原子的电子层结构和元素周期律

第二章原子结构第一节核外电子运动的特殊性一、历史回顾二、核外电子运动的特殊性三、波函数四、电子云五、四个量子数第二节核外电子排布规律一、多电子原子轨道能级二、核外电子排布原理第三节原子的电子层结构和元素周期律一、原子结构与元素周期律的关系二、元素性质的周期性内容提要1.掌握用四个量子数描述核外电子运动状态的方法。2.掌握核外电子的排布及原子结构与元素周期系的关系。掌握元素某些性质的周期性。3.熟悉波函数、原子轨道、电子云的概念，熟悉原子轨道和电子云的角度分布图。4.了解核外电子运动的特殊性。了解多电子原子产生能级交错的原因。教学基本要求历史回顾核外电子运动的特殊性波函数电子云四个量子数一二三四五第一节核外电子运动的特殊性(一)道尔顿(J.Dolton)的原子理论---19世纪初一、历史回顾(二)汤姆逊发现带负电荷的原子(三)卢瑟福的行星式原子模型(四)近代原子结构理论-----玻尔原子模型第一节核外电子运动的特殊性道尔顿认为：1.一切物质都是原子组成，原子不能再分割；2.同一种元素的原子在质量、形态等方面完全相同；第一节核外电子运动的特殊性3.原子以简单的比例结合成化合物；汤姆逊原子模型通过阴极射线的偏转实验，发现了带有负电荷的电子，从而打破了原子不可分割的观点。人们对物质结构的认识开始进入了一个重要发展阶段。第一节核外电子运动的特殊性卢瑟福原子模型“行星模型”或有核原子结构模型。该模型中，把微观的原子看成“太阳系”，带正电的原子核好比“太阳”，电子在原子核外绕核旋转，就象行星绕着太阳运动一样。原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量。第一节核外电子运动的特殊性玻尔的氢原子模型1.氢原子结构理论的基本假说n=1n=2n=3n=4：表示辐射光的频率：表示普朗克常数：表示能量hEEEhE12（2）跃迁（3）不连续（1）分层第一节核外电子运动的特殊性1)行星模型:假定氢原子核外电子处在一定的线性轨道上绕核运行，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。2)量子化条件:玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的。3)定态假设:基态激发态跃迁第一节核外电子运动的特殊性2.玻尔理论解决的问题（1）原子的稳定性（2）阐明了氢原子光谱的不连续性氢原子光谱的一部分第一节核外电子运动的特殊性(一)微观粒子的波粒二象性微观粒子既具有波的性质又具有粒子的性质称为波粒二象性。电子就是具有粒子性和波动性这样双重性质的物质。P=mc=h/c=h/二、核外电子运动的特殊性电子衍射实验，得到一系列明暗相间的环──衍射环纹，证实电子具有波动性。第一节核外电子运动的特殊性2.不确定原理微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量测不准原理来源于微观粒子运动的波粒二象性，是微观粒子的固有属性。电子的位置虽然测不准,但可以知道它在某空间附近出现的几率，因而可以用统计的方法和观点,考察其运动行为，用电子出现在核外空间各点的几率分布图来描述。第一节核外电子运动的特殊性•1926年薛定谔建立了著名的描述微观粒子运动状态的量子力学波动方程：－量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即原子轨道E－轨道能量m—微粒质量h—普朗克常数x,y,z为微粒的空间坐标(x,y,z)波函数0)(822222222VEhmzyx三、波函数第一节核外电子运动的特殊性用波函数的数学形式描述核外电子的运动状态不如用其图像更直观，常用原子轨道的角度分布图来描述核外电子的运动状态，波函数的角度分布图又称为原子轨道的角度分布图0)(822222222VEhmzyx第一节核外电子运动的特殊性第一节核外电子运动的特殊性原子轨道的角度分布图四、电子云电子的波函数的意义比较好的解释是统计解释，量子力学引入了电子云的概念。电子云的物理意义：黑点较密的地方表示电子出现的机会多。