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智浪教育—普惠英才高一奥赛培训1第一篇原子结构与元素周期律1．1原子核外电子的排布1．1．1关于电子云的含义现代原子结构理论认为，电子在原子核外高速运动，而且没有一定的轨道，所以，电子在核外运动时就像一团带负电荷的云雾笼罩着带正电荷的原子核，因此，通常把核外电子的运动比喻为电子云。电子云是一个形象的比喻，是用宏观的现象去想象微观世界的情景，电扇通常只有三个叶片，但高速转起来，看到的却是一团云雾，像是叶片化成了云雾；电子在核外运动速度极高，而且没有一定的轨迹，因而可以在想象中“看”到电子的运动“化”成了云雾，一团带负电荷的云雾。因此电子云不是实质性的云雾，不能理解为由无数电子组成的云雾。氢原子核外只有一个电子，也仍可以用电子云来描述。电子云常用由许多小黑点组成的图形表示。实际上是使用统计学原理来发现电子在原子核外运动的规律。小黑点密集的地方表示在该处的单位体积内，电子出现机会较多（或称为几率密度较大）。1．1．2电子层、电子亚层、轨道原子结构理论进一步指出，核外电子由于能量的不同，分布在离核远近不同的区域内运动，把这些区域叫做电子层；电子层又分为若干亚层；亚层还有不同的轨道；而在每个轨道中运动的电子还有两种不同的自旋。电子层、亚层、轨道、自旋四个方面决定了一个核外电子的运动状态。①电子层——表示两方面意义：一方面表示电子到原子核的平均距离不同，另一方面表示电子能量不同。K、L、M、N、O、P……电子到原子核的平均距离依次增大，电子的能量依次增高。②亚层——也表示两方面意义：一方面表示电子云形状不同，s电子云是以原子核为中心的球形，p电子云是以原子核为中心的无柄哑铃形，d和f电子云形状更复杂一些；另一方面，表示能量不同，同一电子层中s、p、d、f亚层电子能量依次增高。③轨道——在一定的电子层中，具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的空间，称为一个轨道。关于轨道的含义可以这样理解：轨道是指一个立体的空间；是原子核外电子云所占据的特定的空间；这个空间的大小、形状分别由电子层、亚层决定。除了s电子云是球形外，其余亚层的电子云都有方向，有几个方向就有几个特定空间，即有几个轨道。所以，轨道可以说是原子核外每个s亚层和其余亚层的每个方向上的电子云所占据的特定的空间。每一个原子核外都有许多电子层、亚层，因此，每个原子核外都有许多轨道。由于三个p轨道的能量是相同的，所以又叫简并轨道或等价轨道。所谓等价轨道是指其能量相同、成键能力相同只是空间取向不向的轨道而言。p、d、f亚层的电子云分别有3个、5个和7个伸展方向。因而分别有3、5、7个轨道：3个p轨道、5个d轨道和7个f轨道。它们的能量完全相同；电子云形状也基本相同。1．1．3关于能级1．1．3．1能级的概念在电子层、亚层、轨道和自旋这四个方面中，与电子能量有关的是电子层和亚层。因此，将电子层和亚层结合起来，就可以表示核外电子的能量。由量子理论可知核外电子的能量是不连续的，而是由低到高象阶梯一样，每一个能量台阶称为一个能级。因此，1s、2s、2p……分别表示一个能级。1．1．3．2氢原子核外的能级有同学认为，氢原子只有一个电子，因而只能有一个电子层。其实，正确的说法是，氢原子像其它所有原子一样，可以有许多电子层，电子层又分为若干亚层和轨道。只是在通常条件下，氢原子的这一个电子处于能量是低的1s轨道，这种状态叫基态；当电子从外界吸收能量以后，氢原子的这一个电子可以跃迁到能量较高的能级。氢原子核外能级由低到高的顺序是：1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s……1．1．3．3多电子原子核外的能级对核外有多个电子的原子来说，核外能级的顺序就与氢原子不同了。一般来说，多电子原子核外能级由低到高的顺序是：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p……这种现象叫做能级交错现象。智浪教育—普惠英才高一奥赛培训2多数情况下，多电子原子的能级高低如图1－3所示。