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原子结构及元素周期性第1页，共82页，编辑于2022年，星期五b本章教学基本要求本章教学基本要求b（1）了了解解能能级级、波波粒粒二二象象性性、波波函函数数和和电电子子云云等等概念及概念及s,p,d轨道和电子云的角度分布图；轨道和电子云的角度分布图；b（2）能能较较熟熟练练地地写写出出一一般般元元素素核核外外电电子子排排布布式式及及价价层电子构型；层电子构型；b（3）掌掌握握核核外外电电子子排排布布与与周周期期系系的的关关系系，能能从从原原子子的的电电子层结构了解元素的性质；子层结构了解元素的性质；b（4）联联系系原原子子结结构构，了了解解元元素素某某些些性性质质的的一一般般递递变规律。变规律。第2页，共82页，编辑于2022年，星期五本章主要内容：本章主要内容：b1核外电子的运动状态；核外电子的运动状态；b2核外电子的排布；核外电子的排布；b3核外电子排布与周期系的关系。核外电子排布与周期系的关系。重点：重点：四个量子数及原子轨道角度分布图、多电子四个量子数及原子轨道角度分布图、多电子原子核外电子的排布，原子结构与周期系的关系。原子核外电子的排布，原子结构与周期系的关系。难点：难点：微观粒子运动的特殊性、四个量子数和原子轨微观粒子运动的特殊性、四个量子数和原子轨道。道。第3页，共82页，编辑于2022年，星期五学习物质结构时应注意的地方学习物质结构时应注意的地方b（1）围绕中心进行学习；围绕中心进行学习；b（2）着重掌握结论、规律及其应用；着重掌握结论、规律及其应用；b（3）掌握结构与性质的关系；掌握结构与性质的关系；b（4）注意微观体系有其独特规律性。注意微观体系有其独特规律性。第4页，共82页，编辑于2022年，星期五第一节第一节 氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论一、氢原子光谱一、氢原子光谱 Hydrogenatomspectrum 二、二、玻尔理论玻尔理论BohrtheoryHydrogenatomspectrumandBohrtheory第5页，共82页，编辑于2022年，星期五原子结构的认识历史原子结构的认识历史19世纪：原子不可分割的观念一直被认为是无可非世纪：原子不可分割的观念一直被认为是无可非议的。议的。1897：Thomson发现电子，动摇了原子是构成物质的最小微发现电子，动摇了原子是构成物质的最小微粒的观念。粒的观念。1898：镭原子放射出：镭原子放射出粒子后变成氡原子，彻底否定原粒子后变成氡原子，彻底否定原子不可分割的观念。子不可分割的观念。1911：卢瑟福由卢瑟福由 散射证明原子核的存在，得到原子结散射证明原子核的存在，得到原子结构的行星模型。构的行星模型。第6页，共82页，编辑于2022年，星期五 Rutherford 根据根据 粒子散射实验，创立了关于原粒子散射实验，创立了关于原子结构的子结构的 “太阳太阳-行星模型行星模型”.其要点是：其要点是：1.1.所有原子都有一个核即原子核所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；2.2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3.3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4.4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动电子像行星绕着太阳那样绕核运动.第7页，共82页，编辑于2022年，星期五 根根据据当当时时的的物物理理学学概概念念,带带电电微微粒粒在在力力场场中中运运动动时时总总要要产产生生电电磁磁辐辐射射并并逐逐渐渐失失去去能能量量,运运动动着着的的电电子子轨轨道道会会越越来来越越小小,最最终终将将与与原原子子核核相相撞撞并并导导致致原原子子毁毁灭灭.并并且且发发射的电磁波应是射的电磁波应是连续光谱连续光谱。An unsatisfactory atomic model第8页，共82页，编辑于2022年，星期五一、氢原子光谱b原子结构原子结构电子结构电子结构氢原子氢原子氢原子光谱氢原子光谱b在密闭玻管中装入稀薄在密闭玻管中装入稀薄H2，通高压电流，氢分子解离通高压电流，氢分子解离为氢原子，受激发而发光，再通过三稜镜，就可得为氢原子，受激发而发光，再通过三稜镜，就可得到到4条比较明显的线状光谱（可见光区），这就是氢条比较明显的线状光谱（可见光区），这就是氢原子光谱。