第一节核外电子运动的特殊性电子云的角度分布图电子云的角度分布图比波函数的角度分布图略“瘦”些。电子云的角度分布图没有‘’‘’。作为波函数的符号，它表示原子轨道的对称性，因此在讨论化学键的形成时有重要作用。原子轨道的角度分布图有‘’‘’。这是根据的解析式算得的。它不表示电性的正负。第一节核外电子运动的特殊性薛定谔方程式的解为系列解，每个解都有一定的能量E和其相对应，且每个解ψ都要受到三个常数n，l，m的规定。称n，l，m为量子数。主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数ms1234五、四个量子数第一节核外电子运动的特殊性(一)主量子数n取值：n=1，2，3，……；物理意义：n值的大小表示电子的能量高低。n值越大表示电子所在的层次离核较远，电子具有的能量也越高。对于n=1，2，3，…分别称为第第一能层，第二能层，第三能层…n12345·对应电子层第一层第二层第三层第四层第五层·第一节核外电子运动的特殊性(二)角量子数l取值：l=0，1，2，……n-1；物理意义：l表示电子云的形状。角量子数01234亚层符号spdfg轨道形状球形哑铃型花瓣型第一节核外电子运动的特殊性主量子数与角量子数的关系n1234电子层第一第二第三第四l0010120123亚层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f第一节核外电子运动的特殊性(三)磁量子数m取值：m=-l，…-2，-1，0，1，2，…l，意义：m表示电子云在空间的伸展方向。每一个m值代表一个伸展方向、电子轨道或原子轨道。磁量子数与能量无关。n=1l=0n=2l=0l=1m=0m=0m=1m=-1m=01条轨道4条轨道第一节核外电子运动的特殊性磁量子数mn=3l=0l=1l=2m=0m=1m=-1m=0m=1m=-1m=0m=2m=-29条轨道第一节核外电子运动的特殊性磁量子数与角量子数的关系l值m值轨道l=0（s亚层）m=0只有一种伸展方向，无方向性l=1（p亚层）m=+1，0，-1三种伸展方向，三个等价轨道l=2（d亚层）m=+2，+1，0，-1，-2五种伸展方向，五个等价轨道l=3（f亚层）m=+3，+2，+1，0，-1，-2，-3七种伸展方向，七个等价轨道第一节核外电子运动的特殊性第一节核外电子运动的特殊性量子数与对应的原子轨道n（电子层）123l（亚层）0（s）0（s）1（p）0（s）1（p）2（d）m（轨道）000+1-100+1-10+1-1+2-2原子轨道1s2s2px2py2pz3s3px3py3pz3d轨道数149ms=1/2,表示同一轨道中电子的两种自旋状态每一电子层中可容纳的电子总数为2n2。第一节核外电子运动的特殊性取值：2121，(四)自旋量子数ms电子平行自旋：电子反平行自旋：↑↓↑↑电子的运动状态有了四个量子数，就可以描述原子中某一电子的运动状态。描述一个原子轨道要用三个量子数，而描述一个原子轨道上运动的电子，要用四个量子数。第一节核外电子的运动的特殊性四个量子数n，l，m，ms量子数小结主量子数n决定原子轨道半径的大小（即电子层）和电子的能量角量子数l决定电子运动区域或电子云形状同时也影响电子的能量磁量子数m决定电子运动区域或电子云在空间的伸展方向自旋量子数ms决定电子的自旋状态（或自旋方向）第一节核外电子运动的特殊性多电子原子中，原子轨道之间相互排斥，使主量子数相同的各轨道的能级不再相等.因而，多电子原子中的轨道能量由n，l决定。鲍林近似能级图一、多电子原子轨道能级第二节核外电子排布规律第七组7s5f6d7p第六组6s4f5d6p第五组5s4d5p第四组4s3d4p第三组3s3p第二组2s2p第一组1s七个能级组第二节核外电子排布规律1.轨道能及轨道能级相对高低由n和l同时决定：（1）角量子数相同，主量子数大的能量高E1s＜E2s＜E3s＜E4s第二节核外电子排布规律（2）主量子数相同,角量子数大的能量高Ens＜Enp＜End＜Enf（3）主量子数和角量子数均不同时,出现能级交错现象。Ens＜E(n-2)f＜E(n-1)d＜Enp如第二节核外电子排布规律2.