产生能级交错现象的原因主要有：1）屏蔽效应在多电子的原子中，电子不仅受到原子核的引力而且还存在着电子之间的排斥力，这种排斥力的存在，实际上相当于减弱了原子核对外层电子的吸引力。例如锂原子核带有三个正电核，核外有三个电子，第一电子层有两个电子，第二层有一个电子。对于第二层的电子来讲，除了它受到原子核的引力以外，还受到内层(第一层)两个电子的排斥力。可以认为这种排斥力的存在实际上抵销(或屏蔽)了一部分原子核的正电核相当于有效电荷数的减小。由于其它电子对其一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而引起有效核电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。影响屏蔽效应大小的因素很多，除了同屏蔽电子的数目和它所处原子轨道的大小和形状有关以外，还同被屏蔽电子离核的远近和运动状态有关。2）钻穿效应外层电子除有较多的机会出现在离核较远的区域以外，它还可能钻到(或渗入)内部空间而靠近原子核。象这种外层电子钻到内部空间而靠近原子核的现象通常称为钻穿作用(或穿透作用)。钻穿作用的大小对轨道的能量有明显的影响。不难理解电子钻的越深它受其它电子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力越强，因而能量也越低。简而言之，钻穿作用越大的电子的能量越低。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象通常称为钻穿效应。1．1．4原子核外电子排布原则不同元素的原子核外有不同数目的电子，这些电子是怎样在原子核外不同的电子层、亚层和轨道中排布的？原子结构理论指出，电子在原子核外的排布遵循三条原则，即能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。1．1．4．1能量最低原理自然界一个普遍的规律就是“能量越低越稳定”，原子中的电子也是如此。电子在原子中所处的状态总是要尽可能使整个体系的能量为最低，这样的体系就最稳定。因此多电子原子在基态时核外电子的排布，总是尽可能分布到能量最低的轨道，然后依次向能量较高的能级排布，这就称为能量最低原理。1．1．4．2保里不相容原理内容是：在同一原子中没有运动状态完全相同的电子（既没有电子层、电子亚层、原子轨道、自旋方向完全相同的电子）。根据保里原理可以获得以下几个重要结论：1)每一种运动状态最多只能容纳一个电子。2)因为每一个原子轨道含有两种运动状态，所以每个轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子。3)因为s，p，d，f各分层中的原子轨道数分别为1，3，5，7个,所以s，p，d，f各分层中最多能容纳2，6，10，14个电子。4)每个电子层中原子轨道的总数为n2，因此，各电子层中电子的最大容量为2n2个。1．1．4．3洪特规则电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道；或智浪教育—普惠英才高一奥赛培训3者说在等价轨道中，自旋相同的单电子越多，体系就越稳定。应该指出，作为洪特规则的特例，等价轨道全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。1．1．4．4电子排布式和轨道表示式根据原子核外排布电子的三条规律，可以写出各种元素核外电子的排布情况。核外电子排布情况有两种表示方法：电子排布式和轨道表示式。①写电子排布式时，先按由低到高的顺序排列出核外电子的能级，然后根据泡利不相容原理和能量最低原理向各个能级填充电子。电子排布式中最有意义的是外层电子的排布，内层可以用所谓“原子实”代替。原子实是该元素电子排布式中相当于上周期惰性气体原子的部分。例如：Cl元素的电子排布式的略写式为[Ne]3s23p5。连原子实也不写的电子排布式叫做原子的特征电子排布或价电子排布。对个副族元素来说，特征电子排布就是最外层电子排布加上外层d电子（或f电子）排布。中学课本上称为外围电子排布。②轨道表示式是用方框或圆圈表示轨道，在每个轨道内用向上、向下的箭头表示自旋不同的电子。写轨道表示式要特别注意不要违背洪特规则。思考：根据能量最低原理和保里不相容原理，写出3－30号元素核外电子的轨道排布式。