A130基础化学 第9章 原子结构 梅俊ppt课件.ppt

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1、,主讲：梅俊,范围：9-10 章,Tel: 22896322,原 子 结 构 和 元 素 周 期 律,第九章,Atomic Structure&Periodic Law of Elements,物质,分子,原子,化学键,晶体,堆积,原子核,核外电子,物质的化学变化一般只涉及核外电子 运动状态的改变,原子结构主要是 研究核外电子运动的状态及其排布规律,第一节,量子力学基础及核外电子运动特性,希腊语“原子”“不可分割”,-粒子散射实验:,Rutherford E “有核”原子模型:,-粒子：,He+,核外电子有怎样的状态呢？,一、氢光谱和氢原子的Bohr模型,“古原子说”,十九世纪初，道尔顿“近代

2、原子学说”,十九世纪末，电子和放射性的发现-原子结构大门才打开。, 1904年：Thomson JJ原子“枣糕模型”,原子都是不能再分的粒子；同种元素的原子的各种性质和质量都相同；原子是微小的实心球体,近代化学之父、英国科学家约翰道尔顿提出了世界上第一个原子,1803年 实心球体,电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。,1897年发现电子，否定了道尔顿“实心球模型”,1904年 汤姆逊枣糕模型, 获1906年诺贝尔物理学奖,(经典电磁学为理论基础)：原子的大部分体积是空的 在原子的中

3、心有一个很小的原子核原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动,汤姆生的学生卢瑟福完成的粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了,1911年 卢瑟福行星模型,电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量,为解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔提出了核外电子分层排布的原子结构模型,1913年 波尔模型,波粒二象性测不准原理（1927 海森堡）,电子绕核运动形成一个带负电荷的云团,电子云模型,连续光谱：白光通过棱镜分光得到没有明显分界线的光谱。,1885年Balmer J是发现可见光区谱

4、线的波长有简单的规律。,原子得到能量会发出单色光，经过棱镜分光得到线状光谱。,1913年Bohr N借助Planck量子理论，很好地解释了氢原子光谱，建立了氢原子模型，提出了Bohr理论：,1、能级假说：,定态：电子在轨道上运动时，不吸收也不辐射能量。,能级：轨道上电子有特定的能量值。,RH=2.1810-18J,n=1,2,3,+,量子化轨道,定态,能量具有确定值,基态,激发态,能量最低,n=1,n=2,n=3,E = - 2.1810-18 J,RH=2.1810-18J,n=1,2,3,主量子数,氢原子基态n=1能量,氢原子第一激发态n=2能量,E = -(2.1810-18)/4 J,

5、2、能级间的跃迁,电子由一定态跃迁到另一定态时要吸收或放出能量,跃迁：,电子的能量由一个能级改变到另一个能级。,+,基态(n1),激发态(n2),+,基态(n1),激发态(n2),吸收能量,+,E = En2 - En1 =h,基态(n1),激发态(n2),吸收能量,+,E = En1 - En2 = h,基态(n1),激发态(n2),放出能量,E = En1 - En2 = h, = c/,= h,= hc/, Bohr理论的成功之处：,运用了量子化的观点，可解释氢原子光谱。, Bohr理论的不足之处：,没有完全摆脱经典力学的束缚，无法解释多电子原子光谱。,（微观粒子的运动规律需用量子力学处

6、理）,二、电子的波粒二象性, 1905年爱因斯坦(Einstein)为了解释光电效应提出，,光子论学说,确立了光具有波粒二象性。,光具有波的性质，能量：,E=h,光具有粒子的性质，动量：,p=mc,Einstein方程式E=mc2,mc2=h,mc=h/c=h/,=h/mc,联系光的波动性和粒子性的关系式, 1924年年仅27岁德布罗意（de Broglie),提出电子等微粒具有波粒二象性的假设。,=h/mv= h/p,de Broglie关系式,粒子性物理量（p, m, v),波动性物理量 （ ),Planck常数 （h ),= 6.62610-34 Js,de Broglie关系式,电子运

