原子结构与周期表

原子结构与元素周期表第一章道尔顿原子论相对原子质量原子的起源和演化原子结构的波尔行星模型氢原子结构的量子力学模型基态原子电子组态元素周期系元素周期性主要内容重难点1.氢原子结构的量子力学模型2.基态原子电子组态3.元素周期系4.元素周期性教学方法1-1道尔顿原子论化学原子论的创立化学原子论的内容：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；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。道尔顿原子论1805年,道尔顿明确地提出了他的原子论，这个理论的要点有：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分;一种原子不会转变为另一种原子;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。道尔顿用自己的原子论导出了倍比定律—若两种元素化合得到不止一种化合物，这些化合物中的元素的质量比存在整数倍的比例关系—并用实验予以证实,例如,他用实验证实,碳和氧有2种化合物—一氧化碳和二氧化碳,其中碳与氧的质量比是4:3和8:3。尽管道尔顿提出了原子量的概念，却不能正确给出许多元素的原子量。道尔顿武断地认为，可以从“思维经济原则”出发，认定水分子由1个氢原子和1个氧原子构成，因而就定错了氧的原子量。道尔顿用来表示原子的符号,是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训——要揭示科学的真理不能光凭想象，更不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济原则”,客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。道尔顿原子论极大地推动了化学的发展，在1818和1826年,瑞典化学家贝采里乌斯(C-L.Berzelius1779-1848)通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的误值，为化学发展奠定了坚实的实验基础（如表）。贝采里乌斯原子量(1818和1826)元素道尔顿原子量（1810）贝采里乌斯原子量（1818）贝采里乌斯原子量（1826）现今相对原子质量（1997）O71616.02615.9994Cl35.4135.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731.43630.973761C5.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.32974.92160Pt100194.4194.753195.0781-2相对原子质量（原子量）元素、原子序数和元素符号具有一定核电荷数（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。核素、同位素和同位素丰度核素——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）。稳定核素放射性核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。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。某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。例如，氧的同位素丰度为：f（16O）=99.76%,f（17O）=0.04%f,（18O）=0.20%,而单核素元素，如氟，同位素丰度为f（19F）=100%。有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。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，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为“道尔顿”（小写字首的dalton）。1u等于多少?可着取决于对核素12C的一个原子的质量的测定。最近的数据是：1u=1.660566（9）*10-24g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1-3原子的起源和演化•宇宙之初•氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧•α过程、e过程•重元素的诞生•宇宙大爆炸理论的是非1-4原子结构的玻尔行星模型氢原子光谱光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就像“指纹”辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。人们用光谱分析发现了许多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种。然而，直到本世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成,其波长和代号如下所示：谱线HαHβHγHδH…编号(n)12345…波长/nm656.279486.133434.048410.175397.009…不难发现，从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。ｎ5的谱线密得用肉眼几乎难以区分。