原子光谱。b谱线符号谱线符号H H H H b/nm656.3486.1434.1410.2b颜色颜色红红蓝绿蓝绿蓝蓝紫紫第9页，共82页，编辑于2022年，星期五第10页，共82页，编辑于2022年，星期五 氢原子光谱是不连续的氢原子光谱是不连续的线状光谱线状光谱，具有量，具有量子化的特征。子化的特征。从长波到短波，谱线间的距离越来越小，且从长波到短波，谱线间的距离越来越小，且谱线具有确定的位置，具有谱线具有确定的位置，具有明显的规律性明显的规律性。第11页，共82页，编辑于2022年，星期五二、二、玻尔理论玻尔理论 b19131913年年，丹丹麦麦物物理理学学家家BohrBohr从从原原子子光光谱谱是是有有间间隔隔的的线线状状光光谱谱中中得到启示提出了原子的玻尔模型：得到启示提出了原子的玻尔模型：b(1)(1)电电子子只只能能在在符符合合一一定定条条件件的的特特定定的的(有有确确定定的的能能量量和和半半径径)轨轨道道上上运运动动。这这些些轨轨道道的的能能量量状状态态不不随随时时间间而而改改变变，因因而而被被称称为为定定态态轨轨道道。电电子子在在定定态态轨轨道道上上运运动动时时，不吸收也不释放能量。不吸收也不释放能量。轨道半径轨道半径 r =n2ao第12页，共82页，编辑于2022年，星期五b(2)不不同同轨轨道道上上运运动动的的电电子子具具有有不不连连续续的的能能量量值值(量量子子化化的的)，称称为为能能级级(energylevel)。能能量量最最低低的的定态称为基态，其余状态称为激发态。定态称为基态，其余状态称为激发态。(J)n=1,2,正整数正整数(3)(3)光谱的頻率光谱的頻率b离核近能级低的定态离核近能级低的定态离核远能级高的定态离核远能级高的定态b原原子子中中的的电电子子从从一一个个轨轨道道跃跃迁迁到到另另一一个个轨轨道道，要要吸吸收或发射一个光子收或发射一个光子(电磁波电磁波)，其频率为：，其频率为：b=E/h第13页，共82页，编辑于2022年，星期五b=设设H原子中的电子从原子中的电子从n=3的轨道跃迁到的轨道跃迁到n=2轨道，轨道，bn=3E3=-bn=2E2=-bE3-E2=3.03 10-19Jb 32=b b(H(H)第14页，共82页，编辑于2022年，星期五成功：成功：波尔理论用量子化的特性解释经典物理无法解释波尔理论用量子化的特性解释经典物理无法解释的原子的发光现象的原子的发光现象 ，原子的稳定性，氢原子光谱的，原子的稳定性，氢原子光谱的规律性。规律性。缺陷：缺陷：未能完全冲破经典物理的束缚，电子在原子核外未能完全冲破经典物理的束缚，电子在原子核外的运动采取了宏观物体的固定轨道，没有考虑电子本的运动采取了宏观物体的固定轨道，没有考虑电子本身具有微观粒子所特有的性质身具有微观粒子所特有的性质波粒二象性。因波粒二象性。因此，波尔理论无法解释多电子原子的光谱等问题。此，波尔理论无法解释多电子原子的光谱等问题。第15页，共82页，编辑于2022年，星期五第二节第二节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性 wave-particledualism 二、核外电子运动的特殊性二、核外电子运动的特殊性三、测不准原理三、测不准原理 uncertaintyprinciple第16页，共82页，编辑于2022年，星期五 一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性b不不同同条条件件下下分分别别表表现现出出波波动动和和粒粒子子的的性性质质，或或者者说说既既具具有有波波动动性性又又具具有有粒粒子子性性，称称为为波波粒粒二二象象性性，简简称称二二象象性。性。b光光在在空空间间传传播播过过程程中中的的干干涉涉、衍衍射射现现象象突突出出表表现现了了光光的的波动性；波动性；b而光的吸收、发射、光电效应则突出表现了光的粒子性；而光的吸收、发射、光电效应则突出表现了光的粒子性；b波粒二象性是光的属性。波粒二象性是光的属性。第17页，共82页，编辑于2022年，星期五二、二、核外电子运动的特殊性核外电子运动的特殊性 质量极小，速度极大的电子，其运动完全不同于宏观物质量极小，速度极大的电子，其运动完全不同于宏观物体体,不遵守经典力学规律。不遵守经典力学规律。(2)(2)波波-粒二象性粒二象性。德布罗意提出：德布罗意提出：“半径半径”量子化。量子化。