7、动的速度：1/2mv2=eV,由加速电场的电压V决定,当加速电场的电压V=1000V时,计算的电子运动的波长=39pm, 波长的数量级和X射线相近，用普通光栅无法检验出它的波动性。, 1927年戴维思(Davisson)和革末(Germer)借鉴X衍射实验;,得到了电子衍射图，,证实了de Broglie 假设。,电子衍射图的意义,电子具有波动性,波峰 + 波峰 = 明纹,波峰 + 波谷 = 暗纹,电子波是概率波,明纹,波强度大,电子出现概率大,暗纹,波强度小,电子出现概率小,例9-1（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为9.110-31 kg，试计算电子波

8、的波长。,解：,解：, = -,h,mv,例9-1（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为9.110-31 kg，试计算电子波的波长。,解：, = -,h,mv,= ,6.62610-34,9.110-315.9105,例9-1（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为9.110-31 kg，试计算电子波的波长。,解：, = -,h,mv,= ,6.62610-34,9.110-315.9105,= 1.210-9(m),例9-1（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9105 ms-1 ，电子的质量为9.110-31 kg，试

9、计算电子波的波长。,= 1200pm,例9-1（2）质量为1.010-8 kg的沙粒以1.010-2ms-1的速度运动,波长是多少？,例9-1（2）质量为1.010-8 kg的沙粒以1.010-2ms-1的速度运动,波长是多少？,解：,= -,h,mv,6.62610-34,1.010-81.010-2,= 6.610-24(m),=,说明:物质的质量愈大,波长愈小,= -,h,mv,de Broglie关系式,电子= 1.210-9 (m),沙粒= 6.610-24 (m),宏观物体的波长，小到难以测量，以致其 波动性难以察觉，仅表现出,微观世界粒子质量小，其波长不可忽略而 表现出,= 12

10、00pm,粒子性,波动性,三、测不准原理,宏观物体运动状态,可同时准确测定运动坐标和动量,有确定的运动轨道,微观粒子运动状态,无法同时准确测定运动坐标和动量,没有确定的运动轨道,Heisenberg测不准关系式,x px h / 4,x 为x方向坐标的测不准量,x 为x方向的动量测不准量,意义：具有波动性的粒子没有确定运动轨道， 只能用其在空间某一微区域可能出现 的几率大小来描述它的运动状态。,例9-2 电子在原子核附近运动的速度约为6106ms-1,原子半径约10-10m。若速度误差为1%，电子的位置误差x有多大？,xh/4mv =,解：v = 6106ms-1 0.01,= 6104ms-

11、1,6.626 10-34kgm2s-1,4 9.110-31kg6 104ms-1,=110-9m,x比原子半径大10倍，无精确的位置。,例9-3 .子弹（质量为0.01kg，速度1000ms-1)、.尘埃（质量为10-9kg，速度10ms-1)、.作布朗运动的花粉（质量为10-13kg，速度1ms-1)。若速度误差为1%，判断在确定这些质点位置时，测不准原理是否有实际意义？,解：.子弹（质量为0.01kg，速度1000ms-1),xh/4mv =,解：v = 1000ms-1 0.01,= 10ms-1,6.626 10-34kgm2s-1,4 0.01kg10ms-1,=5.2710-3

12、4m,.尘埃（质量为10-9kg，速度10ms-1),xh/4mv =,解：v = 10ms-1 0.01,=0. 1ms-1,6.626 10-34kgm2s-1,4 10-9kg0.1ms-1,=5.2710-25m,.花粉（质量为10-13kg，速度1ms-1),xh/4mv =,解：v = 1ms-1 0.01,=0.01ms-1,6.626 10-34kgm2s-1,4 10-13kg0.01ms-1,=5.2710-20m,.子弹： x 5.2710-35m.尘埃: x 5.2710-25m .花粉: x 5.2710-20m .原子中的电子： x 110-9m比原子半径大10倍,

13、氢原子结构的量子力学解释,第二节,de Broglie关系式仅适用于无作用力下微观粒子的运动。,原子中核外电子要受到原子核和其它电子的作用， 核外电子的运动就不适用于de Broglie关系式。,1926年，Schrodinger E推导出了在力场作用下微观粒子运动的波动方程。,薛定谔（Schrodinger)方程式,x、y、z 电子在空间的坐标,m 电子的质量,E 电子的总能量,V 电子的势能, 电子的波函数,粒子性,波动性,方程式的解,求解此方程很复杂。,遗憾！,波函数( )描述电子的运动状态，但没有明确的物理意义。,薛定谔方程的解 波函数（）,概率密度 2，代表电子在核外空 间某点 (r

