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第一章原子结构与元素周期性章图在金刚石表面上用氢原子（白）和氟原子（红）的排列存储的信息是市售DVD光盘信息量的1000万倍。连接在原子隧道扫描显微镜的探测器的碳纳米管上的有机分子（吡啶）探针正在检出存储的信息。~cem181h/projects/97/nanotech/nanotube.htmldiamondmemory内容提要（待编写）1．本章首先讨论原子的电子层结构。原子核外电子是分能层和能级排布的。每一能层最高可容纳电子总数为2n2,n=能层序号；每一能层的能级数等于能层序数，并按s,p,d,f……的顺序排列。绝大多数元素的能量最低的原子（基态原子）的电子层结构遵循构造原理。光谱是原子结构理论的实验基础。原子核外电子从较低能级跃迁到较高能级吸收光子，产生吸收光谱；从较高能级跃迁到较低能级发射光子，产生发射光谱。2．本章阐明了门捷列夫发现元素周期律的历史背景、科学思想与科学方法。指出元素大家族呈现周期律的本质是原子核外电子层结构的周期性。元素周期表是元素周期律的表达形式，本章介绍了长式周期表的结构——周期、列、族和区。3．本章讨论了元素的原子半径、电离能、电负性和化合价的周期性。第1节原子结构1－1开天辟地——原子的诞生现代大爆炸宇宙学理论认为，我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸，大爆炸后约2小时，诞生了大量的氢、少量的氦以及极少量的锂。其后，氢、氦等原子核发生熔合反应，其他元素分期分批地诞生。然而，尽管宇宙的历史已有137亿年，氢仍然是宇宙中最丰富的元素，约占所有原子总数的88.6%，氦约为氢原子数的1/8，它们加在一起占宇宙原子总数的99%以上，其他90多种天然元素的原子的总和不足1％。如今，所有恒星，包括太阳，仍在时时刻刻地合成已知的原子。我们居住的地球的年龄已有46亿年了，地球上的元素绝大多数是金属，非金属（包括稀有气体）仅22种。1－2能层与能级我们已经知道，多电子原子的核外电子的能量是不同的。根据电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层，并用符号K、L、M、N、O、P、Q……，表示相应的一、二、三、四、五、六、七……等能层。例如，钠原子有11个电子，分布在3个不同的能层上，第一能层上分布2个电子，第二能层上分布8个电子，第三能层上分布1个电子。理论研究已经证明，原子核外每一能层可容纳的如下：能层一二三四五六七……符号KLMNOPQ……28183250……理论研究还证明，多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级。正好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。能级的符号和可能容纳的如下：能层KLMNO能级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p……226261026101426……在每一能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……(n是代表该能级所在的能层)。任一能层的能级总是从s能级开始，而能级数等于该能层序数，如第一能层只有1个能级（1s）,第二能层有2个能级（2s和2p）,第三能层3个能级（3s,3p和3d）,依次类推；以s、p、d、f、……排序的各能级可容纳的的规律十分简单——按奇数1，3，5，7……顺序的二倍！元素element原子atom大爆炸bigbang氢hydrogen氦helium金属metal非金属nonmetal原子结构atomicstructure电子electron能层shell能级level能量energy科学史话（加图标）早在1815年有个名叫普鲁特（W.Prout）的人就曾经预言过，氢是所有元素之母。