屏蔽效应和钻穿效应—能级交错产生的原因（1）屏蔽效应：指定电子因受其他电子的排斥，使其感受到的核电荷减小的作用。第二节核外电子排布规律外层电子对内层电子无屏蔽内层电子对外层电子有较强的屏蔽同层电子间有较弱的屏蔽（2）钻穿效应：由于电子穿过内层钻到核附近回避其他电子屏蔽，引起能量变化的现象第二节核外电子排布规律n相同，l不同的轨道中的各个电子，钻穿效应的大小为：nsnpndnfEnsEnpEndEnf屏蔽效应与钻穿效应共同作用产生能级交错:①l相同，n越大电子能量越高②n相同，l越大电子能量越高二、核外电子排布原理第二节核外电子排布规律多电子原子中电子的填充规律遵循以下三条规则：1.能量最低原理2.保里不相容原理3.洪特规则3.洪特规则在n和l相同的简并轨道中，电子尽可能以自旋相同的方式分占不同的简并轨道。在等价轨道中电子排布全充满、半充满和全空状态时，体系能量最低最稳定。全空半充满全充满1.能量最低原理电子总是尽先填充能量较低的轨道，然后填充能量较高的轨道。保持体系的能量最低。2.泡利不相容原理同一原子中没有运动状态完全相同的电子，所以每个原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。第二节核外电子排布规律11Na钠1s22s22p63s112Mg镁1s22s22p63s213Al铝1s22s22p63s23p114Si硅1s22s22p63s23p215P磷1s22s22p63s23p316Si硫1s22s22p63s23p417Cl氯1s22s22p63s23p518Ar氩1s22s22p63s23p6原子序数元素符号名称电子结构式第二节核外电子排布规律21Sc钪[Ar]3d14s222Ti钛[Ar]3d24s223V钒[Ar]3d34s224Cr铬[Ar]3d54s125Mn锰[Ar]3d54s226Fe铁[Ar]3d64s227Co钴[Ar]3d74s228Ni镍[Ar]3d84s219K钾[Ar]4s120Ca钙[Ar]4s2*[Ar]原子实，表示Ar的电子结构式1s22s22p63s23p6。**虽先排4s后排3d，但电子结构式中先写3d，后写4s。第二节核外电子排布规律第二节核外电子排布规律一、原子结构与周期律的关系周期表将所有的元素划分为七个横排，18个纵行，其中每一个横排为一个周期，共七个周期；除Fe、Co、Ni三个纵行为一族外，每一个纵行为一个族，共16个族，8个主族，8个副族。第三节原子的电子层结构和元素周期律周期与能级组的关系能级能级组周期能级组内最多的电子数每周期中的元素数周期名称1s1122特短周期2s2p2288短周期3s3p3388短周期4s3d4p441818长周期5s4d5p551818长周期6s4f5d6p663232特长周期7s5f6d7p773232未完成周期能级组数＝核外电子层数＝周期数第三节原子的电子层结构和元素周期律族——16个(18个纵行)第三节原子的电子层结构和元素周期律(1)主族：ⅠA、ⅡA、ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族、(2)副族：ⅠB、ⅡB、ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB、0族和Ⅷ族根据最后一个电子填入的能级不同，将元素分为五个区：S区：ns1~2。最后的电子填在ns上,包括IA、IIA,属于活泼金属,为碱金属和碱土金属p区：ns2np1~ns2np6。最后的电子填在np上,包括IIIA-VIIA以及0族元素,为非金属和少数金属d区：（n-1）d1~9ns1~2。最后的电子填在(n-1)d上,包括IIIB-VIIB以及VIII族元素,为过渡金属ds区：（n-1）d10ns1~2。(n-1)d全充满,最后的电子填在ns上,包括IB-IIB,过渡金属(d和ds区金属合起来,为过渡金属)f区：包括锕系、镧系第三节原子的电子层结构和元素周期律ⅠA~ⅡAs区ⅢA~ⅦA、0p区ⅢB~ⅦB、Ⅷd区ⅠB~ⅡBds区f区HHe第三节原子的电子层结构和元素周期律二、元素某些性质的周期性(1)原子半径第三节原子的电子层结构和元素周期律(2)元素的电离