即：E=-2.1810-18/n2J即:r=a0n2实物粒子具有波动性。实物粒子具有波动性。(1)(1)量子化特征量子化特征。包括能量量子化；包括能量量子化；他给出了一个德布罗意关系式：他给出了一个德布罗意关系式：这种实物粒子的波称这种实物粒子的波称物质波物质波又称德布罗意波。又称德布罗意波。第18页，共82页，编辑于2022年，星期五例如：一个电子例如：一个电子 m =9.1110=9.1110-28-28g g=10=106 6 m m.s s-1-1按德布罗意关系：按德布罗意关系：电子电子=727pm=727pm此此值与值与x x射线的相同。射线的相同。电子衍射实验电子衍射实验证实了证实了德布罗意德布罗意波的存在波的存在。(3)(3)统计性统计性。电子的波动性是大量。电子的波动性是大量电子电子(或少量电子的大量或少量电子的大量)行为的行为的统计结果。统计结果。所以所以:物质波是概率波物质波是概率波。第19页，共82页，编辑于2022年，星期五电子衍射实验示意图电子衍射实验示意图定向电子射线定向电子射线晶片光栅晶片光栅衍射图象衍射图象第20页，共82页，编辑于2022年，星期五三、测不准原理三、测不准原理xph/4（x确定粒子位置的不准量；确定粒子位置的不准量；p确定粒确定粒子动量的不准值）子动量的不准值）结论：结论：a、粒子位置的测定准确度越大，则相应的、粒子位置的测定准确度越大，则相应的动量的测定正确度越小，反之亦然。动量的测定正确度越小，反之亦然。b、微观粒子运动与宏观物体的运动不同，没有确、微观粒子运动与宏观物体的运动不同，没有确定的一成不变的固定轨道，定的一成不变的固定轨道，只有一定的空间几率分只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系，相联系，轨道一词在微观世界中根本就不存在，轨道一词在微观世界中根本就不存在，波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系。的区域相联系。第21页，共82页，编辑于2022年，星期五第三节第三节 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述一、薛定谔方程一、薛定谔方程 二、四个量子数二、四个量子数三、波函数和电子云的角度分布三、波函数和电子云的角度分布第22页，共82页，编辑于2022年，星期五一、薛定谔方程一、薛定谔方程对于电子波，薛定谔给出一个波动方程对于电子波，薛定谔给出一个波动方程:其中，其中，为波函数为波函数，是空间坐标，是空间坐标x、y、z 的函数。的函数。E 为核为核外电子总能量，外电子总能量，V 为核外电子的势能，为核外电子的势能，h 为普朗克常数，为普朗克常数，m为电子的质量。为电子的质量。m、E、V 体现了微粒性，体现了微粒性，体现了波动性。体现了波动性。氢原子体系的氢原子体系的和与之对应的和与之对应的E E 可以通过解薛定谔方程得到，解可以通过解薛定谔方程得到，解出的每一个合理的出的每一个合理的 和和E E，就代表体系中电子运动的一种状态。，就代表体系中电子运动的一种状态。可见，在量子力学中是用可见，在量子力学中是用波函数来描述微观粒子的运动状态波函数来描述微观粒子的运动状态。第23页，共82页，编辑于2022年，星期五为了解的方便，常把直角坐标为了解的方便，常把直角坐标x、y、z 换成极坐标换成极坐标r、表示，表示，换算关系是：换算关系是：x=r sin cos y=r sin sin z=r cos r2=x2+y2+z2 第24页，共82页，编辑于2022年，星期五为了使求解为了使求解波函数合理波函数合理引入一套参数引入一套参数n、l、m 作为限制条件。作为限制条件。结果如下：结果如下：n的取值为非零正整数，的取值为非零正整数，l 的取值为的取值为0到到(n1)之间的整数之间的整数l n-1 ，而，而m的取值为的取值为0到到l 之间之间的整数的整数|m|l 。由于上述参数的取值是非连续的由于上述参数的取值是非连续的,故被称为故被称为量子数量子数。当。当n、l和和m 的值确定时，波函数的值确定时，波函数(原子轨道原子轨道)便可确定。即：便可确定。即：每一每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态态。由波函数的单值性可知，在一个原子中，电子的某。由波函数的单值性可知，在一个原子中，电子的某种运动状态是唯一的，即种运动状态是唯一的，即不能有两个波函数完全相同的不能有两个波函数完全相同的量子数量子数。