应使各电子亚层能级的顺序为：钻穿效应使各电子亚层能级的顺序为：EnsEnpEndEnf。本讲稿第四十三页，共七十六页 “屛蔽效应屛蔽效应”和和“钻穿效应钻穿效应”是决定能级高低的二个是决定能级高低的二个方面：方面：（1）L相等、相等、n越大，电子离核越远、内层电子屛蔽效应越大，电子离核越远、内层电子屛蔽效应越大、能量越高：越大、能量越高：1S 2S 3S 4S；（2）n相同时，相同时，L越小，钻穿效应越强，能量降低许越小，钻穿效应越强，能量降低许多，多，4S 4P 4d 4f（3）n、L均不相同时，如钻穿效应显著，则能级交均不相同时，如钻穿效应显著，则能级交错：错：4S 3d一般来说，基态原子外层轨道能级高低的顺序：一般来说，基态原子外层轨道能级高低的顺序：ns(n-2)f(n-1)d np本讲稿第四十四页，共七十六页图图4-9鲍利近似能级图鲍利近似能级图本讲稿第四十五页，共七十六页多电子原子轨道的近似能级图多电子原子轨道的近似能级图本讲稿第四十六页，共七十六页3.电子在原子轨道中排布的基本原则电子在原子轨道中排布的基本原则(1)鲍利不相容原理鲍利不相容原理在同一原子中，不能有两个电子处于完全相同的状态。在同一原子中，不能有两个电子处于完全相同的状态。每个轨道最多容纳每个轨道最多容纳2个自旋相反的电子。个自旋相反的电子。(2)能量最低原理能量最低原理在基态时，电子总是优先排入能量尽可能低的轨道。在基态时，电子总是优先排入能量尽可能低的轨道。填充顺序：填充顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p按照鲍林能级图进行填充。按照鲍林能级图进行填充。本讲稿第四十七页，共七十六页(3)洪特规则洪特规则在能量相同的原子轨道（简并轨道）上时，在能量相同的原子轨道（简并轨道）上时，将电子尽可能分占不同轨道，而且自旋方将电子尽可能分占不同轨道，而且自旋方向相同；向相同；当电子分布为全充满当电子分布为全充满(6,d10,f14)，半充满半充满(3,5,f7),全空全空(0,0,f0)时时,原子结构较原子结构较为稳定。为稳定。本讲稿第四十八页，共七十六页4原子中电子的实际排布原子中电子的实际排布(1)电子排布式电子排布式多电子原子中电子进入轨道的能级顺序是多电子原子中电子进入轨道的能级顺序是多电子原子中电子进入轨道的能级顺序是多电子原子中电子进入轨道的能级顺序是1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f51s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7pd6p7s5f6dns(npns(npns(npns(n n n n-1)d(-1)d(-1)d(-1)d(n n n n-2)f-2)f-2)f-2)f 26Fe Ar3d64s2 Ar3d64s0 Ar3d54s0 Fe2+Fe3+本讲稿第五十五页，共七十六页基态阳离子的五种电子构型基态阳离子的五种电子构型基态阳离子的五种电子构型基态阳离子的五种电子构型电子构型电子构型外层电子结外层电子结构构外层外层电子数电子数实例实例2e2e-1s1s2 22 2LiLiLiLi+,Be,Be,Be,Be2+2+2+2+8e8e-n ns s2 2 n np p6 68 8NaNaNaNa+,Mg,Mg,Mg,Mg2+2+2+2+,Al,Al,Al,Al3+3+3+3+,Sc,Sc,Sc,Sc3+3+3+3+,Ti,Ti,Ti,Ti4+4+4+4+(9-17)e(9-17)e-n ns s2 2 n np p6 6 n nd d1 19 99 91717CrCrCrCr3+3+3+3+,Mn,Mn,Mn,Mn2+2+2+2+,Fe,Fe,Fe,Fe2+2+2+2+,Fe,Fe,Fe,Fe3+3+3+3+,Cu,Cu,Cu,Cu2+2+2+2+18e18e-n ns s2 2 n np p6 6 n nd d10101818AgAgAgAg+,Cu,Cu,Cu,Cu+,Zn,Zn,Zn,Zn2+2+2+2+,Cd,Cd,Cd,Cd2+2+2+2+,Hg,Hg,Hg,Hg2+2+2+2+(18+2)e(18+2)e-(n n-1)s-1)s2 2 (n n-1)p-1)p6 6(n n-1)d-1)d10 10 n ns s2 218+218+2SnSnSnSn2+2+2+2+,Pb,Pb,Pb,Pb2+2+2+2+,Sb,Sb,Sb,Sb3+3+3+3+,Bi,Bi,Bi,Bi3+3+3+3+本讲稿第五十六页，共七十六页4原子的电子排布和元素周期表原子的电子排布和元素周期表本讲稿第五十七页，共七十六页周期周期的划分和轨道能级组的关系的划分和轨道能级组的关系 周期数周期数周期数周期数原子原子原子原子序数序数序数序数元素元素元素元素数目数目数目数目最高能级组最高能级组最高能级组最高能级组最大电子最大电子最大电子最大电子容量容量容量容量1 1 1 11-21-21-21-22 2 2 21s1s1s1s第一能级组第一能级组第一能级组第一能级组2 2 2 22 2 2 23-103-103-103-108 8 8 82s,2p2s,2p2s,2p2s,2p第二能级组第二能级组第二能级组第二能级组8 8 8 83 3 3 311-1811-1811-1811-188 8 8 83s,3p3s,3p3s,3p3s,3p第三能级组第三能级组第三能级组第三能级组8 8 8 84 4 4 419-3619-3619-3619-36181818184s,3d,4p4s,3d,4p4s,3d,4p4s,3d,4p第四能级组第四能级组第四能级组第四能级组181818185 5 5 537-5437-5437-5437-54181818185s,4d,5p5s,4d,5p5s,4d,5p5s,4d,5p第五能级组第五能级组第五能级组第五能级组181818186 6 6 655-8655-8655-8655-86323232326s,4f,4d,6s,4f,4d,6s,4f,4d,6s,4f,4d,6p6p6p6p第六能级组第六能级组第六能级组第六能级组323232327 7 7 787-10987-10987-10987-109未完未完未完未完232323237s,5f,5d,7s,5f,5d,7s,5f,5d,7s,5f,5d,7p7p7p7p第七能级组第七能级组第七能级组第七能级组32323232 周期数元素电子层数周期数元素电子层数周期数元素电子层数周期数元素电子层数 元素数目相应能级组中原子轨道的最大电子容量元素数目相应能级组中原子轨道的最大电子容量元素数目相应能级组中原子轨道的最大电子容量元素数目相应能级组中原子轨道的最大电子容量本讲稿第五十八页，共七十六页1.周期周期1-3为短周期，为短周期，4-6为长周期，为长周期，7周期为不完周期为不完全周期。全周期。元素的周期性变化，决定于原子核外电子元素的周期性变化，决定于原子核外电子排布的周期性变化。排布的周期性变化。每一周期每一周期ns1开始，开始，ns2np6结束。结束。本讲稿第五十九页，共七十六页族族 周期表把元素分为周期表把元素分为周期表把元素分为周期表把元素分为16161616族族族族-7-7个主族（个主族（A A族），族），1 1个个0 0族族(A)-7(A)-7个副族（个副族（B B族），族），1 1个个族族(B)(B)n n n ns s s s1 1 1 12 2 2 2n n n ns s s s2 2 2 2n n n np p p p1 1 1 16 6 6 6(n n n n1)d1)d1)d1)d10101010n n n ns s s s1-21-21-21-2(n n n n1)d1)d1)d1)d1 1 1 18 8 8 8n n n ns s s s2 2 2 2(n n n n2)f2)f2)f2)f1 1 1 114141414(n n n n1)d1)d1)d1)d0 0 0 02 2 2 2n n n ns s s s2 2 2 2本讲稿第六十页，共七十六页2.族族在周期表中，具有在周期表中，具有相同价电子构型相同价电子构型的元素的元素排成一列，构成一族。排成一列，构成一族。主族主族:最后一个电子填入最后一个电子填入ns或或np能级；能级；主族数等于主族数等于ns和和np轨道上电子数之和。轨道上电子数之和。副族：最后一个电子填入副族：最后一个电子填入(n-1)d或或(n-2)f能能级；级；副族数等于副族数等于(n-1)d和和ns轨道上电子数之和轨道上电子数之和（B、B副族除外）。