第6章原子结构与元素周期律

第六章原子结构与周期表6.1近代原子结构理论的确立6.2微观粒子运动的特殊性6.3核外电子运动状态的描述6.4核外电子排布6.5元素周期表6.6元素基本性质的周期性教学内容1．初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念.2．了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范围.3．熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向.4．理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点.5．会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化.教学要求6.1.1原子结构理论的发展简史•一、古代希腊的原子理论•二、道尔顿(J.Dolton)的原子理论---19世纪初•三、卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型---19世纪末•四、近代原子结构理论---氢原子光谱6.1近代原子结构理论的确立古希腊原子论Democritus(460-370B.C)内容:宇宙由虚空和原子构成;每一种物质由一种原子构成;原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。原子是化学上最重要、使用最频繁的术语之一,原是希腊语中意为“不可再分”意思.道尔顿原子论要点：1.每一种化学元素有一种原子；2.同种原子质量相同，不同种原子质量不同；3.原子不可再分；4.一种原子不会转变为另一种原子；5.化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。6.1.2化学原子论-----道尔顿原子论道尔顿(DaltonJ)于1805年提出了第一个现代原子论道尔顿原子论的试验基础是对化学物质的定量测定。1785年拉瓦锡（法国）-质量守恒定律；1797年李希特（）-当量定律；1805年道尔顿（英国）-倍比定律。6.1.3道尔顿原子论的贡献道尔顿用符号来表示原子,是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。氧氢氮碳磷硫钾钡水一氧化氮二氧化硫甲烷氢氧化钾碳酸钡道尔顿提出了原子量的概念，并用实验测定了一些元素的相对原子质量。为贝采里乌斯原子量和元素符号奠定了坚实的基础，极大地推动了化学的发展。具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）元素。按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的1摩尔原子。补充相对原子质量（原子量）元素、原子序数和元素符号核素——具有一定质子数和一定中子数的原子（的总称）。元素——具有一定质子数的原子（的总称）。同位素——质子数相同中子数不同的原子（的总称）。同量异位素——核子数相同而质子数和中子数不同的原子（的总称）。同中素——具有一定中子数的原子（的总称）。核素、同位素和同位素丰度已知的核素品种超过2000种。有两类核素：一类是稳定核素，它们的原子核是稳定的；另一类是放射性核素，它们的原子核不稳定，会自发释放出某写亚原子微粒（α、β等）而转变为另一种核素。在自然界，有的元素只有一种稳定核素（不计人造放射性同位素），称为单核素元素，有的元素有几种稳定核素（半衰期特别长的天然放射性同位素也常认作稳定核素），称为多核素元素。核素稳定核素不稳定核素自然界的元素单核素元素多核素元素通常用元素符号左上下角添加数字作为核素符号.核素符号左下角的数字是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。如具有相同核电荷数、不同中子数的核素属于同一种元素，在元素周期表里占据同一个位置，互称同位素。如：HO11168,HHHOOO312111188178168,,;,,同位素丰度:某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）补充：原子的质量以原子质量单位u为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。1u等于核素12C的原子质量的1/12。有的资料用amu或mu作为原子质量单位的符号，1u等于多少?取决于对核素12C的一个原子的质量的测定。最近的数据是：1u=1.660566（9）x10-24g核素的质量与12C的原子质量1/12之比称为核素的相对原子质量。核素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（长期以来称为原子量）。根据国际原子量与同位素丰度委员会1979年的定义，原子量是指一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩尔质量的1/12的比值。这个定义表明：元素的相对原子质量（原子量）是纯数。单核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的核素的相对原子质量。多核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。加权平均值加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用Ar代表多核素元素的相对原子质量，则：Ar=ΣfiMr,i式中：fi——同位素丰度；Mr,i——同位素相对原子质量6-1-2氢原子结构的行星模型-波尔模型自然界的连续光谱氢原子光谱实验室的连续光谱电磁波连续光谱氢原子光谱（一）氢原子光谱特点1.不连续的线状光谱2.谱线频率符合=RH式中，频率(s-1),里德堡常数R=3.2891015s-1n1、n2为正整数，且n1n2n1=1紫外光谱区（Lyman系）；n1=2可见光谱区（Balmer系）；n1=3、4、5红外光谱区（Paschen、Bracker、Pfund系）)121(122nRvH巴尔麦(J.Balmer)经验公式:波数(波长的倒数=1/,cm-1).n:大于2的正整数.RH：也称Rydberg常数,RH=R/cRH=1.09677576107m-11913年，丹麦物理学家N.Bohr提出。根据：M.Planck量子论（1890）；A.Einstein光子学说（1908）；D.Rutherford有核原子模型。氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，这个电子核外是怎样运动的？