14、,) 出现的概率密度。,概率 2dv，代表某点周围微单位 体积中电子出现的概率。,电子云 2的形象表示，单位体积 内黑点数与 2 值成正比的图形。,以2表对(r,)作图。,黑色深的地方表示电子的概率密度大，浅的地方概率密度小。,形象化表示电子概率密度的几何图形电子云。,通过解薛定谔方程式得到的每个合理解波函数，描述原子中一个电子的运动状态，又常称为原子轨道。, 电子运动状态用 和相应能量E描述。,电子具有波粒二象性,电子波即概率波, 一个对应一确定能量值(定态)，电子能量具有量子化特征(不连续的)。,无确定的运动轨道,波函数给出了电子运动的全部信息：,H,He+,Li2+,核外只有一个电子,可

15、精确求解其Schrodinger方程, 把直角坐标换成球极坐标,氢原子结构的量子力学解释,一、量子数 quantum number,r,( r,),P ( x, y, z ),z,x,y,P,直角坐标转换成球极坐标,x = r sincos,y = r sinsin,z = r cos,0,一、量子数 quantum number,氢原子结构的量子力学解释,r = x2+y2+z2,r,( r,),P ( x, y, z ),z,x,y,P,直角坐标与极坐标的关系,x = r sincos,y = r sinsin,z = r cos,O,一、量子数 quantum number,氢原子结构的

16、量子力学解释,H,He+,Li2+,核外只有一个电子,可精确求解其Schrodinger方程, 把直角坐标换成球极坐标, Schrodinger方程解出氢原子的函数 n，l，m (r,)及其能量(表92),一、量子数 quantum number,氢原子结构的量子力学解释,一、量子数 quantum number,量子数,引入三个取值一定的整数,薛定谔方程才有合理的解,n，l，m (r,),代表一个原子轨道,n,l,m,（电子的运动状态）,氢原子结构的量子力学解释,1、三个量子数的取值和物理意义,n,l,m,物理意义,取值规律,决定电子离核的远近和能量的高低(电子层数),1、2、3n,决定原子

17、轨道形状和能量的高低 (能级或亚层),0、1、2、3(n-1)s、p、d、f,决定原子轨道在空间的伸展方向,0、1、2l,主量子数,轨道角动量量子数,磁量子数,氢原子结构的量子力学解释,2、量子数组合与轨道数,n l m 同层轨道数(n2) 能级,1 0 0,1,1s(或1、0、0）,2 0 0,2s,1 0,2pz *,4,1,2px ,2py,1,2,氢原子结构的量子力学解释,3 0 0,3s,1 0,3pz *,9,2 0,3dz2 *,3dxy ,3d(x2-y2),n l m 同层轨道数(n2) 能级,1,3px ,3py,1,3dxz,3dyz,2,3,* 简并(等价)轨道:能量相

18、同即能级相同,2、量子数组合与轨道数,氢原子结构的量子力学解释,3、自旋角动量量子数（Si), 表示电子自旋方向的量子数,氢原子结构的量子力学解释,3、自旋角动量量子数（S), 表示电子自旋方向的量子数,取值：+ 、- （或和）,特点：与n、l、m无关,1,2,1,2,平行自旋 反平行自旋,氢原子结构的量子力学解释,结论：,描述原子轨道： n、l、m,描述电子运动状态： n、l、m、 Si,一、量子数 quantum number,氢原子结构的量子力学解释,下列各套量子数中哪些是不可能存在的, 2、0、1、+ , 1、1、0、- , 4、0、0、- ,1,2,1,2,1,2,氢原子结构的量子力

