第八章原子结构和元素周期律优秀PPT.ppt

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1、第八章原子结构和元素周期律第一页，本课件共有73页原子结构模型的演变第二页，本课件共有73页第一节第一节 氢原子光谱和玻尔理论氢原子光谱和玻尔理论n一、氢原子光谱一、氢原子光谱连续光谱（实验室）第三页，本课件共有73页连续光谱（自然界）第四页，本课件共有73页电磁波连续光谱第五页，本课件共有73页氢原子光谱（原子发射光谱）氢原子光谱（原子发射光谱）发出紫外光和可见光发出紫外光和可见光 三棱镜三棱镜 不连续的线状光谱不连续的线状光谱第六页，本课件共有73页n太阳光或白炽灯发出的白光，通过分光三棱镜时，不同波长的光由于折射率不同，形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界的连续分布的彩色带状光谱

2、，这类光谱称为连续光谱。n气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生的光，经过棱镜分光后得到不连续的线状光谱，这种线状光谱称为原子光谱。n氢原子光谱特征：不连续的光谱，即线状光谱；谱线频率有一定的规律：第七页，本课件共有73页二、玻尔理论二、玻尔理论普朗克的量子论爱因斯坦的光子学说卢瑟福的原子结构模型氢原子的光谱实验玻尔理论第八页，本课件共有73页玻尔理论的基本要点：1、核外电子只能在有确定半径和能量的圆形轨道上绕核运动，在这些轨道上运动的电子既不吸收能量，也不放出能量；这些状态称为定态；2、原子轨道的能量是量子化的：能级：轨道的这些不同的能量状态；基态：能量最低的状态，即n=1；激发态：其余能量

3、高于基态的状态，即n 1。第九页，本课件共有73页3、电子在能量不同的轨道之间跃迁时原子才会吸收或放出能量。当电子从能量较高的轨道（E2）跃迁到能量较低的轨道（E1）时，放出的能量以光的形式发射出去，发射出的光的频率与轨道能量间的关系为：第十页，本课件共有73页氢原子光谱与氢原子能级第十一页，本课件共有73页第二节 微观粒子的特性一、微观粒子的波粒二象性1924 年，法国年轻的物理学家年，法国年轻的物理学家 L.de Broglie指出，对指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，忽略其粒子性；

4、与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。L.de Broglie 从从 Einstein 的质能联系公式的质能联系公式 E=mc2 和光子的能量公式和光子的能量公式 E=h 的联立出发，进行推理的联立出发，进行推理:第十二页，本课件共有73页对于微观粒子；p微观粒子的动量，表明微观粒子的 粒子性；微观粒子的波长，表明微观粒子的 波动性。de Broglie关系式关系式h微观粒子具有波粒二象性。第十三页，本课件共有73页 例：子弹，m=2.5 10-2 Kg，v=300 ms-1；电子，me=9.110-31 Kg，v=5.91

5、05 ms-1；波长：子弹 =h/(mv)=6.610-34/(2.5 10-2 300)=8.8 10-35(m)可忽略，主要表现为粒子性 电子 =h/(mv)=6.610-34/(9.1 10-31 5.9105)=12 10-10(m)=1.2 nm第十四页，本课件共有73页电子的衍射实验证实了电子的衍射实验证实了de Broglie的预言，确认了电的预言，确认了电子具有波动性。子具有波动性。1927,美国美国 C.Davisson and L.Germar第十五页，本课件共有73页 电子衍射实验示意图电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗用电子枪发射高

6、速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。感光屏幕感光屏幕薄晶体片薄晶体片衍射环衍射环电电子子枪枪电电子子束束第十六页，本课件共有73页 电子的波动性是和电子运动的统计性规律联系在一起的；电子波是概率波概率波，反映了电子在空间各区域出现的概率大小。亮纹：电子出亮纹：电子出现的概率大现的概率大暗纹：电子出暗纹：电子出现的概率小现的概率小第十七页，本课件共有73页二、不确定原理二、不确定原理 1927 年，德国人 Heisenberg 提出了不确定原理：xpx h px=mvx x：x坐标方向上微粒的位置不确定程度；px：x坐标方向