不过，他的预言没有任何根据，100多年来一直遭人嘲笑。普鲁特的预言只是一种思辨性的推测。他认为，既然氢最轻，它就可能是一切其他元素之母。尽管他的思辨性推测后来得到宇宙理论的证实，然而，思辨性推测的预言决不是科学。科学假设不同于思辨性推测，须以已有科学事实和理论为依据，更须用系统地科学观察和实验来证实。实证是科学的基本特征。【学与问】1．原子核外电子的每一个能层最高可容纳的电子数与能层的序数（n）间存在什么关系？2．每一能层有多少个能级，跟能层的序数（n）间存在什么关系？3．英文字母相同的能级中可容纳的是否相同？1－3构造原理我们已初步知道了原子核外电子的排布，但对多电子原子来说，原子的核外电子排布又遵循什么规律呢？知道了原子核外电子的能层和能级可容纳的，是否就可以得出各种原子的电子排布呢？如果原子的核外电子完全按能层排布，建造完一个能层再开始建造下一个能层，从第三能层开始，最外层电子数就会超过8！这和我们以前学的“原子的最外层电子数不会超过8”相矛盾。那末，如何认识多电子原子的核外电子排布规律呢？原来，随着原子的核电荷数递增，绝大多数元素的原子核外电子的排布将遵循下图的排布顺序：图1-1构造原理人们把这张图称为构造原理。根据构造原理，只要我们知道原子序数（＝核电荷数），就可以写出几乎所有元素原子的电子排布。下面是1－37号元素的电子排布，表中能级符号右上角的数字是该能级上排布的电子数。原子序数元素名称元素符号电子排布KLMNO1氢H1s12氦He1s23锂Li1s22s1构造原理Aufbauprinciple电子排布electronicconfiguration4铍Be1s22s25硼B1s22s22p1……10氖Ne1s22s22p611钠Na1s22s22p63s112镁Mg1s22s22p63s213铝Al1s22s22p63s23p1……18氩Ar1s22s22p63s23p619钾K1s22s22p63s23p64s120钙Ca1s22s22p63s23p64s221钪Sc1s22s22p63s23p63d14s2……26铁Fe1s22s22p63s23p63d64s2……30锌Zn1s22s22p63s23p63d104s231镓Ga1s22s22p63s23p63d104s24p1……36氪Kr1s22s22p63s23p63d104s24p637铷Rb1s22s22p63s23p63d104s24p65s1……【思考与交流】1．在元素周期表里查出铜的电子排布，它是否符合构造原理？2．为了简化电子排布的表达式，可把钠原子的电子排布式写成[Ne]3s1。请思考：上式方框号里的符号的意义是什么？你能仿照钠原子的简化电子排布式写出氧、硅和铁的电子排布式吗？3．讨论和预测：若构造原理对第七、八周期仍然有效，预测的第七周期和第八周期有多少个元素。1－4能量最低原理·基态与激发态·光谱现代物质结构理论证实，电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。最低能量的原子叫做基态原子。当基态原子的电子吸收能量时，电子会从低能级跃迁到较高能级，变成激发态原子；相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。电子跃迁时吸收或释放的能量的形式之一是光（辐射）。在日常生活中，我们看到的许多可见光，如太阳光、灯光、霓虹灯光、焰色反应、焰火……正是原子核外电子发生跃迁释放的。直到20世纪初，人们才认识到，原子核外电子在低能级和高能级间的电子跃迁，是原子光谱的产生的原因。原子光谱是建立原子结构理论的重要实验基础。科学史话（加图标）光谱一词最早是由伟大的物理学家牛顿（IssacNewton，1643－1727）提出来的。1672年，牛顿在英国的自然科学会刊上发表一篇论文，作了如下描述：“…在1666年之初，…我物色到一块三角形的玻璃棱镜，…我把屋子遮黑，在窗户遮挡物上开个小孔，引入太阳光，并通过三棱镜把太阳光折射到对面的墙壁上。