1883年，瑞士的巴尔麦（J.J.Balmer1825-1898）发现，谱线波长(λ)与编号(n)之间存在如下经验方程：364600422.nn里德堡(J.R.Rydberg1854-1919)把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：22121ncRc常数Ｒ后人称为里德堡常数，其数值为1.09677×107m-1。氢的红外光谱和紫外光谱的谱线也符合里德堡方程，只需将1/22改为1/n12,n1=1,2,3,4;而把后一个n改写成n2=n1+1,n1+2,…即可。当ｎ1=2时,所得到的是可见光谱的谱线,称为巴尔麦系,当n1=3,得到氢的红外光谱,称为帕逊系,当n1=1,得到的是氢的紫外光谱,称为来曼系。玻尔理论1、行星模型2、定态假设3、量子化条件Lnhn212345,,,,,4、跃迁规则J101792218n.E22211811101792nn.E2221151110289.3nn当n=1时能量最低，此时能量为2.179×10-18J,此时对应的半径为52.9pm,称为玻尔半径。行星轨道和行星模型是玻尔未彻底抛弃经典物理学的必然结果，用玻尔的方法计算比氢原子稍复杂的氦原子的光谱便有非常大的误差。新量子力学证明了电子在核外的所谓“行星轨道”是根本不存在的。玻尔理论合理的是：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。这一真理为后来的量子力学所继承。玻尔理论的基本科学思想方法是，承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假定光谱的来源是核外电子的能量变化，用类比的科学方法，形成核外电子的行星模型，提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。1-5氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型波粒二象性物理学家们把光的粒子说和光的波动说统一起来，提出光的波粒二象性，认为光兼具粒子性和波动性两重性。光的强度：I=h=2/4上式等号的成立意味着：I=h=2/4(1)在光的频率一定时，光子的密度()与光的振幅的平方(Y2)成正比：∝Y2这就是说，光的强度大，则光子的密度大，光波的振幅也大。(2)光子的动量(P=mc，E=mc2其中m是光子的质量，c是光速)与光的波长()成反比：P=mc=E/c=h/c=h/或=h/P这意味着动量是粒子的特性，波长是波的特性，因而上式就是光的波粒二象性的数学表达式，这表明，光既是连续的波又是不连续的粒子流。德布罗意关系式1927年,年轻的法国博士生德布罗意（deBroglie1892-1987）在他的博士论文中大胆地假定：所有的实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性，引起科学界的轰动。这就是说，表明光的波粒二象性的关系式不仅是光的特性，而且是所有像电子、质子、中子、原子等实物粒子的特性。这就赋予这个关系式以新的内涵，后来称为德布罗意关系式：=h/P=h/mv按德布罗意关系式计算的各种实物粒子的质量、速度和波长。实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物质量m/kg速度v/(m.s-1)波长λ/pm1V电压加速的电子9.1×10-315.9×1051200100V电压加速的电子9.1×10-315.9×1061201000V电压加速的电子9.1×10-311.9×1073710000V电压加速的电子9.1×10-315.9×10712He原子（300K）6.6×10-271.4×10372Xe原子（300K）2.3×10-252.4×10212垒球2.0×10-1301.1×10-22枪弹1.0×10-21.0×1036.6×10-23计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。这一关系式被戴维森和革尔麦的电子衍射实验所证实。海森堡不确定原理量子力学论证了，不能用描述宏观物体运动的“轨迹”概念来描述微观物体的运动。所谓“轨迹”，就意味着运动中的物体在每一确定的时刻就有一确定的位置。微观粒子不同于宏观物体,它们的运动是无轨迹的，即在一确定的时间没有一确定的位置。这一点可以用海森堡不确定原理来说明：对于一个物体的动量(mv)的测量的偏差(mv)和对该物体的位置(x)的测量偏差(x)的乘积处于普朗克常数的数量级,即：(x)·(mv)≥h/4＝5.273×10-35kg·m2·s-1对于氢原子的基态电子，玻尔理论得出结论是：氢原子核外电子的玻尔半径是52.9pm;它的运动速度为2.18×107m/s,相当于光速(3×108m/s)的7％。已知电子的质量为9.1×10-31kg,假设我们对电子速度的测量准确量v=104m/s时，即：(mv)=9.1×10-31×104kg·m/s=9.1×10-27kg·m/s这样,电子的运动坐标的测量偏差就会大到:x=5.273×10-35kg·m2·s-1÷9.1×10-27kg·m/s=5795×10-12m=5795pm这就是说，这个电子在相当于玻尔半径的约110倍(5795/52.9)的内外空间里都可以找到,则必须打破轨迹的束缚：宏观→确定时间→确定位置→轨迹。氢原子的量子力学模型电子云为了形象化地表示出电子的几率密度分布，可以将其看作为带负电荷的电子云。电子出现几率密度大的地方，电子云浓密一些，电子出现几率密度小的地方，电子云稀薄一些。因此，电子云的正确意义并不是电子真的象云那样分散，不再是一个粒子，而只是电子行为统计结果的一种形象表示。电子云图象中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一次几率，几率密度越大，电子