7、上微粒的动量不确定程度。x越小(位置越准确)，px越大(动量越不准确)；px越小(动量越准确)，x越大(位置越不准确)；因此，微观粒子的位置和动量不能同时确定；即微观粒子的运动没有固定的运动轨道。第十八页，本课件共有73页 例：子弹，m=0.01 Kg，v=1000 ms-1，vx=0.1%电子，me=9.110-31 Kg，v=106 ms-1，x=10-10 m 子弹 x=h/(mvx)=6.610-34/(0.0110000.1%)=6.610-32(m)对于宏观物体，x=10-8 m就很准确了，完全可忽略 电子 vx=h/(mx)=6.610-34/(9.110-31 10-10)=7

8、.27 106(ms-1)不确定程度甚至超过电子本身的运动速率，显然是不能忽略的。第十九页，本课件共有73页第三节 单电子原子的薛定谔方程及其解一、单电子原子的薛定谔方程 ：波函数，E：能量，V：势能，m：微粒的质量，x，y，z：电子的空间坐标 ：圆周率，h：普朗克常数第二十页，本课件共有73页 求解薛定谔方程，就是求得波函数和能量 E；解得的不是具体的数值,而是包括三个常数（n，l，m）和三个变量（r，）的函数式n，l，m(r，)；有合理解的函数式叫做波函数(Wave functions)；可用来描述核外电子的运动状态；波函数=薛定谔方程的合理解=原子轨道第二十一页，本课件共有73页坐标变换

9、：直角坐标坐标变换：直角坐标(x，y，z)变换成球坐标变换成球坐标(r，)第二十二页，本课件共有73页二、单电子原子的波函数 变数分离：n，l，m(r，)=Rn，l(r)Yl，m(，)Rn，l(r)：波函数的径向部分，称为径向函数，由 n 和 l 决定；Yl，m(，)：波函数的角度部分，称为角度函数，由 l 和 m 决定。第二十三页，本课件共有73页三、量子数的物理意义（一）主量子数（n）意义：意义：描述原子中电子出现几率最大的区域离核的远近，决定了电子所处的层数；也是决定电子能量高低的重要因素。n越大，电子出现几率最大的区域离核越远，能量也就越高；取值：取值：n=1，2，3正整数 n 1 2

10、 3 4 5 6 7 光谱学符号 K L M N O P Q 第二十四页，本课件共有73页（二）角量子数（l）意义：意义：表示原子轨道的形状，也表示同一电子层中具有不同状态的分层（亚层，能级），是影响轨道能量的次要因素。取值：取值：l=0，1，2（n1）l 0 1 2 3 4光谱学符号 s p d f g例：n=1，l=0：1s亚层；n=2，l=0，1：2s，2p亚层；n=3，l=0，1，2：3s，3p，3d亚层；n=4，l=0，1，2，3；4s，4p，4d，4f亚层。第二十五页，本课件共有73页（三）磁量子数（m）意义：意义：它决定原子轨道在空间的伸展方向；每一个m的取值，对应一种空间的伸展

11、方向，也即对应一条原子轨道。取值：取值：m=0，1，2，3l，共有(2l+1)个取值。简并轨道（等价轨道）：简并轨道（等价轨道）：n 和 l 都相同，但 m 不同的各原子轨道的能量相同；这些能量相同的轨道称为简并轨道。总结：总结：n，l，m可以确定一个原子轨道的离核远近、形状和伸展方向；也即n，l，m确定了，一条原子轨道就确定了，电子的轨道运动也就确定了。第二十六页，本课件共有73页 l=0，m=0：s 轨道轨道m：一一个取值个取值,一种空间取向一种空间取向,一条一条 s 轨道轨道 l=1，m=+1，-1，0：px，py，pz 轨道轨道m：三个取值：三个取值,空间三种取向空间三种取向,三条简并

