第一章物质结构基础

-1-第一章物质结构基础课时目标【知识教学目标】1．掌握原子的组成；描述原子核外四个量子数的意义及取值规则；原子轨道能级、能级组、能级图的概念；原子核外电子排布三原则指导下的核外电子排布式、轨道表示式及价电子层结构式的书写；元素周期律的概念；元素电子的电子层结构与周期表结构的关系；元素性质的周期性变化。2．熟悉质量数、同位素、平均原子量的概念；电子云、原子轨道的含义。3．了解放射性同位素的应用，屏蔽效应和钻穿效应。【能力培养目标】1．具有根据原子结构分析元素性质的能力。2．根据元素原子结构和元素性质的变化，培养从变化的事物中发现变化规律的能力。3．通过原子结构的学习，培养抽象思维的能力。重点描述原子核外四个量子数的意义及取值规则；原子核外电子排布；元素的周期性及元素的电子层结构与周期表结构的关系。难点四个量子数的意义及取值规则教学方法讲授、讨论课时数10使用教具多媒体课件和轨道模型参考资料1．《无机化学》北京师范、华中师范、南京师范等校合编，高等教育出版社。面向21世纪课程教材。2．《无机化学》黄南珍主编，人民卫生出版社。全国高等职业技术教育卫生部规划教材。3．《大学基础化学》北京大学《大学基础化学》编写组，高等教育出版社。普通高等教育“九五”国家教委重点教材。4．《无机化学》侯新初主编，中国医药科技出版社。普通高等专科教育药学类规划教材。5．《无机化学》巫碧辉主编，上海科学技术出版社，高等医药院校教材。教学体会本章内容复杂、抽象、深奥，是本门课程的一个难点知识。理科生由于中学阶段学习了一些这方面的知识，相对好些，但文科生就很困难。教学中着重考虑如何将知识具体化、形象化，化繁为简、深入浅出。电子运动特殊性和轨道等知识则能简则简，告诉学生医药学专业不需要深究为什么是这样的图形？关键在于结果的实际应用。对核外电子排布、电子构型与性质的关系、周期性、量子数的描述意义和数值含义等重难点知识多增加互动，以把握学生掌握的程度，调整教学进度。-2-第一章物质结构基础第一节核外电子的运动状态一、原子核外电子的运动(一)元素原子序数1．元素元素是原子核里质子数(即核电荷数)相同的一类原子的总称。例如：C有质量为12、13、14的三种原子，他们的质子数都是12，所以他们都是C元素。2．原子序数元素按核电荷数由小到大排列成序，形成的原子序号称为原子序数。例如：H的核电荷数是1，它的原子序号为1，其原子序数也为1。(二)原子的组成原子序数=核内质子数=核电荷数=核外电子数原子的质量=质子数＋中子数原子组成中粒子间的关系：质子Z个原子原子核｛中子(A—Z)个核外电子Z个一、核外电子的运动(一)电子云用统计的方法，得到核外电子运动的一个空间图象，这个图象好象原子核外笼罩着一团电子形成的云雾，这就是所谓的“电子云”。图1-1氢原子核外电子云图。(二)电子运动状态的几种主要图象表示1．电子云角度分布图电子运动分布除与离核距离有关外，还与空间角度有关，则核外电子的概率密度分布随空间角度变化而变化的图形叫电子云角度分布图。-3-图1-2原子核外电子云角度分布图电子云角度分布图的形状为：s像球形，p像哑铃形，d像花瓣形，f比较复杂。注意：该图形是立体空间图形。不能用叙述平面结构的词描述。例如：s形状的电子云是圆，p形状的电子云是∞。这种说法都是错误的。2．原子轨道的角度分布图对核外电子的运动，以空间不同角度上对应的波函数值ψ做图，得到的函数图形叫原子轨道的角度分布图。图1-3原子核外电子的轨道分布图-4-原子轨道角度分布图和电子云角度分布图比较可知，两种图形的形状很相似，出现极大值的方向也相同。但原子轨道角度分布图中有正负号，且比对应的电子云角度分布图“瘦”。练习题：请同学们说出下列两个图形分别代表什么意思？并做出比较。电子云角度分布图和原子轨道角度分布图是最重要的一种图形。3．电子云径向分布图(壳层概率分布)核外电子出现的概率密度分布随着离核距离的变化而变化的关系图叫电子云径向分布图。