19、学解释,用四个量子数表示2p2电子的运动状态,氢原子结构的量子力学解释,用四个量子数表示2p2电子的运动状态, 2、1、0、+ ,；2、1、1、+ ,1,2,1,2,氢原子结构的量子力学解释,用四个量子数表示2p2电子的运动状态, 2、1、0、+ ,；2、1、1、+ ,1,2,1,2,(2、1、0、+ ),1,2,；(2、1、1、+ ),1,2,氢原子结构的量子力学解释,已知基态Na原子的价电子处于最外层3S 亚层试描述它的运动状态,3、0、0、1/2(或-1/2),解：最外层3S亚层的n=3，l=0 ，m=0,它的运动状态表示：,氢原子结构的量子力学解释,二、原子轨道的角度分布, n，l，m

20、 (r,)= R n,l (r) Y l,m(,),R函数,角度波函数, 氢原子的一些波函数及其能量,波函数,径向波函数,Y函数,见p175 表9-2,氢原子结构的量子力学解释,角度波函数,Y l,m(,)随、方位角的变化作图,原子轨道角度分布图, n，l，m (r,)= R n,l (r) Y l,m(,),(又称Y函数图),二、原子轨道的角度分布,氢原子结构的量子力学解释,x,z,Ys,+,s轨道角度分布图,1. s 轨道角度分布图,Ys = 1/4 = 0.282,代入任何方位角其Ys值均为常数,球面分布图,30,60,135,氢原子结构的量子力学解释,轨道角度分布图,2. Pz 轨道角

21、度分布图,Ypz = 3/4 cos,代入不同的角求其Ypz值,双球面分布图,30,60,x,z,Ypz,+,-,(p176),例 30。0.423 60。0.244,氢原子结构的量子力学解释,x,z,Ys,+,y,x,x,z,x,z,Ypy,Ypx,Ypz,+,-,-,+,+,-,氢原子的S、P原子轨道角度分布剖面图,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,+,y,x,z,y,x,x,Ydxy,Ydz2,Ydx2-y 2,（Ydyz,、Ydxz）,3. d轨道角度分布图,二、原子轨道的角度分布,角度波函数只与l，m有关，只要l，m相 同，即使n不同，其角度分布图均一样。,原子轨道角度分布

22、图的正负号除反映Y函 数值的正负外，也反映电子的波动性。,角度波函数与 r 无关。, n，l，m (r,)= R n,l (r) Y l,m(,),氢原子结构的量子力学解释,电子云的角度分布图,n，l，m (r,) = R n,l (r) Y l,m(,),电子云径向部分,电子云角度部分,电子云角度分布图,2,2,2,Y 2l,m(,)随、方位角的变化作图,氢原子结构的量子力学解释,x,z,Ys2,y,x,x,z,x,z,Ypy2,Ypx2,Ypz2,S、P轨道电子云的角度分布图,x,z,Ys2,x,S、P轨道电子云的角度分布图,x,x,z,Ypy,Ypx,+,-,-,+,电子云与原子轨道角度

23、分布图的比较,y,y,x,x,z,Ypy2,Ypx2,y,x,z,y,x,x,Yd 2xy,Yd 2z2,Yd 2x2-y 2,（Yd 2yz,、Yd 2xz）,d轨道电子云角度分布图,-,+,+,+,-,-,-,+,z,y,x,x,Ydz2,Ydx2-y 2,电子云与原子轨道角度分布图的比较,z,y,x,x,Yd 2z2,Yd 2x2-y 2,原子轨道,图形形状,角度函数,2,电子云,Y l,m(,),Y l,m(,),图形较胖,图形较瘦,正负情况,有正负之分,均为正值,两者图形相似,|Y|1,|Y|2|Y|,Y20,氢原子的波函数,三、原子轨道的径向分布,氢原子结构的量子力学解释,n，l，

24、m (r,) = R n,l (r) Y l,m(,),径向分布函数D(r)图,角度分布图,描述电子出现的概率与 r 的关系,描述电子出现的概率密度与方位角的关系,2,2,2,三、原子轨道的径向分布,氢原子结构的量子力学解释,1、径向分布函数,D(r) = R2n,l (r)4r2,意义：指离核半径为r的球面上，微单位 厚度为dr球壳夹层内电子出现的概率。,薄球壳夹层剖面图,dv,dr,r,氢原子结构的量子力学解释,1、径向分布函数,D(r) = R2n,l(r)4r2,概率 = 概率密度体积,d= 4r2 dr,概率 = 24r2dr,= R2n,l(r)4r2dr,= D(r)dr,薄球壳

