无机化学原子结构和元素周期律习题课.pptx

1本章内容小结书后习题习题册习题课外习题第1页/共83页2本章内容小结一、氢原子光谱与Bohr理论二、微观粒子的波粒二象性三、Schrdinger 方程四、概率密度和电子云五、原子核外的电子排布六、元素周期律和元素性质的周期性第2页/共83页3一、氢原子光谱与Bohr理论v氢原子光谱特征：不连续的，线状的；有规律的1.Rydberg公式：当 n1=2,n2=3,4,5,6 时，计算所得频率即为氢原子光谱中可见光区的四条谱线频率。第3页/共83页4vBohr理论主要假设：(a)核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐射能量；(b)通常保持能量最低基态；(c)获能量激发激发态；(d)从激发态回到基态释放光能。第4页/共83页5玻尔理论的成功之处：满意地解释了实验观察的氢原子光谱和类氢原子（He+,Li2+,B3+）光谱；说明原子的稳定性；计算氢原子的电离能：电子由n=1n=，即电子脱离原子核的引力第5页/共83页6玻尔理论的局限性：不能解释精细结构（每条谱线是由二条紧邻的谱不能解释精细结构（每条谱线是由二条紧邻的谱线组成）；线组成）；不能解释原子光谱在磁场中的分裂；不能解释原子光谱在磁场中的分裂；不能解释多电子原子的光谱。不能解释多电子原子的光谱。第6页/共83页7二、微观粒子的波粒二象性vde.Broglie 提出微观粒子具有波粒二象性 德布罗意关系式：通过电子衍射实验(Davisson 和 Germer)证实第7页/共83页8v海森伯格不确定原理（测不准原理）：不可能同时测得微观粒子的精确位置和动量(由于其具有波粒二象性)。x p h/2 或 x v h/2 m v物质波是统计波（微观粒子运动的统计规律）第8页/共83页9三、Schrdinger 方程v核外电子运动的状态服从Schrdinger 方程解此方程可得：微观粒子的能量E；波函数。为描述特定微粒运动状态的波函数，即电子在核外空间运动状态的数学表达式，是空间坐标的函数，也叫原子轨道。第9页/共83页10也可将Schrodinger 方程变为球极坐标，采用变量分离，写成注意：1）解氢原子的Schrdinger 方程只能得n,l,m，以后从实验中引入了第四个表征电子自旋的量子数ms；2）Schrdinger 方程只能得出单电子原子系统的精确解波函数。第10页/共83页112.四个量子数量子数量子数可取值可取值意义意义主量子数主量子数n1,2,3 n正整正整数数(1)确定电子的能量；确定电子的能量；(2)确定电子出现几率最大确定电子出现几率最大处离核的距离。处离核的距离。角量子数角量子数l0,1,2,(n 1)(1)确定原子轨道的形状；确定原子轨道的形状；(2)与与n一起确定多电子原子一起确定多电子原子的轨道能量。的轨道能量。磁量子数磁量子数m0,1,2,l确定原子轨道在空间的取向。确定原子轨道在空间的取向。自旋量子数自旋量子数ms 1/2描述电子绕自轴旋转的状态。描述电子绕自轴旋转的状态。四个量子数的取值和意义第11页/共83页12四、概率密度和电子云 原子轨道(描述核外电子的运动状态)；|2 概率密度(电子在原子空间某点附近单位体积内出现的概率)；电子云|2 的图象(电子概率密度的形象化描述)。第12页/共83页13电子云的形状 s 电子云是球形对称的。p 电子云是哑铃形，沿着某一个轴的方向上概率密度最大，电子云主要集中在这个方向上。在另两个轴上电子云出现的概率很小，几乎为零，在核附近也几乎是零。py 和pz 与px 相似，只是方向不同。d 电子云是花瓣形。f 电子云的形状更复杂。第13页/共83页14五、原子核外的电子排布1.屏蔽效应1)定义：在多电子体系中，由于某电子受其它电子的排斥作用，导致有效核电荷降低，从而削弱了核电荷对该电子的吸引。这种作用称为屏蔽效应。2)结果：在多电子体系中，n 相同而 l 不同的轨道，发生能级分裂，即：En s En p En d np nd nf。钻穿效应的存在，不仅直接说明了能级分裂的原因，而且还可以解释所谓能级交错现象：第16页/共83页17电子钻穿作用越大，它受到其它电子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力就越强，因而能量就越低。所以,n相同l不同的各亚层轨道的能量顺序为 En s En p En d En f。