第25页，共82页，编辑于2022年，星期五nlmnlm称称原子轨道原子轨道(不是轨迹不是轨迹!)!)。波函数的空间图象可形象地理解为电子运动的空间波函数的空间图象可形象地理解为电子运动的空间范围，俗称范围，俗称“原子轨道原子轨道”。这不是。这不是玻尔轨道玻尔轨道，是指，是指核核外电子出现概率大外电子出现概率大的空间区域。的空间区域。波函数的空间图象是原子轨道，原子轨道的数学表示波函数的空间图象是原子轨道，原子轨道的数学表示式是波函数。式是波函数。波函数波函数与与原子轨道原子轨道通常作同义词混用。通常作同义词混用。第26页，共82页，编辑于2022年，星期五1.主量子数（主量子数（n）描描述述电电子子离离核核的的远远近近，确确定定原原子子的的能能级级或或确确定定轨轨道道能能量量的的高高低低。决决定定轨轨道道或或电电子子云云的的分分布布范范围围。一一般般n 值值越越大大，电电子子离离核核越越远远，能能量量越越高高。主主量量子子数数所所决决定定的电子云密集区或能量状态称为的电子云密集区或能量状态称为电子层（或主层）。电子层（或主层）。n=1,2,3,4,5,6,7,电子层符号电子层符号K，L，M，N，O，P，Q,二、四个二、四个量子数量子数第27页，共82页，编辑于2022年，星期五2.角量子数（副量子数）角量子数（副量子数）(l)同同一一电电子子层层（n）中中因因副副量量子子数数（l）不不同同又又分分成成若若干干电电子子亚亚层层（简简称称亚亚层层，有有时时也也称称能能级级）。l 确确定定同同一一电电子子层层中中不不同同原原子子轨轨道道的的形形状状。在在多多电电子子原原子子中，与中，与n 一起决定轨道的能量。一起决定轨道的能量。l=0,1,2,3,4,n-1亚层符号亚层符号 s s、p p、d d、f f、g g轨道形状：轨道形状：圆圆球球形形哑哑铃铃形形花花瓣瓣形形八八瓣瓣形形第28页，共82页，编辑于2022年，星期五3.磁量子数（磁量子数（m）确定原子轨道在空间的伸展方向确定原子轨道在空间的伸展方向（每一个每一个m值，对应值，对应一个方向）一个方向）。m=0,1,2,3,l可取值可取值(2l+1)个值。个值。spdf轨道空间伸展方向数：轨道空间伸展方向数：1357(m的取值个数的取值个数)n,l 相同，相同，m不同的轨道不同的轨道能量相同能量相同。也即同一亚层中因。也即同一亚层中因m不同所代表的轨道具有相同的能量。通常将能量相同不同所代表的轨道具有相同的能量。通常将能量相同的轨道互称为的轨道互称为等价轨道或简并轨道。等价轨道或简并轨道。第29页，共82页，编辑于2022年，星期五 三个量子数的取值关系：三个量子数的取值关系：l 受受n 的限制的限制n=1l=0n=2l=0,1n=3l=0,1,2 m 的取值受的取值受l 的限制：的限制：如如l=0m=0l=1m=-1,0,+1 l=2m=-2,-1,0,+1,+2三个量子数的一种组合形式决定一个三个量子数的一种组合形式决定一个，而每一个，而每一个又代表一个原子轨道，所以又代表一个原子轨道，所以三个量子数都有确定值时，三个量子数都有确定值时，即确定核外电子的一种电子运动状态。即确定核外电子的一种电子运动状态。第30页，共82页，编辑于2022年，星期五此外，还有此外，还有自旋量子数自旋量子数ms：取值：取值：符号：符号：,表示：表示：顺、逆时针自旋顺、逆时针自旋。用分辨能力很强的光谱仪来观察氢原子光谱，发现用分辨能力很强的光谱仪来观察氢原子光谱，发现一条谱线是由靠得非常近的两条线组成一条谱线是由靠得非常近的两条线组成，19251925年琴伦贝克年琴伦贝克和高斯米特，根据前人的实验提出了电子自旋的概念，用以和高斯米特，根据前人的实验提出了电子自旋的概念，用以描述电子的自旋运动。描述电子的自旋运动。*按四个量子数间的关系，可以确定每一电子层按四个量子数间的关系，可以确定每一电子层中可能存在的电子运动状态数即中可能存在的电子运动状态数即每一电子层中的电子每一电子层中的电子数目（数目（2n2）。第31页，共82页，编辑于2022年，星期五第32页，共82页，编辑于2022年，星期五第33页，共82页，编辑于2022年，星期五第34页，共82页，编辑于2022年，星期五4.电子运动状态的描述电子运动状态的描述*用用原子轨道原子轨道(波函数波函数)表示：表示：(100)=(100)=100100=1s 1s 称称1s1s轨道轨道;(200)=(200)=200200=2s 2s 称称2s2s轨道轨道;(210)=(210)=210210=2p 2p 称称2p2pz z轨道轨道;*用四个量子数描述电子的用四个量子数描述电子的运动状态运动状态,如如:n=2第二电子层。