6.1.3玻尔理论？Bohr理论的主要内容物理学家玻尔提出的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：1关于固定轨道的概念.电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动.因此，玻尔的氢原子模型可以形象地称为行星模型。固定轨道是指符合一定条件的轨道,这个条件是,电子的轨道角动量L只能等于h/(2)的整数倍：2hnmvrL式中m和v分别代表电子的质量和速度,r为轨道半径,h为普朗克常量,n叫做量子数,取1,2,3,…等正整数.轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约.根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53pm,这就是著名的玻尔半径.2关于轨道能量量子化的概念.电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化.即原子只能处于上述条件所限定的几个能态.指除基态以外的其余定态.定态(stationarystate)：所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量.基态(groundstate):n值为1的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态.基态是能量最低即最稳定的状态.激发态(excitedstates):玻尔模型认为,只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时,原子才能以光子的形式放出能量,光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差.根据普朗克关系式,该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：3关于能量的吸收和发射.ΔE=E2－E1=hν如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道,显然应从外部吸收同样的能量.12EEhE:轨道的能量；ν：光的频率；h:Planck常数6.626x10-34J.S1-22212221222118182221181-22211534ctron13.6eV.ele:BeV11eV1113.60eV1110242.610179.2J1110179.2s1110289.3sJ10626.6氢原子基态能量nnBnnnnnnnnhvE●计算氢原子的电离能波尔理论的成功之处●解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱WavetypeHαHβHγHδCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2●说明了原子的稳定性●对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释●不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂波尔理论的不足之处●不能解释氢原子光谱的精细结构●不能解释多电子原子的光谱•波动性——衍射、干涉、偏振…•微粒性——光电效应、实物发射或吸收光……（与光和实物互相作用有关）例：能量E光子=h=mc2动量p=mc=E/c=hv/c=h/E光子,p—微粒性,—波动性通过h相联系6.2.1波粒二象性6.2微观粒子运动的特殊性6.2.2德布罗意关系式--微粒的波动性●微粒波动性的直接证据—光的衍射和绕射●德布罗意关系式sJ10626.6//34hphmvhh为Planck常量灯光源电子、质子、中子、原子、分子、离子等实物粒子的波长1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.(a)(b)电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图●微粒波动性的近代证据—电子的波粒二象性KVDMP实验原理灯光源X射线管电子源1927年WernerHeisenberg（海森堡）提出。测不准原理—测量一个粒子的位置的不确定量x,与测量该粒子在x方向的动量分量的不确定量px的乘积，不小于一定的数值。即：xpxh/4（1-14）或:p=mv,px=mv,得:显然，x,则px;x,则px;然而，经典力学认为:x和px可以同时很小。xmh46.2.3海森堡不确定原理微观运动粒子在一确定的时间没有一确定的位置概率!!!!!!!量子力学(波动力学)模型是迄今最成功的原子结构模型,它是1920年以海森堡(HeisenbergW)和薛定锷(SchrodingerE)为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的.该模型不但能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无法解释的谱线),而且也适用于多电子原子,从而更合理地说明核外电子的排布方式.HeisenbergWSchrodingerE6.3氢原子的量子力学模型处于不同定态的电子的电子云图像具有不同的特征：◆电子云的形状-处在一定能层而又具有一定形状电子云的电子称为能级(energylevel)如:1s、3s、3p、3d、4f…能级。对于第一层只有一种形状(s),第二层有两种(s、p)，第三层有三种（s、p、d）◆电子云在核外空间扩展程度-扩展程度越大的电子云所对应的电子能量越高.核外电子的能量大小分层称为能层(energyshell)，如K、L、M、N…能层.◆电子云在空间的取向-轨道（orbital）电子在核外空间概率密度较大的区域。对于s电子云，取向为1，p为3，d为5，f为71、电子云是电子在原子核外空间概率密度(微小区域内出现的概率)分布的形象描述xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_电子云图像2、电子的自旋：自旋只有2种相反的方向-顺时针和逆时针方向。◆原子核外电子可能的运动状态总结3、核外电子可能的运动状态：具有一定空间运动状态又有一定自旋状态的电子称为具有一定运动状态的电子。能层能级轨道数可能空间运动状态可能运动状态数第一能层（K）1s112第二能层（L）2s、2p1+3=41+3=42+6=8第三能层（M）3s、3p、3d1+3+5=91+3+5=92+6+10=18第四能层（N）4s、4p、4d、4f1+3+5+7=161+3+5+7=162+6+10+14=32第五