当n、l均不同时，出现能级交错现象，即E4 s 1,各轨道能量,随Z的升高而下降.vn相同,l 不同的轨道,能量下降幅度不同,产生能级分裂.(l大的,受屏蔽大,下降幅度小):Ens Enp End E3d，说明Cu原子失去4s轨道中的电子。思考：既然Cu原子有E4s E3d(Z 21的元素均如此)，为何在电子填充时仍然先填4s轨道，后填3d轨道？解答：这这尚尚是是一一个个有有争争议议的的问问题题,即即使使采采用用薛薛定定谔谔方方程程计计算算,对对于于多多电电子子体体系系,也也是是一一个个难难于于解解决决的的问问题题。关关于于3d 和和4s 轨轨道道能能量量的的高高低低,采采用用的的近近似似方方法法不不同同,处处理理问问题题的的角角度度不不同同,得得到到的的结论也不同。结论也不同。第32页/共83页33 关关于于Z 21元元素素原原子子的的最最后后几几个个电电子子的的填填充充,由由体体系系的的总总能能量量的的降降低低程程度度决决定定,而而且且,原原子子的的总总能能量量不不仅仅仅仅取取决决于于某某个个原原子子轨轨道道的的能能量量,尚尚有有其其它它能能量量形形式式存存在在.先先填填充充哪个轨道也取决于是否使体系更加稳定哪个轨道也取决于是否使体系更加稳定.普遍认为普遍认为:先先在在4s上上填填充充电电子子,比比先先填填入入3d稳稳定定,因因为为4s的的钻钻穿穿能能力力比比3d大大,使使电电子子更更加加靠靠近近核核,整整个个体体系系能能量量降降低低幅幅度度大大，即即电电子子填填充充在在4s轨轨道道比比3d轨轨道道可可使使体体系系获获得得较较低低的的总总能量能量。第33页/共83页34P154 6-9 解：24 铬 Cr(chromium)Ar3d54s141 铌 Nb(niobium)Kr4d45s178 铂 Pt(platinum)Xe4f145d96s1价电子(valence electron)：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。主族元素的价电子就是主族元素原子的最外层电子，如Na的价电子构型为3s1；副族元素原子的价电子，除最外层电子外，还可包括次外层电子及倒数第三层电子。第34页/共83页35d区元素的价电子构型为(n-1)d1 10ns0 2；ds区元素的价电子构型为(n-1)d10ns1 2;*f区元素的价电子还包括倒数第三层的4f电子，f区元素的价电子构型为 (n-2)f0 14(n-1)d0 2ns2。*有些教材认为(n-1)d亚层全充满，可视为内层电子，即ds区价电子为ns1 2.第35页/共83页36P154 6-9 解：各价电子各价电子nlmms3d532+2+1/232+1+1/2320+1/232 1+1/232 2+1/24s1400+1/224Cr 价电子构型：3d54s1第36页/共83页3741Nb 价电子构型：4d45s1P145 6-14 解：各价电子各价电子nlmms4d442+2+1/242+1+1/2420+1/242 1+1/25s1500+1/2第37页/共83页3878Pt 价电子构型：5d96s1P145 6-14 解：各价电子各价电子nlmms5d952+2 1/252+1 1/2520 1/252 1 1/252 2+1/26s1600+1/2第38页/共83页39P154 6-10 解：vM原子的核外电子排布：Ar3d54s2;vM是25号元素，元素名称为锰，元素符号为Mn；vM元素在第四周期，VIIB族，d区。第39页/共83页40P154 6-12 解：元素元素电子排布式电子排布式原子序数原子序数 元素名称元素名称第第4个稀有气体个稀有气体Ar3d104s24p636氪氪 Kr第四周期的第六个过第四周期的第六个过渡元素渡元素Ar3d64s226铁铁 Fe4p轨道半充满的元素轨道半充满的元素Ar3d104s24p333砷砷 As电负性最大的元素电负性最大的元素He2s22p59氟氟 F4f轨道填充轨道填充4 e的元素的元素Xe4f46s260钕钕 Nd第一个第一个4d轨道全充满轨道全充满的元素的元素Kr4d1046钯钯 Pd第40页/共83页41P154 6-13 解：(1)钙 Ca，Ar4s2；(2)铝 Al,Ne3s23p1；(3)铜 Cu,Ar3d104s1；(4)溴 Br,Ar3d104s24P5.P155 6-15 解：分析：该元素在Kr之前，l=2时为d轨道，失去3e 后d电子为半充满(即3d5)，则该元素的价层电子构型为3d64s2，可知为26号元素Fe，其基态原子的电子构型为Ar3d64s2第41页/共83页42P155 6-16 解：(1)第二周期共有6种元素，因为：n=2，l可以取0，1两个值；l=0,m只可以取0，只有1个2s轨道；l=1,m只可以取0,+1，有2个2p轨道；所以第二周期对应的第二能级组，有2个能级，即2s和2p，共有3个轨道，可容纳6个电子，故有6种元素。