第二电子层。l=12p2p能级，其电子云呈哑铃形。能级，其电子云呈哑铃形。m=02p2pz z 轨道，沿轨道，沿z轴取向。轴取向。ms=+顺时针自旋。顺时针自旋。第35页，共82页，编辑于2022年，星期五若用小黑点的疏密表示若用小黑点的疏密表示的大小，所得到的一黑点图。的大小，所得到的一黑点图。右图为右图为1s1s电子云图。电子云图。电子云电子云是电子在核外空间各处出现是电子在核外空间各处出现几率密度大小的形象化描述几率密度大小的形象化描述。几率。几率密度密度 =|=|2 2，|2 2 的图象称为的图象称为电子云。电子云。第36页，共82页，编辑于2022年，星期五三、三、原子轨道和电子云的图象原子轨道和电子云的图象作为函数式作为函数式可以做图。为做图方便，做如下处理：可以做图。为做图方便，做如下处理：(xyz)(xyz)(r)r)R(r r)Y()对对R做图，称做图，称原子轨道的径向分布图原子轨道的径向分布图；对对Y做图，称做图，称原子轨道的角度分布图原子轨道的角度分布图；对对R2做图，称做图，称电子云的径向分布图电子云的径向分布图；对对Y2做图，称做图，称电子云的角度分布图电子云的角度分布图。径向波函数径向波函数R(r):由由n和和l决定，它描述波函数随电子离核远近决定，它描述波函数随电子离核远近(r)的变化情况；的变化情况；角度波函数角度波函数Y(，):由由l和和m决定，描述波函数随电子在核的决定，描述波函数随电子在核的不同方向的变化情况。不同方向的变化情况。第37页，共82页，编辑于2022年，星期五1.1.原子轨道的角度分布图：原子轨道的角度分布图：Y Y(，)、作图而成。作图而成。例如：例如：ls至至ns 的角度部分函数为：的角度部分函数为：s的角度函数的角度函数与角度无关，与角度无关，是以半径为是以半径为r的球形。的球形。-第38页，共82页，编辑于2022年，星期五第39页，共82页，编辑于2022年，星期五p轨道的角度分布函数与方向有关轨道的角度分布函数与方向有关。如如Y2pz为：为：Y2pz=(3/4)1/2cos第40页，共82页，编辑于2022年，星期五第41页，共82页，编辑于2022年，星期五用用Y2(，)，作图即得到作图即得到电子云的角度分电子云的角度分布图。其图形与布图。其图形与原子轨道角度分原子轨道角度分布图相似。布图相似。2.电子云的角度分布图电子云的角度分布图第42页，共82页，编辑于2022年，星期五注意：这些图象仅是函数的图形，不表示原子轨道或电子云的实际形状。第43页，共82页，编辑于2022年，星期五电子云的角度分布电子云的角度分布电子云的角度分布与电子云的角度分布与原子轨道的角度分布原子轨道的角度分布之间的区别：之间的区别：电子云角度分布立体示意图电子云角度分布立体示意图b形状较瘦形状较瘦b没有正、负号没有正、负号第44页，共82页，编辑于2022年，星期五本节小结：本节小结：1 1）微观粒子与光子一样，具有波、粒二象性。微观粒子与光子一样，具有波、粒二象性。2）电子运动分为轨道运动和自旋运动。电子运动分为轨道运动和自旋运动。3 3）在氢原子薛定谔方程的求解过程中得到三个量在氢原子薛定谔方程的求解过程中得到三个量子数；取值要遵循一定的规则。子数；取值要遵循一定的规则。4 4）三个量子数确定一个原子轨道；四个量数确定原三个量子数确定一个原子轨道；四个量数确定原子轨道中的一个电子。子轨道中的一个电子。5 5）电子在轨道中的运动具有统计规律，可用电子云来电子在轨道中的运动具有统计规律，可用电子云来描述。描述。第45页，共82页，编辑于2022年，星期五第四节第四节 多电子原子结构多电子原子结构一、轨道填充顺序图一、轨道填充顺序图二、核外电子排布的一般规则二、核外电子排布的一般规则三、电子排布式与电子构型三、电子排布式与电子构型四、原子结构与元素周期系的关系四、原子结构与元素周期系的关系第46页，共82页，编辑于2022年，星期五在在已已发发现现的的112种种元元素素中中，除除氢氢以以外外，都都属属于于多多电电子子原原子子。多多电电子子原原子子除除电电子子与与核核的的作作用用势势能能外外，还还存存在在电电子子之之间间的的作作用用势势能能，因因此此使使得得多多电电子子原原子子体体系系的的势势能能部部分分的的表表达达非非常常复复杂杂，现现有有的的数数学学方方法法还还只只能能精精确确求求解解氢氢原原子子和和类类氢氢离离子体系（核外只有一个电子，如子体系（核外只有一个电子，如He+等）的薛定谔方程。