图1-4基态氢原子的径向分布图4．等概率密度图将核外空间概率密度值相等的各点连成曲面，称等密度面，核外电子在一定单位内的一系列等密度面构成等密度面图。如氢原子1s轨道的等密度面图1-5氢原子的等概率密度面图从图中数值可以看出，原子核附近的球面电子出现的几率密度最大。-5-二、核外电子运动状态的描述核外电子的运动状态可以用n、ι、m、ｍs四个量子数来描述。(一)主量子数(n)—电子层数主量子数n是用来表示核外电子运动离核远近的数值。取值范围是除0以外的正整数，即n=1，2，3，……∞，每个n值对应一个电子层，电子层也习惯上用K、L、M、N……等字母表示。n=1、2、3、4……电子层：K、L、M、N……n值越小，表示电子运动区域离核越近，电子受核的引力越大，电子的活跃性越低，能量就越小，反之也成立。因此，量子数n不仅能表示电子运动离核距离的远近，也是反映电子能力高低的主要参数。(二)副量子数(ι)—电子亚层副量子数(ι)又称角量子数。副量子数ι是用来描述电子云形状的数值。取值范围是小于n的正整数值(包括0)。即ι=0，1，2，3……(n-1)，相应的也可以用s、p、d……等符号表示各值。每一个电子层中，电子亚层的数目和电子层数相等。表1-1ι与n的取值关系、轨道符号、轨道形状n值ι取值轨道符号电子亚层符号轨道形状10s1ss为球形对称20、1s、p2s、2pp为哑铃形30、1、2s、p、d3s、3p、3dd为花瓣形n0、1、2、3……(n-1)………………ι是决定轨道能量的又一重要参数。(三)磁量子数(m)—电子云的伸展方向同一电子亚层中，电子云的形状相同，可电子云伸展的空间位置方向各不相同。磁量子数m就是用来描述电子云在空间的伸展方向的数值。取值范围是当副量子数ι一定时，m可以取从+ι到-ι并包括0在内的整数值。即m=0，±1、±2……±ι。n、ι、m三个参数可以描述一个原子轨道。m与能量无关，决定能量的参数是n、ι，决定电子运动轨道的参数是n、ι、m。(四)自旋量子数(ms)—电子自旋原子中的电子不仅围绕着原子核运动，也围绕着本身的轴转动，这种转动叫做电子的自旋。ms就是用来描述电子自旋方向的数值。电子的自旋有顺时针和逆时针两种自旋方向，因此ms只有2个值：+1/2、-1/2；通常也用“↑”和“↓”的箭头表示。自旋量子数ms表明每一个原子轨道中最多能容纳2个电子，n、ι、m、ms四个量子数确定后，电子的运动状态才得以确定。四个量子数之间的数值关系为：表1-2n、ι、m、ms的数值关系主量子数（n）123副量子数(ι)001012磁量子数(m)000±100±10±1±2亚层轨道数(2ι+1)113135电子轨道数2n149电子数22n2818-6-练习题：请同学们判断下列说法是否正确？(1)主量子数为1时，有自旋相反的两条轨道。(2)在第4电子层上有4s、4p、4d、4f四种轨道。请同学们指出ι=2，m=0，±1，±2的含义。三、原子核外电子的排布(一)电子分布与能级图排布核外电子时，必须先清楚原子核外轨道的分布情况，而轨道分布取决于它所具有的能量高低，那么原子核外轨道的能量大小是怎样的呢？1．原子轨道能量比较（1）能级每一个电子层上的某一亚层就是一个能级。能级总是按照能量高低的顺序排列的。能级表示：先用数字写出能级的电子层数，随后用相应字母写出电子亚层，合起来就是某一个能级。例如：1s、2p、3d等分别代表不同的能级。（2）能级组在原子轨道能级中，将(n+0.7ι)的整数值相同的能级归为一组，从而把能级又划分为若干个组，每一组就是一个能级组。整数值为1的称第1能级组，为2的称第2能级，依次类推，能级组数等于核外电子层数。能级组也是按照由高到低的顺序排列的，这种排列图叫能级图，其中一个虚线框表示一个能级组，由图中我们看到每一个能级组都是从s能级开始，p能级结束。图1-6原子轨道能级图（3）能级能量高低比较①当n值不同，ι值相同时，n愈大，能级的能量E愈高。