第42页/共83页43n=4，l可以取0，1，2，3 四个值；l=0,m只可以取0，只有1个4s轨道；l=1,m只可以取0,+1，有2个4p轨道；l=2,m只可以取0,+1，+2，有3个4d轨道；l=3,m只可以取0,+1，+2，+3，有4个4f轨道；考虑到能级交错，所以第四周期对应的第四能级组，有3个能级，即4s、4p和3d，共有6个轨道，可容纳12个电子，故第四周期有12种元素。(2)P区元素共有4列。第43页/共83页44(3)位于第三周期、最右一列的元素的原子序数为14，原因见下表：周期周期能级数能级数轨道数轨道数可容纳可容纳电子数电子数元素元素数量数量一一1(1s)122二二2(2s,2p)366三三2(3s,3p)366前三个周期共有14种元素，故。注：此答案考虑了能级交错，即 E3d E4s。第44页/共83页45(4)位于第三周期第1列。(5)根据新周期表，原子序数最小的有d电子的元素应是17号元素，其电子结构式为1s22s22p43s23p43d14s2。它在原周期表中应位于第三周期 VIIA族，p区。P155 6-16 解：第45页/共83页46若不考虑能级交错，则(1，3)位于第三周期、最右一列的元素的原子序数为20，原因见下表：P155 6-16 解法二：周期周期能级数能级数轨道数轨道数可容纳电可容纳电子数子数元素元素数量数量一一1(1s)122二二2(2s,2p)366三三3(3s,3p,3d)61212四四4(4s,4p,4d,4f)102020第46页/共83页47P155 6-16 解法二：(5)根据新周期表，原子序数最小的有d电子的元素应是15号元素，其电子结构式为1s22s22p43s23p43d1。它在原周期表中应位于第三周期 VA族，p区。第47页/共83页48配套习题册习题P66 5.21 第二电离能最大的元素所具有的电子结构是 (A)1s2;(B)1s22s1;(C)1s22s2;(D)1s22s22p1。解题分析：解题分析：v元素的一个基态气体原子失去一个电子变成元素的一个基态气体原子失去一个电子变成气态正离子所需的能量，即为该元素的气态正离子所需的能量，即为该元素的第一第一电离能电离能 (I I1 1)。从正一价离子再失去一个电子从正一价离子再失去一个电子形成正二价离子时，所需要的能量叫做形成正二价离子时，所需要的能量叫做第二第二电离能电离能(I I2 2)。第48页/共83页49当当原原子子失失去去一一个个电电子子形形成成正正离离子子后后，有有效效核核电电荷荷数数增增加加，半半径径减减小小，故故核核对对电电子子引引力力大大，因因而而再再继继续续电电离离出出电电子子，则则要要比比中中性性原原子子失失去去一一个个电电子子难难得得多多，而而且且电电荷荷越越高越困难高越困难。同一元素各级电离能的大小有如下规律同一元素各级电离能的大小有如下规律 I1 I2 I3 I2(He)。所以，(B)Li(1s22s1)的I2最大。元素元素HeLiBeBI2(kJmol-1)525072981757 2427See:Book P150.5.21 解：第51页/共83页52配套习题册习题P66 5.22 下列元素基态原子的第三电离能最大的是 (A)C;(B)B;(C)Be;(D)Li。解：解：题设中四种元素的电子结构分别为 (A)C,1s22s22p2;(B)B,1s22s22p1;(C)Be,1s22s2;(D)Li,1s22s1。当四种元素的原子分别失去2e形成正二价离子后，其电子结构分别为：第52页/共83页53 根据核对电子的引力大小可判断出，C2+和 B2+继续失去第三个电子(2s)稍容易些，而Be2+和 Li2+则较难失去第三个电子(1s)；另外，Be2+和 Li2+相比，前者最外层为全充满结构，后者最外层为半充满结构，所以，Be2+比 Li2+更难失去第三个电子，即 I3(Be)I3(Li)。