12、三条简并p 轨道轨道第二十七页，本课件共有73页l=2,m=0,+1,+2,-1,-2：m：五个取值：五个取值,空间五种取向空间五种取向,五条简并五条简并d 轨道轨道第二十八页，本课件共有73页l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3 :f 轨道轨道 m:七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条简并七条简并 f 轨道轨道第二十九页，本课件共有73页n主层l亚层m原子轨道1 K0 1s 01s2 L012s2p00,12s2pz,2px,2py3 M 0123s3p3d00,10,1,23s3pz,3px,3py4 N 01234s4p4d4f00,10,1,20,1,2,34

13、s4pz,4px,4py第三十页，本课件共有73页（四）自旋磁量子数（ms）意义：意义：描述电子的自旋运动方向。取值：取值：+1/2，1/2；分别用和表示。总结：总结：原子中每个电子的运动状态（既包括轨道运动又包括自旋运动）可以用这四个量子数（n，l，m，ms）来描述。四个量子数确定之后，电子在核外空间的运动状态就确定了。第三十一页，本课件共有73页名称名称符号符号取值取值表示表示指明指明主量子数主量子数n1,2,电子层电子层能级能级离核远近离核远近能量高低能量高低角量子数角量子数l0,1,n-1分层，亚层分层，亚层能级能级轨道形状轨道形状磁量子数磁量子数m0,1,2,l亚层轨道亚层轨道伸展方

14、向伸展方向自旋磁自旋磁量子数量子数ms+1/2,-1/2自旋状态自旋状态自旋方向自旋方向四个量子数四个量子数第三十二页，本课件共有73页第四节 氢原子的波函数和电子云的图形一、基态氢原子的电子云图形 2：代表在核外空间某一点电子出现的概率密度。概率密度：概率密度：电子在核外空间某处附近单位微体积内出现的概率。概率：概率：电子在空间出现的机会叫概率。概率=概率密度 体积 电子云（概率密度）：电子云（概率密度）：用小黑点的疏密来表示核外电子出现的概率密度的图形叫电子云。第三十三页，本课件共有73页氢原子的1s电子云图：小黑点密集的地方，电子出现的概率密度大。1s电子云的等概率密度面图：概率密度相等

15、的各点连起来所得的空间曲面。1s电子云的界面图：界面内电子出现的概率为90%的等概率密度面。第三十四页，本课件共有73页二、氢原子波函数的角分布图和电子云的角分布图（一）氢原子波函数的角分布图 n，l，m(r，)=Rn，l(r)Yl，m(，)氢原子波函数的角函数Yl，m(，)随角，变化的图形：氢原子波函数的角分布图 以pz轨道为例：第三十五页，本课件共有73页Z /Acos cos2 0 1.00A 1.00 15 0.97A 0.93 30 0.87A 0.75 45 0.71A 0.50 60 0.50A 0.25 90 0.00A 0.00120 0.50A 0.25135 0.71A

16、0.50150 0.87A 0.75165 0.97A 0.93180 1.00A 1.00波函数的角度分布图波函数的角度分布图第三十六页，本课件共有73页（二）氢原子电子云的角分布图 2(r，)=R 2(r)Y 2(，)R 2(r)：概率密度的径向函数；Y 2(，)：概率密度的角函数。氢原子概率密度的角函数Y 2(，)随角，变化的图形：氢原子电子云的角分布图。区别区别波函数的角分布图波函数的角分布图电子云的角分布图电子云的角分布图1 1除除s s轨道外，有正、负轨道外，有正、负都是正值都是正值2 2因为因为Y Y(，)1)1要要“瘦瘦”一些一些第三十七页，本课件共有73页原子轨道和电子云的原

17、子轨道和电子云的角度分布图：角度分布图：xxyyzz第三十八页，本课件共有73页原子轨道和电子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：xyxyyzyzxzxz第三十九页，本课件共有73页原子轨道和电子云的角度分布图：原子轨道和电子云的角度分布图：z2z2x2-y2x2-y2第四十页，本课件共有73页三、氢原子的径向分布图例：例：以原子核为球心，半径为以原子核为球心，半径为 r r 的球面到半径为的球面到半径为 r+dr r+dr 的球面之间的薄球壳层内电子出现的概率。的球面之间的薄球壳层内电子出现的概率。概率概率=概率密度概率密度体积体积薄球壳层的概率密度薄球壳层的概率密度=R R2 2