等）的薛定谔方程。多电子原子体系可以得到多电子原子体系可以得到薛定谔方程的近似解，过程薛定谔方程的近似解，过程十分复杂，本节只介绍其结果的应用。十分复杂，本节只介绍其结果的应用。第47页，共82页，编辑于2022年，星期五 氢原子轨道的能量仅氢原子轨道的能量仅决定于主量子数决定于主量子数n，各轨道，各轨道能量关系为能量关系为:E1SE2S=E2PE3S=E3P=E3d在多电子原子中，轨道能量不仅与主量子数在多电子原子中，轨道能量不仅与主量子数n有关，还与有关，还与角量子数角量子数l有关有关。一、多电子原子轨道的能级一、多电子原子轨道的能级 光谱实验结果归纳出的多电子原子轨道能级高低光谱实验结果归纳出的多电子原子轨道能级高低规律如下规律如下:b 角量子数角量子数 l 相同时，随着主量子数相同时，随着主量子数 n 值的增大，值的增大，轨道能量升高轨道能量升高。第48页，共82页，编辑于2022年，星期五l=0时，时，E1SE2SE3S等。等。l=1时，时，E2PE3PE4P,b主量子数主量子数n相同时，随着角量子数相同时，随着角量子数l 值的增大，值的增大，轨道能量也升高轨道能量也升高。b例如，例如，n=2，E2SE2P；n=3，E3SE3PE3d一般形式：一般形式：EnsEnpEndEnf。b当主量子数和角量子数都不同时，有时出现能级当主量子数和角量子数都不同时，有时出现能级交错现象交错现象。例如，在某些元素中。例如，在某些元素中E4sE3d，E5sE4d等。等。第49页，共82页，编辑于2022年，星期五b(1)(1)原子轨道的能级原子轨道的能级 多电子原子中各轨道能多电子原子中各轨道能量的高低除与量的高低除与 n 和和 l 值有关值有关外，还与电子之间的相互作外，还与电子之间的相互作用能有关，鲍林用能有关，鲍林(L(LPauling)Pauling)根据他对原子结构根据他对原子结构的研究结果，提出了的研究结果，提出了多电子多电子原子轨道的能级高低顺序原子轨道的能级高低顺序为：为：1s；2s，2p；3s，3p；4s，3d，4p；5s，4d，5p；6s，4f，5d，6p；7s，5f,。第50页，共82页，编辑于2022年，星期五 用用(n+0.7l)值衡量轨道能值衡量轨道能量的高低。量的高低。徐光宪规则徐光宪规则如：如：6s（n+0.7l）6.0 4f 6.1 5d 6.4 6p 6.7 (n+0.7l)值首位数相同的能级为同一能级组值首位数相同的能级为同一能级组,是是划分周期的依据划分周期的依据。第51页，共82页，编辑于2022年，星期五二、核外电子排布的一般规则二、核外电子排布的一般规则核外电子排布的三个原理核外电子排布的三个原理根据光谱数据，多电子原子中电子的排布遵循三个根据光谱数据，多电子原子中电子的排布遵循三个原理：最低能量原理、泡利原理：最低能量原理、泡利(Pauli)不相容原理、洪特不相容原理、洪特(Hund)规则。规则。b能量最低原理能量最低原理 核外电子排布将尽可能核外电子排布将尽可能优先占据能级较低的轨道优先占据能级较低的轨道，使系统能量处于最低。使系统能量处于最低。第52页，共82页，编辑于2022年，星期五b泡利不相容原理泡利不相容原理在同一原子中不可能有四个量子数完全在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子。相同的两个电子。由泡利原理可知，在每一个原子轨道（由泡利原理可知，在每一个原子轨道（n，l，m相同的轨道）中最多允许容纳两个自相同的轨道）中最多允许容纳两个自旋反平行的电子。旋反平行的电子。第53页，共82页，编辑于2022年，星期五b洪特（洪特（Hund）规则）规则当电子在当电子在n,l相同的数个等价轨道上排布时，每个电子尽相同的数个等价轨道上排布时，每个电子尽可能占据磁量子数不同的轨道且自旋平行。可能占据磁量子数不同的轨道且自旋平行。？碳原子碳原子(1s22s22p2)的两个的两个p电子电子2p轨道上排布轨道上排布 I II III共有以下三种排列方法：共有以下三种排列方法：两个电子在两个电子在p轨道上的排布轨道上的排布此外，电子处于此外，电子处于全满全满(s2,p6,d10,f14)、半满半满(s1,p3,d5,f7)、全全空空(s0,p0,d0,f0)时系统较稳定。时系统较稳定。