所以，(C)Be(1s22s2)的I3最大。(A)C2+,1s22s2;(B)B2+,1s22s1;(C)Be2+,1s2;(D)Li2+,1s1。P66 5.22 解：第53页/共83页54元元 素素CBBeLiI3(eV)47.937.9153.9122.5I3(kJmol-1)462236601484911815P66 5.22 解：第54页/共83页55P68 5.53 A、B、C三种元素的原子最后一个电子填充在相同的能级组轨道上，B的电荷数比A大9个单位，C的质子数比B多7个；1 mol的A单质同酸反应置换出1g H2，同时转化为具有氩原子电子层结构的离子。判断A、B、C各为何种元素，A、B同C反应时生成的化合物的化学式。解：A：K B：Ni C：Br K+Br2=KBr Ni+Br2=NiBr2(加热条件下)第55页/共83页56具体推导：(1)核电荷数：B=A+9,C=B+7;(2)1 mol的A单质同酸反应置换出1g H2(0.5 mol)，则该反应中1 mol的A单质 转移了1 mol电子,即反应后A变成A+;(3)A+=Ar，所以A电子结构式为Ar4s1，A为19号元素K；(3)B 为28号元素Ni，C为35号元素Br。第56页/共83页571.计算激发态氢原子的电子从第三能级层跃迁至第二能级层时所发射的辐射能的频率、波长及能量各是多少？解：根据里德堡公式，得所发射的辐射能频率为课外习题第57页/共83页58波长为所发射的能量为 本题为配套习题册P54 例。第58页/共83页592.设子弹的质量为0.01 kg，速度为1.0 103 ms-1,试通过计算说明宏观物体主要表现为粒子性，其运动规律服从经典力学规律（设子弹速度的不确定程度为10-3 ms-1）。解：根据德布罗意关系式，得子弹运动的波长为第59页/共83页60 已知 射线是最短的电磁波，其波长 =1 10-5 nm；可见子弹的波长太短，根本无法测量，可忽略。所以子弹等宏观物体主要表现为粒子性。根据海森堡不确定关系式，子弹位置的不确定量为可见子弹位置的不确定程度很小，可忽略，这说明子弹有确定的轨道。本题为配套习题册P54 例。第60页/共83页613.3.下列哪一组量子数是不合理的？(1)n=2，l=2，m=0；(2)n=2，l=1，m=1；(3)n=3，l=0，m=3；(4)n=2，l=3，m=0；(5)n=3，l=2，m=2。解：不合理的有:(1)l 的取值不能等于n 值；(3)m 的取值只能在-l 至+l 之间；(4)l 的取值不能大于或等于n。第61页/共83页624.写出下列微粒的电子结构式.(1)Zn (2)Mn (3)As (4)Rb (5)F(6)Cr (7)Cu (8)Fe2+(9)V2+(10)La3+第62页/共83页63原子原子或离子或离子电子结构式电子结构式原子原子或离子或离子电子结构式电子结构式ZnAr3d104s2CrAr3d54s1MnAr3d54s2CuAr3d104s1AsAr3d104s23p3Fe2+Ar3d64s0RbKr5s1V2+Ar3d34s0FHe2s22p5La3+Xe5d06s04.解：第63页/共83页645.完成下列表格：价层电子构型价层电子构型 元素所在周期元素所在周期 元素所在族元素所在族2s22p43d104s24p34f145d16s23d74s2第64页/共83页65Tips:(1)周期数 最高主量子数n；(2)主族元素 族数最外层电子数(ns+np),最外层电子数(ns+np)=8，零族(VIIIA)；(3)副族元素 族数(n-1)d+ns电子数之和(=17)；(4)(n-1)d+ns电子数=8 10，VIII族。族。第65页/共83页665.解答：价层电子构型价层电子构型元素所在周期元素所在周期元素所在族元素所在族2s22p4第二周期第二周期VIA3d104s24p3第四周期第四周期VA4f145d16s2第六周期第六周期IIIB3d74s2第四周期第四周期VIII第66页/共83页676.按照能量从低到高的顺序排列：(1)n=4，l=0；(2)n=3，l=2；(3)n=3，l=0；(4)n=3，l=1.第67页/共83页68Tips:(1)单电子体系，轨道(或轨道上的电子)的能量，只由主量子数 n 决定：n 相同，能量相同；n 越大，能量越高。