起先，我看到墙上出现的鲜艳而强烈的颜色，觉得是一种娱乐。后来，引起我的深思：根据折射定律，预计它应是环形的，可我看到的却是长方形的，我感到惊奇，……。”牛顿创造了“光谱”一词来表达他见到的现象。顺便提及，牛顿同时还类比音乐音阶，选定红、橙、黄、绿、青、蓝、紫为“七基色”。这种类比的“七基色”尽管并非绝对可靠，却一直沿用至今，说明“类比”不失为一种科学思维方法。1859年，德国科学家本生和基尔霍夫发明了光谱仪，摄取了当时已知元素的光譜图，测定了光谱图中的譜线的波长。某些元素的光谱图如下：（注：制作这些图谱最好直接从下述网站的网页上获取图谱）图1－2锂、氦、汞的发射光谱图1－3锂、氦、汞的吸收光谱光谱可分为吸收光谱和发射光谱,总称原子光谱。在历史上，许多元素是通过原子光谱发现的，如铯（1860年）和铷（1861年），它们的光谱图中分别有特征的蓝光和红光，铯和铷的拉丁文原义就是蓝和红；又如稀有气体氩的拉丁文原义是“太阳元素”，是1868年分析太阳光谱发现的，起先人们以为它只存在于太阳，后来才在地球上发现。在现代化学中，经常用原子光谱的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。1912年丹麦科学家玻尔（NielsBohr，1885－1962）第一次认识到氢原子光谱是氢原子的电子跃迁产生的，并通过纯粹的理论计算得到氢原子光谱的谱线波长，跟实验结果几乎完全相同，世界为之震惊，原子结构理论发生翻天复地的发展，人类历史从此进入了原子时代。光谱spectrum图1－4用光谱仪测定氢气放电管发射的氢的发射光谱注：请将图中英文改为：Slits罅缝Prism棱镜Gas…hydrogen氢气放电管习题①1．以下能级符号，正确的是：A.6sB.2dC.3fD.7p2．以下电子排布式是不是基态原子的电子排布？若不是，又是什么？A.1s12s1B.1s22s12p1C.1s22s22p63s2D.1s22s22p63p13．按构造原理写出第9、17、35号元素的基态原子的电子排布式。它们的核外电子分别有几层？最外层电子数分别为多少？4．在元素周期表里找出钠和硫，按构造原理写出它们的电子排布式，并借以预言它们的最高化合价和最低化合价。5*.登陆网站点击该网页上呈现的元素周期表上的H（氢），再点击网页左侧的Electronicconfiguration(电子排布)，然后不断点击出现在网页中央①标有“*”的习题是为有兴趣的同学设计的，不属于本书的基本要求。信息搜索（加图标）打开网页，出现一张元素周期表，点击表中的Emission或Absorption，再点击表中任一元素（次序颠倒也可），可分别得到该元素的发射光谱和吸收光谱。你能区分放射光谱和吸收光谱吗？你的判据是什么？的图上的atomicnumber(原子序数)下面的箭头“”，观察图形的变化，直至原子序数上升到37为止，然后不断点击箭头“”，继续观察图形的变化。点击时相继出现的黄色标记“I”代表什么？它们在图中的位置跟我们学到的能级有什么联系？（如果你愿意，还可点击图中的“I”，然后从头开始）。下图是点击到原子序数为5的图形：6*.登陆网站点击该网页上呈现的元素周期表上的Rb(铷)和Cs（铯），并点击网页左侧的“History”，从新出现的网页上查找：这两个元素是什么年代发现的？它们的拉丁文的原义是什么？7*、在我国许多地方可以见到人们使用一种“气灯”，用乙炔气（俗名电石气）燃烧产生火焰，用含99％氧化钍（ThO2）、1％氧化铈(CeO2)和微量氧化钇（Y2O3）等氧化物的“纱罩”笼罩，发白光，用以照明。这种白光可以近似地看作是钍（Th）、铈（Ce）和钇（Y）的原子放射光谱。登陆网站，将这些原子的发射光谱加和起来，你能否理解将看到“白光”？第2节元素周期性2－1原子结构与元素周期系原子的核电荷是从小到大地线性递增的，而元素的性质却是随核电荷数递增周期性地递变的。这是为什么？原子结构的知识回答了这个问题。让我们一起来探究：门捷列夫周期表每一周期的第一个元素（除第一周期外），是锂、钠、钾、銣、铯、钫