18、(r r)薄球壳层的体积薄球壳层的体积=4=4 r r2 2drdr概率概率=R R2 2(r r)4)4 r r2 2drdr令令D(r)=D(r)=R R2 2(r r)4)4 r r2 2：径向分布函数：径向分布函数D(r)D(r)的意义：电子在半径为的意义：电子在半径为r r的单位厚度的薄球壳层内的单位厚度的薄球壳层内出现的概率。出现的概率。径向分布图径向分布图用用D(r)D(r)对对r r做图。该图反映了电子在半做图。该图反映了电子在半径为径为r r的单位厚度的球壳内出现的概率随半径的单位厚度的球壳内出现的概率随半径r r的变化情的变化情况。况。dr rdr=1只考虑径向部分只考虑径

19、向部分第四十一页，本课件共有73页D(r)r1saor2sD(r)D(r)r3srD(r)2pD(r)r3pD(r)r3dn=1，l=0n=2，l=0n=3，l=0n=3，l=1n=3，l=2n=2，l=1第四十二页，本课件共有73页从氢原子的径向分布图可以得到如下几点结论：1、1s轨道在r=a0=52.9pm处有极大值，说明电子在r为52.9pm的单位厚度球壳内出现的概率最大；2、径向分布图有nl个峰，当n相同时，l越小，峰数就越多，且第一个峰离核的距离越近，即l越小的轨道的峰钻得越深；3、当l相同，n不同时，主峰距核位置不同，n越小，距核越近，n越大，距核越远，好像电子处于某一电子层；n相

20、同的电子，活动区域相近，不同n的电子，活动区域不同。第四十三页，本课件共有73页第五节 多电子原子的结构一、屏蔽效应内层电子原子核排斥外层电子吸引第四十四页，本课件共有73页屏蔽效应：屏蔽效应：由于其他电子对某一电子的排斥作用，而抵消了一部分核电荷对电子的吸引力，从而削弱了核对电子的吸引，这种作用称为屏蔽效应。有效核电荷有效核电荷Z*：由于屏蔽效应的存在，原子核作用在电子上的核电荷被抵消了一部分，抵消后剩余的核电荷称为有效核电荷。Z*=Z-：屏蔽常数,代表由于电子间的斥力而使原核电荷减小的部分。屏蔽作用越大，核对电子的吸引力就越小，电子的能量就越高。第四十五页，本课件共有73页有效核电荷Z*H

21、 He1s 1 1.70 Li Be B C N O F Ne1s 2.70 3.70 4.70 5.70 6.70 7.70 8.70 9.702s,2p 1.30 1.95 2.60 3.25 3.90 4.55 5.20 5.85 Na Mg Al Si P S Cl Ar1s 10.70 11.70 12.70 13.70 14.70 15.70 16.70 17.702s,2p 6.85 7.85 8.85 9.85 10.85 11.85 12.85 13.853s,3p 2.20 2.85 3.50 4.15 4.80 5.45 6.10 6.75第四十六页，本课件共有73页钻穿

22、效应：钻穿效应：外层电子钻到内层空间而靠近原子核的现象叫钻穿作用，由于电子的钻穿作用不同而使它的能量发生变化的现象叫钻穿效应。l越小，钻穿作用越强，受到其他电子的屏蔽作用就越小，受原子核引力就越强，因而能量越低。（二）钻穿效应（二）钻穿效应第四十七页，本课件共有73页多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级1.角量子数l相同的能级，n越大，能量越高；E(1s)E(2s)E(3s)E(2p)E(3p)E(4p)E(3d)E(4d)E(5d)2.主量子数n相同的能级，l越大，能量越高；E(ns)E(np)E(nd)E(nf)（能级分裂）3.主量子数n和角量子数l都不同时，E(4s)E(3d)E(4p)