25、夹层的体积：,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,D(r)对r作图即得各种状态电子的径向分布函数图。,1 2 3 4,D(r),r / a0,氢原子1s电子的径向分布函数图,D(r) = R2n,l(r)4r2,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1s,2s,3s,D(r),r/a0,0,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,28,32,36,40,0.04,0.08,0.12,0.16,D(

26、r),2P,3P,4P,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,0.4,0.8,28,32,36,40,4s,4d,4f,3d,D(r),r/a0,0,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,1 2 3 4,D(r),r / a0,(1)在基态氢原子中电子出现概率 的极大值在r =a0(52.9pm)的球 面上。,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,1 2 3 4,D(r),r / a0,(1)在基态氢原子中电子出现概率 的极大值在r =a0

27、(52.9pm)的球 面上。,dv,dr,r,2随r的增加而减小,dv随r的增加而增加,在r =a0处D(r)最大,概率 = 概率密度体积,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,1 2 3 4,D(r),r / a0,在原子核近旁电子出现的概率 趋近于零。,dv,dr,r,概率密度最大,dv趋近于零,概率趋近于零,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(2)不同状态(s、p、d等)电子的径向分布 函数图的峰数不同。峰数有(nl )个,电子类型 峰数,ns电子 n,图1,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,1

28、6,20,24,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1s,2s,3s,D(r),r/a0,0,ns电子：n个峰,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(2)不同状态(s、p、d等)电子的径向分布 函数图的峰数不同。峰数有(nl )个,电子类型 峰数,ns电子 n,np电子 n -1,图1,图2,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,28,32,36,40,0.04,0.08,0.12,0.16,D(r),2P,3P,4P,np电子：n-1个峰,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(2)

29、不同状态(s、p、d等)电子的径向分布 函数图的峰数不同。峰数有(nl )个,电子类型 峰数,ns电子 n,np电子 n -1,nd电子 n -2,图1,图2,图3,氢原子结构的量子力学解释,2、径向分布函数图,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,0.4,0.8,28,32,36,40,4s,4d,4f,3d,D(r),r/a0,0,nd 电子：n-2个峰,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(3)对l 相同,n不同,主峰距核位置不同n越小,距核越近,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(3)对l 相同,n不同,主峰距核位置不同n

30、越小,距核越近,4,8,12,16,20,24,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1s,2s,3s,D(r),r/a0,0,氢原子结构的量子力学解释,3、径向分布函数图的意义,(4)对n相同而l不同的轨道上的电子，其 钻穿能力不同。,第一个峰离核距离顺序：,nsnp nd nf,电子钻穿能力顺序：,nsnp nd nf,氢原子结构的量子力学解释,氢原子各种状态电子的径向分布函数图,4,8,12,16,20,24,0.4,0.8,28,32,36,40,4s,4d,4f,3d,D(r),r/a0,0,3、径向分布函数图的意义,氢原子结构的量子力学解释,多电子原子的原子结构,第三节,Schr

31、odinger方程,单电子原子,精确解,多电子原子,近似解,可近似应用于,结论,多电子原子的原子结构,多电子原子中，每个电子都各有其波函 数i，具体形式取决于n,l,m。,多电子原子中的各个原子轨道角度分布 图与氢原子相似。,多电子原子的能量等于处于各能级的电 子能量总和。,多电子原子的原子结构,一、多电子原子的能级,+,-,-,-,吸引,排斥,屏蔽作用,内层对外层电子,同层电子,外层对内层电子,强,弱,（可忽略）,多电子原子的原子结构,一、多电子原子的能级,+,i,-,-,吸引,排斥,屏蔽作用,屏蔽常数,Z= Z - ,有效核电荷数,核电荷数,屏蔽常数 ：表示其它电子所抵消掉的部分核电荷,-