副族除外）。举例：Mn 3d54s2本讲稿第六十一页，共七十六页f f f f区区区区：(n n n n2)f2)f2)f2)f1 1 1 114141414(n n n n1)d1)d1)d1)d0 0 0 02 2 2 2n n n ns s s s2 2 2 2d d d d区：区：区：区：(n n n n1)d1)d1)d1)d1 1 1 18 8 8 8n n n ns s s s2 2 2 2 (Pd(Pd(Pd(Pd：4d4d4d4d10 10 10 10 无无无无 s s s s 电子电子电子电子)ds ds ds ds 区区区区：(n n n n1)d1)d1)d1)d10101010n n n ns s s s1-21-21-21-2p p p p区区区区：n n n ns s s s2 2 2 2n n n np p p p1 1 1 16 6 6 6s s s s区：区：区：区：n n n ns s s s1 1 1 12 2 2 2本讲稿第六十二页，共七十六页四、元素性质的周期性四、元素性质的周期性1原子半径原子半径通常原子半径可分为通常原子半径可分为金属半径、共价半径金属半径、共价半径和范德华半径和范德华半径。(1)金属半径：金属半径：金属晶体中，金属晶体中，相邻两原子核间距离的一半相邻两原子核间距离的一半。(2)共价半径：共价半径：同种元素的两个原子以共价键合时，其核同种元素的两个原子以共价键合时，其核间距的一半。间距的一半。(3)范德华半径：范德华半径：分子晶体分子晶体(或单原子分子或单原子分子)中分子之间以范中分子之间以范德华力相互接近时，德华力相互接近时，非键结合的两个相同非键结合的两个相同原子间核间距的一半原子间核间距的一半。本讲稿第六十三页，共七十六页原子半径变化规律原子半径变化规律原子半径的大小与原子的电子层数及有效核电荷数有关。原子半径的大小与原子的电子层数及有效核电荷数有关。电子层越多，原子半径越大。电子层越多，原子半径越大。有效核电荷数越多，核对外层电子的吸引力越大，原子半径有效核电荷数越多，核对外层电子的吸引力越大，原子半径越小。越小。(1)同一族同一族同一主族，电子层数同一主族，电子层数n增多，原子半径就增大。增多，原子半径就增大。同一副族，半径变化不明显。同一副族，半径变化不明显。(2)同一周期同一周期同一周期自左至右核电荷数依次增加，核对外层电子的吸引同一周期自左至右核电荷数依次增加，核对外层电子的吸引力增强，所以原子半径从左到右递减。力增强，所以原子半径从左到右递减。本讲稿第六十四页，共七十六页本讲稿第六十五页，共七十六页元素的原子半径相对大小示意图元素的原子半径相对大小示意图本讲稿第六十六页，共七十六页镧系收缩：镧系收缩：是指整个镧系元素原子半径随原子序数增加是指整个镧系元素原子半径随原子序数增加而缩小的现象。镧系收缩与同一周期中元素的原子半而缩小的现象。镧系收缩与同一周期中元素的原子半径自左至右递减的趋势是一致的，但不同的是：径自左至右递减的趋势是一致的，但不同的是：镧系镧系元素随原子序数增加的电子是填在元素随原子序数增加的电子是填在4f轨道上，其对最外轨道上，其对最外层的层的6s电子和次外层电子和次外层5d电子的屏蔽作用较强，使得核对电子的屏蔽作用较强，使得核对5d、6s电子的吸引很弱，电子的吸引很弱，因而因而镧系元素的原子半径随原镧系元素的原子半径随原子序数的增加而缩小的幅度很小子序数的增加而缩小的幅度很小。本讲稿第六十七页，共七十六页从元素从元素Ce到元素到元素Lu共共14个元素，原子半径从个元素，原子半径从0.165nm降至降至0.156nm，仅减少，仅减少0.009nm，这就造成了，这就造成了镧系收镧系收缩的特殊性，直接导致缩的特殊性，直接导致了以下两方面的结果：了以下两方面的结果：一是一是由于由于镧系元素镧系元素中各元素的原子半径十分相近使镧系中各元素的原子半径十分相近使镧系元素中各个元素的元素中各个元素的化学性质十分相近。二是化学性质十分相近。二是第第5周期周期各过渡元素与第各过渡元素与第6周期各相应的过渡元素的原子半径几周期各相应的过渡元素的原子半径几乎相等，因而乎相等，因而它们的物理、化学性质也都十分相似，在它们的物理、化