23、E(5s)E(4d)E(5p)（能级交错）第四十八页，本课件共有73页氢原子中单电子的轨道能级图氢原子中单电子的轨道能级图第四十九页，本课件共有73页单电子原子轨道能级单电子原子轨道能级1、角量子数l相同的能级，n越大，能量越高；E(1s)E(2s)E(3s)E(2p)E(3p)E(4p)E(3d)E(4d)E(5d)2、主量子数n相同的能级，l不同时能量相等；E(ns)=E(np)=E(nd)=E(nf)总结：总结：单电子原子中，原子轨道的能量完全由n决定，不存在能级分裂和能级交错；多电子原子中由于存在屏蔽效应和钻穿效应，故原子轨道的能量由n和l共同决定。第五十页，本课件共有73页二、鲍林近

24、似能级图二、鲍林近似能级图能级组能级组第六组第六组(6s,4f,5d,6p)第五组第五组(5s,4d,5p)第四组第四组(4s,3d,4p)第三组第三组(3s,3p)第二组第二组(2s,2p)第一组第一组(1s)第七组第七组(7s,5f,6d,7p)第五十一页，本课件共有73页徐光宪的能级高低近似规则：n+0.7l n+0.7l值越大，轨道能级越高；n+0.7l值中整数部分相同的为一能级组。轨道(n+0.7l)第1能级组 1s（1.0）第2能级组 2s（2.0）2p（2.7）第3能级组 3s（3.0）3p（3.7）第4能级组 4s（4.0）3d（4.4）4p（4.7）第5能级组 5s（5.0）

25、4d（5.4）5p（5.7）第五十二页，本课件共有73页1、Pauli不相容原理同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个轨道只能容纳2个自旋方向相反的电子；2、能量最低原理 核外电子要尽可能排布在能量最低的轨道上，这样的体系最稳定；3、Hund规则简并轨道上电子要尽量分占不同的轨道并且自旋平行；电子半充满（p3，d5，f7）、全充满（p6，d10，f14）和全空（p0，d0，f0）的组态能级最低。三、基态原子的核外电子排布第五十三页，本课件共有73页原子的电子层结构（核外电子的排布）原子的电子层结构（核外电子的排布）1 H Hydrogen 氢氢 1s1 *2 He Helium氦

26、氦 1s2 3 Li Lithium 锂锂 1s2 2s1 4 Be Beryllium 铍铍 1s2 2s2 5 B Boron 硼硼 1s2 2s22p1*6 CCarbon碳碳 1s2 2s22p2 7 NNitrogen氮氮 1s2 2s22p3 8 OOxygen氧氧 1s2 2s22p4 9 FFluorine氟氟 1s2 2s22p5 10 NeNeon氖氖 1s2 2s22p6原子原子序数序数电子轨道图电子轨道图元素元素符号符号 英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式第五十四页，本课件共有73页 11 Na Sodium 钠钠 1s2 2s22p63s1 12 M

27、g Magnesium 镁镁 1s2 2s22p63s2 13 Al Aluminium 铝铝 1s2 2s22p63s23p1 14 Si Silicon 硅硅 1s2 2s22p63s23p2 15 P Phosphorus 磷磷 1s2 2s22p63s23p3 16 Si Sulfur 硫硫 1s2 2s22p63s23p4 17 Cl Chlorine 氯氯 1s2 2s22p63s23p5 18 Ar Argon 氩氩 1s2 2s22p63s23p6原子原子序数序数元素元素符号符号英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式 *19 K Potassium 钾钾 Ar 4

28、s1 20 Ca Calcium 钙钙 Ar 4s2 第五十五页，本课件共有73页 *21 Sc Scandium 钪钪 Ar 3d14s2 22 Ti Titanium 钛钛 Ar 3d24s2 23 V Vanadium 钒钒 Ar 3d34s2 24 Cr Chromium 铬铬 Ar 3d54s1 25 Mn Manganese 锰锰 Ar 3d54s2 26 Fe Iron 铁铁 Ar 3d64s2 27 Co Cobalt 钴钴 Ar 3d74s2 28 Ni Nickel 镍镍 Ar 3d84s2 Ar：原子实，表示原子实，表示 Ar 的的电子结构式电子结构式1s2 2s2 2p