32、,Screening constant,多电子原子的原子结构,一、多电子原子的能级,+,-,-,吸引,排斥,屏蔽作用,Z= Z - ,Ei = - 2.1810 -18 J,(Z -)2,n2,是指其余电子对电子 i 的总屏蔽常数,i,-,电子组态和元素周期表,一、多电子原子的能级,Ei = - 2.1810 -18 J,(Z -)2,n2,当 Z 愈大 E愈低(同轨道) E1s(F) E1s(H),当 n 愈大 E愈高,当 愈大 E愈高(起屏蔽作用的电子愈多),多电子原子的原子结构,一、多电子原子的能级, n相同，l不同的能级顺序：,EnsEnpEndEnf, l相同，n不同的能级顺序：,E

33、nsE(n+1)sE(n+2)sE(n+3)s,（钻穿作用）, 能级交错：,E3dE4s,（K、Ca 等）,多电子原子的原子结构,鲍林多电子原子的原子轨道近似能级顺序:,能量与周期,1,2,3,4,5,6,1s,2s,2p,3s,3p,4s,4p,3d,5s,5p,4d,6s,6p,5d,4f,1S,2S,3P,4p3d4s,5p4d5s,6p5d4f6s,能级组,一个轨道,图9-10 原子轨道近似能级图,同一电子层轨道,2p,多电子原子的原子结构,徐光宪公式: n0.7l,表9-3 多电子原子能级组,原子能级由低到高依次为:(括号表示能级组),1s, (2s,2p),(3s,3p) ,(4s

34、,3d,4p),(5s,4d,5p),(6s,4f,5d,6p),多电子原子的原子结构,二、原子的电子组态, Pauli不相容原理：,在一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子存在。 例：4s2电子的运动状态：4、0、0、+1/2 4、0、 0、-1/2,推论: 在一个原子轨道上最多只能容纳两个 自旋 方向相反的电子 每个电子层最多容纳的电子数=2n2,-核外电子排布,多电子原子的原子结构, 能量最低原理：,当核外电子排布的结果能使整个原子的能量最低，这个原子才是最稳定的基态原子。,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构,1s,2s,3s,4s,5s,6s,7s,2p,3p,4p,5p

35、,6p,4f,3d,4d,5d,6d,5f,基态原子中电子填充顺序图,多电子原子的原子结构,1s,2s,3s,4s,5s,6s,7s,2p,3p,4p,5p,6p,4f,3d,4d,5d,6d,5f,22Ti的电子填充顺序：,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2,22Ti的电子组态：,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2,1s,2s,3s,4s,5s,6s,7s,2p,3p,4p,5p,6p,4f,3d,4d,5d,6d,5f,24Cr的价层电子组态：,3d5 4s1,3d4 4s2,多电子原子的原子结构, Hund规则：Hunds rule,在简并轨道中，

36、电子尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。,例: 6 C,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, Hund规则：,在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。,例: 6 C,1s,2s,2p,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, Hund规则：,在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。,例: 6 C,1s,2s,2p,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, Hund规则：,在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。,例: 7 N,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, Hund规则：,在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。,例: 7 N

37、,1s,2s,2p,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, 简并轨道全充满（p6 、d10 、 f14 ) 半充满 (p3 、d5、 f7 ) 全空 (p0 、d 0、f 0) 其能量较低,E(3d5 4s1) E(3d4 4s2),E(3d104s1) E(3d9 4s2),Cr(24),Cu(29),二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, 核外电子组态的书写(按电子层顺序),26Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2,可简写为：Ar3d6 4s2,原子芯(atomic kernel),二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构, 核外电子排布式的书写(按电子层

38、顺序) 26Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2,注意: 离子的电子组态的书写,Fe2+:Ar3d6 (失去4S上的两个电子),Fe3+:Ar3d5 (失去4S上的2个电子 再失去3d上的1个电子),二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构,Fe2+:Ar3d64s0,Fe3+:Ar3d54s0,离子的电子排布式的书写,失去4S的2个电子,Fe: Ar 3d6 4s2,先失去4S的2个电子再失去3d的1个电子,二、原子的电子组态,多电子原子的原子结构,元素周期表与元素性质的周期性,第四节,元素周期表,109种元素,元素周期律,元素周期表,7个周期,16个族,5个区,3