例如：1s2s3s4s……②当n值相同，ι值不同时，ι值愈大，能级的能量愈高。例如：4s4p4d4f……-7-③当n、ι都不同时，可由公式E=n+0.7ι求算，或者是通过能级图确定。例如：4s〈3d因为E4s=4＋0.7×0=4E3d=3＋0.7×2=4.4(4)钻穿效应和屏蔽效应通过计算或者是从能级图上我们可以得到E(4s)E(3d)、E(5s)E(4d)、E(5p)E(4f)等，它们都是电子层数高，而能量反而低，这种现象叫做能级交错，产生能级交错的原因有两个：钻穿效应和屏蔽效应。(1)屏蔽效应核外其余电子对某一电子的排斥作用，可认为它们屏蔽或削弱了核对该电子的吸引作用，此作用称为屏蔽效应。内层电子对外层电子才有屏蔽作用。屏蔽使电子离核更远。所以4d能量反而高于5s。(2)钻穿效应外层电子具有渗入原子内部空间而更靠近核的本领称为钻穿效应。钻穿使电子离核更近，电子的能量也就更低，所以4s能级反而低于3d。请同学们指出5f和6s谁的能量高？它们分别在哪一能级组？(二)核外电子的排布实验结果和理论推导说明，原子核外的电子不是随意堆放在核外的，它们是遵循一定的原理和规则排布在核外空间做高速运动的。1．保利不相容原理因为处于同一轨道(有三个相同量子数)内的两个电子必然自旋相反，即三个量子数相同，第四个就不可能相同。因此核外运动的电子不可能有四个量子数完全相同的，这就是保利不相容原理。因为同一轨道的两个电子，如果自旋方向相同，它们彼此互相排斥，不能同处于一个轨道，而自旋不同时，产生的磁场方向相反，彼此相吸，得以共存。2．能量最低原理(1)能量最低原理由于正负电性的吸引，电子会尽量靠近带正电的原子核，因此在不违背保利不相容原理的情况下，电子总是处在能量较低的轨道上，这就是能量最低原理。我们排布电子时，应该先排能量低的轨道，当排满后再依次进入能量高的轨道。根据能量最低原理，电子填入原子轨道的顺序如下图。图1-7电子进入原子轨道的能级顺序图(2)电子排布的表示-8-①电子排布式表示原子核外各亚层中电子的分布情况。先写出各能级，在每一能级的右上角用数字代表亚层中的电子数。例如：氟F电子排布式为1s22s22p5②轨道表示式每个短线代表一个轨道，每个箭头代表一个电子，进行电子填充时按照由高到低的顺序，由左向右填入。上层为能级排布，下层为对应轨道中电子排布，合起来就是轨道表示式。例如：氟F轨道表示式为1s2s2p↑↓↑↓↑↓↑↓↑③原子实表示式内层电子构型与稀有气体的电子构型相同的那部分与实体叫原子实，常用方括号内写上该稀有气体的符号表示。例如：氟F原子实表示为[He]2S22P53.洪特规则(1)洪特规则①等价轨道：具有相同的主量子数n和副量子数ι，它们彼此间叫等价轨道或简并轨道，它们的能量相同。np有3个等价轨道，nd有5个等价轨道，nf有7个等价轨道。②洪特规则根据前面原理，C原子2p亚层上的2个电子的轨道表示有如下三种(1)(2)(3)2Px2Px2Py(或2Pz)2Px2Py(或2Pz)↑↓↑↓↑↑洪特实验结果表明，处在等价轨道上的电子，应尽量分占不同的轨道，而且自旋方向相同。因此，C原子核外电子的轨道表示式为：C1S2S2P↑↓↑↓↑↑(2)洪特规则补充对于24号元素Cr,它的电子排布式应是1s22s22p63s23p63d44s2，29号元素Cu，它的电子排布式是1s22s22p63s23p63d94s2。但根据光谱实验结果，Cr最后两能级上电子排布是3d54s1，Cu最后两能级上是3d104s1。因此洪特规则补充表明，当等价轨道中的电子处于半充满、全充满或全空状态时更稳定。半充满p3d5f7全充满p6d10f14全空p0d0f0大多数元素的电子层结构能满足核外电子排布的三个规律，但有少数例外，如41Nb、44Ru、78Pt等及一些镧系和锕系元素。对于这些例外，尚无确切的解释，它们的排布由光谱实验结果确定。元素的基态原子电子层结构见表1-3。1-3基态原子的电子层结构-9-周期原子序数元素名称化学符号电