(2)多电子体系，由于屏蔽效应和钻穿效应，导致能级分裂和能级交错，因此：n 越大，能量越高；n 相同，l越大，能量越高，即Ens Enp End Enf；E4s E3d。第68页/共83页696.解：(1)n=4，l=0 4s(2)n=3，l=2 3d(3)n=3，l=0 3s(4)n=3，l=1 3p所以，能量从低到高的顺序为：(3)(4)(1)(2)。第69页/共83页707.选出正确的磷原子基态的电子构型图，并对错误的进行更正。第70页/共83页717.解：(1)错误。3s 电子自旋相同(2)正确。第71页/共83页72(3)错误。每个3p 轨道应该各填充一个未成对电子。3s 3p(4)错误。3p 轨道中填充的未成对电子自旋方向应该相同第72页/共83页738.按照半径大小将下列等电子离子排序，并说明理由。Na+，F-，Al3+，Mg2+，O2-解：Al3+Mg2+Na+F-Sr 同族元素，Ba比Sr多一个电子层；(2)Ca Sc 同周期元素，Sc核电荷多；(3)Cu Ni 同周期元素，Cu次外层为18电子，屏蔽作用大，有效核电荷小，外层电子受引力小；(4)Zr Hf 镧系收缩的结果；第75页/共83页76(5)S2-S 同一元素，电子数越多，半径越大；(6)Na+Al3+同周期元素，Al3+正电荷高；(7)Pb2+Sn2+同族元素的离子，正电荷数相同，但 Pb2+比 Sn2+多一个电子层；(8)Fe2+Fe3+同一元素离子，电子越少，正电荷越高则半径越小。本题为配套习题册。第76页/共83页7710.比较下列各对原子中哪种原子的第一电离能较高：硫与磷、铝与镁、锶与铷、铜与锌、解：一一般般来来说说，同同周周期期中中，自自左左而而右右核核电电荷荷增增加加，半半径径减减小小(半半径径总总的的趋趋势势是是减减小小，相相邻邻两两个个元元素素则则不不尽尽然然)。电电离离能能总总的的变变化化趋趋势势是是自自左左至至右右变变大大，但但由由于于电电子子构构型型(如如轨轨道道全全空空、半半满满、全全满满等等)对对电电离离能能影影响响较较大大，就就造造成成电电离离能能自自左左而而右右变变大大过过程程的的跳跳动动。如下所述：如下所述：第77页/共83页78JI(P)I(S)因P的p轨道为半满，而S的p轨道为半满多一个电子，故较易失去，电离能小。JI(Mg)I(Al)因Mg的s电子成对，而Al的p电子为1个，较易失去，电离能小。JI(Sr)I(Rb)因Sr的核电荷较Rb多1，半径较小，且s电子成对。JI(Zn)I(Cu)因Zn的核电荷多1，且s电子成对，d轨道全满，而Cu只是d轨道全满，s电子不成对，易失去。第78页/共83页7911.Na+和 Ne 具 有 相 同 的 电 子 构 型:1s22s22p6，气态Ne 原子失去一个电子时I1 的值是2081 kJmol-1，而气态Na+失去第二个电子时I2 的值是4562 kJmol-1。试用所学理论进行解释。解：对对于于氖氖原原子子来来讲讲，是是基基态态气气体体原原子子失失去去最最外外层层的的一一个个电电子子成成为为正正一一价价离离子子所所需需的的最最小小能能量量，即即第第一一电电离离能能。而而正正一一价价钠钠离离子子由由于于已已失失去去一一个个电电子子，有有效效核核电电荷荷增增加加，半半径径减减小小，故故核核对对电电子子引引力力大大，因因而而再再继继续续电电离离出出电电子子，即即第第二二电电离离能能，则则要要比比中中性性原子失去一个电子难得多，而且电荷越高越困难原子失去一个电子难得多，而且电荷越高越困难。第79页/共83页8012.第五副族元素Nb 和Ta 具有相近的金属半径，为什么？解：同族元素的原子半径自上而下是增大的，但是由于镧系元素原子半径自左至右缓慢减小的镧系收缩效应，导致了第三过渡系和第二过渡系同族原子半径极为相近。此外，镧系收缩效应还导致Zr和Hf，Mo和W等原子半径相近，性质相似。第80页/共83页8113.某过渡元素在氪之前，此元素原子失去1 1个电子后的离子在角量子数为2的轨道中电子恰巧为全充满，试推断该元素名称，并写出其电子结构式。解：氪为第四周期最后一个元素，该过渡元素在氪之前，则其必定位于第四周期；l=2时为d轨道，失去1e 后d电子为全充满(即3d10)，则该过渡元素的价层电子构型为3d104s1，可知为29号元素Cu，其电子结构式为Ar3d104s1。第81页/共83页82第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页