39、个短周期,4个长周期,8个主族,8个副族,元素周期表与元素性质的周期性,元素周期表,A,A,A,A,A,A,A,0,B,B,B,B,B,B,B,B,1,2,3,4,5,6,7,S区,d区,ds区,区,f 区,镧系,锕系,(一)、周期与能级组,7个周期,13为短周期47为长周期,（n + 0.7 l),整数相同者为一个能级组,7个能级组,一、原子的电子组态和元素周期表,元素周期表与元素性质的周期性,表9-4 能级组与周期的关系,能级组,起止元素,元素个数,1s1-2,元素周期表,A,A,A,A,A,A,A,0,B,B,B,B,B,B,B,B,1,2,3,4,5,6,7,S区,d区,区,f 区,镧

40、系,锕系,Sc21,Zn30,Y39,Cd48,Lu71,Hg80,5770,89102,Fr 87,112,(二) 族与原子的价电子组态,16个族,主族(A族)：AA,副族(B族)：BB,族(或B),零族或(A),元素周期表与元素性质的周期性,一、原子的电子组态和元素周期表,主族价层电子组态的特点：,最后一个电子填入ns或np亚层上,价层电子的总数等于族数,例：13Al 价层电子构型3s23p1（A族）,零族元素:,稀有气体,最外层已填满,呈稳定结构,例：18Ar 价层电子构型3s23p6,(二) 族与原子的价电子组态,(二)、族与原子的价电子组态,最后一个电子填入(n1)d或(n2)f 亚

41、层上,价层电子组态包括最外层、次外层和 外数第三层。,s1s2,d 1d 10,f 1f 14,副族价层电子组态的特点：,25Mn,价层电子构型: 3d5 4s2,92U 价层电子构型: 5f3 6d1 7s2,元素周期表与元素性质的周期性,(二)、族与原子的价电子组态,副族价层电子组态的特点：,最后一个电子填入(n1)d或(n2)f 亚层上,价层电子组态包括最外层、次外层和 外数第三层。,族数与价层电子数的关系,元素周期表与元素性质的周期性,(二)、族与原子的价电子组态,(n-1)d电子已充满元素(B、B),族数 = ns电子数,48Cd : Kr 4d 10 5s 2,B 族,族数与价层电

42、子数的关系,副族价层电子组态的特点：,元素周期表与元素性质的周期性,(二)、族与原子的价电子组态,族数 = (n-1)d + ns电子数,(n-1)d电子未充满元素(B B),25Mn: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2,B 族,(n-1)d电子已充满元素(B B),族数 = ns电子数,族数与价层电子数的关系,价层电子构型: 3d5 4s2,副族价层电子组态的特点：,(二)、族与原子的价电子组态,B族:,外层电子构型: (n1)d6-10 ns0、1、2,1. 最后1个电子填在(n1)d亚层上属过渡元素,2. 周期表中间，三个纵列,3. 多数元素在化学反应中价数不等于族

43、数,Fe Co Ni3d6 4s2 3d7 4s2 3d8 4s2,元素周期表与元素性质的周期性,(三)、元素在周期表中的分区,元素周期表与元素性质的周期性,一、原子的电子组态和元素周期表,周期表中元素的分区,A,A,A,A,A,A,A,0,B,B,B,B,B,B,B,B,1,2,3,4,5,6,7,S区,d区,ds区,区,f 区,镧系,锕系,ns12,(n-1)d18ns2,(n-1)d10ns12,ns2 np16,(n-2)f 014 (n-1)d02ns2,(n-1)d9ns1,(n-1)d10ns0,（四)、过渡元素(transition element),元素周期表与元素性质的周期

44、性,一、原子的电子组态和元素周期表,A,A,A,A,A,A,A,0,B,B,B,B,B,B,B,B,1,2,3,4,5,6,7,S区,d区,ds区,区,f 区,镧系,锕系,过渡元素,周期表中元素的分区,(四)、过渡元素(transition element),特点：,全为金属元素,（最外层只有12个电子）,有多种氧化态,（次外层d、f未充满电子）,d区、ds区、及内过渡元素f区(镧系，锕系）,元素周期表与元素性质的周期性,一、原子的电子组态和元素周期表,原子核外电子排布呈现明显的周期性 变化(电子填充始终是ns1np6),第一周期例外。,电子层结构的周期性变化导致元素性质的周期性变化,两类问题