1．1．5核外电子的排布和元素周期系1．1．5．1原子轨道近似能级图和能级组鲍林根据光谱实验的结果，提出了多电子原子中原子轨道的近似能级图。图中的能级顺序是指价电子层填入电子时各能级相对的高低。多电子原子的近似能级图有以下几个特点：1)近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来的。在图中，把能量相近的能级划为一组称为能级组。通常共分七个能级组。依1，2，3…能级组的顺序能量逐次增加。1s为第一能级组2s，2p为第二能级组3s，3p为第三能级组4s，3d，4p为第四能级组5s，4d，5p为第五能级组6s，4f，5d，6p为第六能级组7s，5f，6d，7p为第七能级组值得注意的是：对于4、5、6、7能级组来讲，在一个能级组中可能包含不同电子层的能级，如第6能级组中除了有属于第六电子层的6s，6p能级以外，还有第四电子层的4f和第五电子层的5d能级。这种能级交错现象对核外电子排布有很大影响。此外，在能级图中还可以看到一般相邻的两个能级组之间的能量差较大。而在同一能级组内各能级的能量差较小。这种能级组的划分是造成元素周期表中元素划分为周期的本质原因。2)在近似能级图中、每个小圆圈代表一个原子轨道。s分层中有一个圆圈，表示此分层只有一个原子轨道，p分层中有三个圆圈，表示此分层有三个原子轨道。智浪教育—普惠英才高一奥赛培训41．1．5．2原子的电子层结构与元素的分区根据元素原子的核外电子排布的特点，可将周期表中的元素分为五个区。如图所示。1)s区元素：最后一个电子填充在s能级上的元素称为s区元素。包括IA族碱金属和ⅡA族碱土金属元素。结构特点为：ns1和ns2。它们容易失去1个或2个价电子形成M+或M2+离子,是活泼的金属。2)p区元素：最后一个电子填充在p能级上的元素称为p区元素。包括ⅢA一ⅦA各族和零族元素。除氦气外它们的结构特点为：。其中大部分是非金属。3)d区元素：最后一个电子填充在d能级上的元素称为d区元素。包括ⅢB—ⅦB各副族和第Ⅷ族元素，结构的特点为。它们都是过渡元素。每个元素都有多种氧化数。4)ds区元素：最后一个电子填充在d能级并且达到d10状态的元素称为ds区元素。包括IB族和ⅡB族元素。结构特点为：。通常也把它们算作过渡元素。5)f区元素：最后一个电子填充在f能级的元素称为f区元素。包括镧系元素和锕系元素，结构特点为：。这些元素由于最外电子层和次外电子层几乎相同，只是倒数第三电子层不同，所以每系各元素的化学性质极为相似。1．1．5．3原子的电子层结构与周期的关系从原子核外电子排布的规律可知原子的电子层数与该元素所在的周期数是相对应的，而各周期数又是与各能级组相对应的。根据原子的电子层结构不同，可把周期系中各元素划为七个周期。各周期元素的数目恰好等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。各周期与对应的能级组的关系如图所示：根据原子核外电子排布的规律还可以预测未来的第八、九周期将是50元素的超长周期。由能级组和周期(或电子层)的关系可知，能级组的划分是导致周期系中各元素能划分为周期的本质原因。1．1．5．4原子的电子层结构与族的关系按长周期中族的划分是把元素分为16个族。除了稀有气体(零族)和第Ⅷ族元素外，还有七个A族和七个B族元素。A族是指既包括短周期元素又包括长周期元素的族，也叫主族。B族不包括短周期元素，只包含长周期元素，也叫副族。如果考察一下元素周期系各族的族序数与该族元素的电子层结构的关系我们将看到，各主族元素的族序数等于该族元素原子的最外电子层中的电子数。而主族元素的最高化合价(氧、氟除外)，也正好等于该族元素原子的最外电子层中的电子数。在同一族内，虽然不同元素的原子电子层数是不相同的，但它们最外电子层的电子数却一样，因此它们的性质非金属元素的最外电子层结构为ns1，它们最外层都只有一个电子并易失去这个电子而形成正离子，因此碱金属显很强的金属性。卤素原子的最外层结构为np7，它们的最外层都有7个电子，它们有强烈夺取一个电子的倾向因而易形成负离子，因此卤素显很强的非金属性。智浪教育—普惠英才高一奥赛培训5副族元素则稍有不同，一般副族元素的最外层只有1—2个电子，显然最外层电