第54页，共82页，编辑于2022年，星期五三、核外电子排布式和外层电子构型三、核外电子排布式和外层电子构型(1)(1)电子排布式电子排布式 多电子原子多电子原子核外电子排布的表达式核外电子排布的表达式叫电子排布式。叫电子排布式。例如例如钛钛(Ti)原子有原子有22个电子，按上述三个原理和个电子，按上述三个原理和近似能级顺序，电子的排布情况应为近似能级顺序，电子的排布情况应为:22Ti1s22s22p63s23p64s23d2但但在在书书写写电电子子排排布布式式时时,要要将将3d轨轨道道放放在在4s前前面面，即即钛钛原原子子的的电电子排布式正确的写法为子排布式正确的写法为:22Ti1s22s22p63s23p63d24s2第55页，共82页，编辑于2022年，星期五原子实：原子实：内层已达稀有气体的电子层结构写成内层已达稀有气体的电子层结构写成“原子原子实实”原子实是除去最高能级组以外的原子实体。原子实是除去最高能级组以外的原子实体。22Ti的电子分布可以简写成的电子分布可以简写成:Ar3d24s2(2)外层电子构型外层电子构型 化学反应只涉及外层电子的得失，只需写出外层化学反应只涉及外层电子的得失，只需写出外层电子排布式即可。电子排布式即可。外层电子排布式外层电子排布式又称为价电子构型。又称为价电子构型。第56页，共82页，编辑于2022年，星期五主族元素主族元素价电子构型为价电子构型为ns电子电子+np电子电子，例如，例如17Cl的价电子构型：的价电子构型：3s23p5；34Se的价电子构型：的价电子构型：4s24p4。b副族元素副族元素价电子构型为价电子构型为ns电子电子+(n-1)d电子电子Ti的价电子构型：的价电子构型：3d24s2；Mn的价电子构型：的价电子构型：3d54s2；Cu的价电子构型：的价电子构型：3d104s1。b 镧系和锕系元素镧系和锕系元素 价电子构型价电子构型 b ns ns电子电子+(n-2)f+(n-2)f电子电子。第57页，共82页，编辑于2022年，星期五(3)离子的外层电子排布式离子的外层电子排布式原子失去电子而成为正离子时，首先原子失去电子而成为正离子时，首先失去最外层的电失去最外层的电子子，其先后顺序一般为，其先后顺序一般为np，ns，(n-1)d，(n-2)f，例如例如:Mn2+的外层电子构型是的外层电子构型是3d54s0Ti4+的外层电子构型是的外层电子构型是3s23p6原子成为负离子时，原子所得的电子总是原子成为负离子时，原子所得的电子总是排布在它的排布在它的最外电子层最外电子层上。例如，上。例如，C1-的外层电子排布式是的外层电子排布式是3s23p6第58页，共82页，编辑于2022年，星期五写出所给元素的电子排布写出所给元素的电子排布(按能级按能级)状况：状况：2222TiTi1s1s2s2s2p2p3s3s3p3p4s4s3d3d2626FeFe1s1s2 2 2s2s2 2 2p2p6 6 3s 3s2 2 3p 3p6 6 4s4s2 25050SnSn1s1s2 2 2s2s2 2 2p2p6 6 3s 3s2 2 3p 3p6 6 4s4s2 23d3d10104p4p6 65s5s2 24d4d10105p5p2 22 22 26 62 26 63d3d2 22 23d3d6 6课堂练习：课堂练习：第59页，共82页，编辑于2022年，星期五Q：为什么最外电子层的电子数不能超过为什么最外电子层的电子数不能超过8 8个个,次外电子次外电子层的电子数不能超过层的电子数不能超过1818个个?A：在在最外电子层最外电子层(n),8个电子是个电子是:ns2np6若有第若有第9个电子应个电子应是是nd1。由于。由于能级交错能级交错，nd能级高于能级高于(n+1)s能级能级。所以。所以此电子必定填为此电子必定填为(n+1)s1。此时。此时n层已不是最外电子层了。层已不是最外电子层了。同理，同理，次外电子层次外电子层(n-1)的第的第19个电子是这样填入的个电子是这样填入的:(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10(n-1)f1但是但是(n-1)f能级高于能级高于(n+1)s能级能级，此电子必定是，此电子必定是(n+1)s1。此时此时n-1已不是次外层而是外数第三层了。已不是次外层而是外数第三层了。第60页，共82页，编辑于2022年，星期五思考思考1 1：以下排列以下排列spsdpsfdp是否具有周期性？是否具有周期性？答：答：若按以下方式排列若按以下方式排列spsdpsfdp思考思考2 2：元素性质为何呈现周期性？