29、6 3s2 3p6 。虽先排虽先排 4s 后排后排 3d，但但电子结构式中先写电子结构式中先写 3d，后写后写 4s。第五十六页，本课件共有73页第六节 元素周期表第五十七页，本课件共有73页周期：周期：元素周期表中每一横行称为一个周期；共有7个周期；周期与能级组对应，能级组的划分是导致周期表中各元素能划分为周期的原因。周期特点能级组能级轨道数元素数一二三四五六七特短周期短周期短周期长周期长周期特长周期不完全周期12345671s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p144991616288181832应有32第五十八页，本课件共有73页族：族：元素周期表中每

30、一纵列称为一个族，共分为18个族，从左向右用数字118表明族数；另一种方法：划分为7个主族（IAVIIA族），7个副族（IBVIIB族），1个零族和1个VIII族。区：区：元素原子的外层电子组态相近的分为一个区；VIII第五十九页，本课件共有73页s区元素：IA族和IIA族，活泼金属；ns12；p区元素：IIIA族VIIA族和零族元素，非金属；ns2np16；d区元素：IIIB族VIIB族和VIII族元素，过渡元素；(n-1)d19ns12；ds区元素：IB族和IIB元素，过渡元素；(n-1)d10ns12；f区元素：镧系元素和锕系元素，内过渡元素。第六十页，本课件共有73页一、原子的电子层结

31、构与周期的关系 元素所在的周期数与该元素的原子核外电子的最高能级所在能级组数一致，也与核外电子层数一致。二、原子的电子层结构与族的关系主族元素：主族元素：族数=元素原子的最外层电子数，也与该元素的最高化合价相一致；副族元素：副族元素：d区元素：(n-1)d电子数+ns电子数=族数；第第VIII族元素：族元素：(n-1)d电子数+ns电子数=8、9、10；ds区元素：区元素：(n-1)d电子数+ns电子数-10=族数。第六十一页，本课件共有73页第七节 元素性质的周期性 元素的性质主要取决于原子的电子层结构尤其是外层电子价电子，包括最外层的ns和np电子，次外层的（n-1）d电子和倒数第二层的（

32、n-2）f电子。电子层结构呈周期性变化，故元素的性质随原子序数递增呈周期性变化。第六十二页，本课件共有73页一、有效核电荷 同一周期主族元素从左向右，原子核作用在最外层电子上的有效核电荷显著增大，每增加一个电子，有效核电荷增加0.65；同一周期副族元素从左向右，原子核作用在最外层电子上的有效核电荷增加不大，每增加一个电子，有效核电荷增加0.15；同一族元素从上至下，原子核作用在最外层电子上的有效核电荷增加不大。第六十三页，本课件共有73页二、原子半径 原子半径：分子或晶体中相邻同种原子的核间距离的一半。金属半径：金属晶体中，两个相邻金属原子核间距离的一半r 共价半径：同种元素原子以共价键结合时

33、，相邻两个原子核间距离的一半r 范德华半径：稀有气体的单原子分子晶体中，同种原子核间距离的一半r第六十四页，本课件共有73页 同一周期主族元素从左向右，原子半径明显减小；同一周期副族元素从左向右，原子半径减小比较缓慢；同一主族元素从上至下，原子半径显著增大；同一副族元素从上至下，原子半径增大的程度较小；镧系收缩。第六十五页，本课件共有73页原子半径变化趋势图原子半径变化趋势图第六十六页，本课件共有73页三、电离能（Ei,1）定义：定义：元素的基态气态原子失去一个电子成为+1价阳离子所需要的能量称为元素的第一电离能。Ei,1 Ei,2 Ei,3 Ei,4 2，非金属元素；2，金属元素；同一周期元素从左向右，元素的电负性随核电荷数的增加而增大；同一族元素从上至下，元素的电负性随电子层的增加而减小；电负性相差较大的元素之间以离子键结合，形成离子型化合物；电负性相同或相近的元素之间以共价键结合，形成共价化合物。第七十三页，本课件共有73页