45、需要解决: 已知在周期表位置电子组态和原子序数 给出原子序数电子组态和 位置（周期、族、区）,元素周期表与元素性质的周期性,例1:已知某元素位于第五周期A族,写出: 电子排布式；原子序数；价层电子 组态；区；未成对电子数目。,解: 电子排布式,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p5,Kr4d105s2 5p5,原子序数 = 2+8+18+18+7 = 53,价层电子组态： 5s2 5p5,区,元素周期表与元素性质的周期性,例1:已知某元素位于第五周期A族,写出: 电子排布式；原子序数；价层电子 组态；区；未成对电子数目。,解: 电子排布式,1

46、s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p5,Kr4d105s2 5p5,原子序数 = 2+8+18+18+7 = 53,价层电子组态： 5s2 5p5,区,元素周期表与元素性质的周期性,例2:指出原子序数为21的元素在周期表中的位置和电子组态。,解：电子排布式：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2,最后一个e进入d 轨道,该元素的位置：,电子组态：,第四周期,B族,d 区。,21Sc: Ar 3d1 4s2,例3:写出25号元素的电子填充式；电子排 布式；价层电子组态；周期、族、区 未成对电子数目。,解: 电子填充顺序,1s2 2

47、s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5,;Ar3d54s2,电子排布式,价层电子组态：3d5 4s2,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2,第四周期,d区B族,元素周期表与元素性质的周期性,例3:写出25号元素的电子填充式；电子排 布式；价层电子组态；周期、族、区 未成对电子数目。,解: 电子填充顺序,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5,;Ar3d54s2,电子排布式,价层电子组态：3d5 4s2,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2,第四周期,d区B族,元素周期表与元素性质的周期性,例4 填写下列元素的价层电子组态及族数,序数 元

48、素,12102680,MgNeFeHg,例4:填写下列元素的价层电子组态及族数。,序数 元素 电子组态 价层电子组态 族,12 Mg 1s2 2s2 2p6 3s2 3s2 A,10 Ne 1s2 2s2 2p6 2s22p6 0,26 Fe Ar3d6 4s2 3d64s2 B,80 Hg Xe4f14 5d10 6s2 5d106s2 B, 注意价层电子组态的书写！,元素周期表与元素性质的周期性,（一）有效核电荷,Z=Z,例：Li 原子 1s22s1,最外层1个电子，所受到的总屏蔽常数为:= 20.85 = 1.7,有效核电荷: Z = 31.7 = 1.3,元素周期表与元素性质的周期性,

49、二、元素性质的周期性变化规律,有效核电荷呈周期性变化,每个周期从左到右, Z,从小到大,特点:,短周期增长明显,(2) 长周期增长较慢,(3) f 区元素几乎不增加,元素周期表与元素性质的周期性,有效核电荷数,Z，,周期数,原子序数图912 有效核电荷的周期性变化,元素周期表与元素性质的周期性,（二）原子半径atomic radius,原子半径,共价半径(rc),范德华半径(rv),金属半径,rc,rv,元素周期表与元素性质的周期性,离子半径,原子半径与原子结构的关系,(1) 电子层数,r (同一主族),(2) 有效核电荷数,r (同一电子层) 对外层电子的吸引力愈大,原子半径随原子序数增加呈

50、周期性变化,元素周期表与元素性质的周期性,原子半径（主族元素）,原子半径随原子序数增加呈周期性变化,1、各周期的主族从左到右, r 逐渐减少(因Z 对外层电子的吸引力) 例 Li 156 F 67 Ne 131,2、同一主族元素, r 递增(从上到下),3、稀有气体, r 突然增大(范德华半径),Rb 243 I 138 Xe 209,4、长周期过渡元素 r先缓慢缩小,后略增大,内过渡元素, r 变化不大,（三）元素电负性electronegativity,第一电离能 A e,A+,(气态的基态原子),气态,吸收最低能量,电子亲和势 A e,放出能量,A-,气态,(气态的基态原子),元素周期表