元素性质为何呈现周期性？答：答：元素性质取决于原子的外层电子构型。由于原子的元素性质取决于原子的外层电子构型。由于原子的外层电子构型具有周期性，因此元素性质也具有周期性。外层电子构型具有周期性，因此元素性质也具有周期性。三原子结构的周期性规律三原子结构的周期性规律第61页，共82页，编辑于2022年，星期五 1 1原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律 (1)(1)元素的分区元素的分区 根据原子的价电子构型，将周期根据原子的价电子构型，将周期系分成系分成5 5个区，即个区，即s s 区区、p p 区区、d d 区区、ds ds 区区和和f f 区区。s s 区区 nsns1 1 nsns2 2 p p 区区 nsns2 2npnp1 1 nsns2 2npnp6 6 d d 区区 (n-1)d(n-1)d1 1nsns2 2(n-1)d(n-1)d8 8nsns2 2 ds ds 区区 (n-1)d(n-1)d1010nsns1 1(n-1)d(n-1)d1010nsns2 2 f f 区区 (n-2)f(n-2)f1 1nsns2 2 (n-2)f(n-2)f1414nsns2 2第62页，共82页，编辑于2022年，星期五(2)(2)元素在周期表中的位置与结构的关系元素在周期表中的位置与结构的关系 周期号数原子的电子层数。周期号数原子的电子层数。主族元素主族元素:族号数最外层电子数。族号数最外层电子数。副族元素：副族元素：BBB B 族号数最外层电子数族号数最外层电子数；BBB B 族序数最外层电子数族序数最外层电子数+次外层次外层d d电数电数 ns ns电子电子+(n-1)d+(n-1)d电子数电子数8 81010 零族零族 最外层电子数为最外层电子数为8(8(或或2)2)同同族族元元素素具具有有相相同同的的价价电电子子构构型型，因因而而具具有有相相似似的的化化学性质学性质。第63页，共82页，编辑于2022年，星期五2.2.元素的氧化值元素的氧化值 同周期的主族元素同周期的主族元素 最高氧化值族序数最高氧化值族序数d d 区元素区元素 最高氧化值最高氧化值nsns电子电子+(n-1)d+(n-1)d电子电子(不超过不超过8)8)。例如，第例如，第BB至第至第BB族元素族元素(与主族相似与主族相似)最高氧化值最高氧化值 =族序数族序数dsds区区 BB族族 CuCu、AgAg、AuAu最高氧化值分别为最高氧化值分别为+2.+1,+3+2.+1,+3。除钌除钌(Ru)(Ru)和锇和锇(Os)(Os)外，第外，第族中其他元素未发现族中其他元素未发现有氧化值为有氧化值为+8+8的化合物。的化合物。第64页，共82页，编辑于2022年，星期五注意：注意：副族元素大都具有可变的氧化值。下表中列出了第副族元素大都具有可变的氧化值。下表中列出了第4 4周期副族元素的主要氧化值。周期副族元素的主要氧化值。IA元素的氧化值+1IIA变价元素中，下划线的较稳定IIIA IVA VA VIA VIIA+2+3-4+4-3+1+3+5-2+4+6-1+1+5+7IIIB IVB VB VIB VIIBVIIIIB IIB+3+2+4+3+5+3+6+2+7+2+3+8+1+2+3+2+3+1+4+2+5+3+6+4第65页，共82页，编辑于2022年，星期五 在多电子原子中，电子不仅受原子核的吸引，而在多电子原子中，电子不仅受原子核的吸引，而且它们彼此之间也存在着相互排斥作用。且它们彼此之间也存在着相互排斥作用。屏蔽效应屏蔽效应 其它电子对某一选定电子的排斥作用实际上就是削弱了原其它电子对某一选定电子的排斥作用实际上就是削弱了原子核对该电子的吸引作用，因此原子核作用于该电子的正电子核对该电子的吸引作用，因此原子核作用于该电子的正电荷降低了，不再是荷降低了，不再是Z Z，而是变成了，而是变成了Z Z*，其中，其中Z Z*=Z=Z，我们，我们把把Z Z*称之为有效核电荷，称之为有效核电荷，叫做屏蔽常数，上述作用称之叫做屏蔽常数，上述作用称之为屏蔽效应。为屏蔽效应。四原子性质的周期性规律四原子性质的周期性规律1.1.有效核电荷有效核电荷第66页，共82页，编辑于2022年，星期五对主族元素：对主族元素：同一周期，从左到右同一周期，从左到右Z Z*明显增加；明显增加；同一主族，从上到下同一主族，从上到下Z Z*增加不明显。增加不明显。对副族元素：对副族元素：过渡元素，从左到右过渡元素，从左到右Z Z*增加不明显；增