原子结构 与元素周期性.pptx

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1、 分子的结构与性质分子的结构与性质物质结构物质结构 原子结构和元素周期性原子结构和元素周期性固体的结构与性质固体的结构与性质第1页/共71页无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 第五章第五章原子结构和原子结构和 元素周期性元素周期性第2页/共71页主要内容1.原子结构的近代概念原子结构的近代概念2.原子中的电子分布原子中的电子分布3.元素周期系与核外电子元素周期系与核外电子 分布的关系分布的关系4.元素原子性质的周期性变化元素原子性质的周期性变化第五章第五章 原子结构和元素周期性原子结构和元素周期性主主 要要 内内 容容第3页/共71页基本要求1.微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象

2、性2.波函数与原子轨道、概率密度与波函数与原子轨道、概率密度与 电子云电子云3.四个量子数四个量子数6.元素性质的周期性变化元素性质的周期性变化4.原子核外电子分布原理及其分布原子核外电子分布原理及其分布5.元素周期系与核外电子分布的关系元素周期系与核外电子分布的关系第五章第五章 原子结构和元素周期性原子结构和元素周期性基基 本本 要要 求求第4页/共71页目录目录目录目录5-1 原子与元素原子与元素5-2 原子结构的近代概念原子结构的近代概念5-3 原子中电子的分原子中电子的分布布5-4 原子性质的周期性原子性质的周期性 目目目目 录录录录第五章第五章 原子结构和元素周期性原子结构和元素周期

3、性第5页/共71页一、氢光谱和能级：氢光谱 由激发态原子所发的光通过棱镜而得到的是明暗间隔的若干条彩色光线，称为线状光谱，又因为是由原子发射的，所以又称为原子光谱。原子光谱中最简单的是氢光谱。连续光谱:太阳光谱;彩虹线状光谱(或称不连续光谱):原子光谱光谱 通过棱镜的色散作用，把复色光分解成为单色光并按不同波长排列而成的彩色光带，称为光谱。光谱1.原子核外电子的运动状态：第6页/共71页5-1-3 原子轨道能级日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续变化的谱带绿、青、蓝、紫连续变化的谱带装有低压高纯装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光的放电

4、管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的四条谱线可以观察到不连续的四条谱线aa为连续光谱为连续光谱 nm 410.2 434.1 486.1 656.3aa H H H H为线状光谱为线状光谱第7页/共71页第8页/共71页第9页/共71页第10页/共71页第11页/共71页第12页/共71页氢原子光谱实验示意图名称HHHH波长656.2486.1434.0410.2颜色红深绿青紫第13页/共71页这些谱线的波长服从如下公式：其中为 里德堡常数，n为大于2的正整数。n2n1n1和n2为正整数。后来在紫外区和红外区又发现了氢原子

5、光谱的若干谱线，并所有谱线均服从以下一个通式：其中第14页/共71页入（谱线）的不连续性核外电子运动的能量是不连续的（即量子化）。并且核外电子运动的能量E=hE:为电子运动的能量，反映出了电子粒子性；h:为普郎克常数；:为波谱线的频率.通过普郎克常数h把电子的粒子性和波动性联系起来了。量子化的概念：物质吸引或发射能量是不连续的，即量子化的。也就是说，只能以单个的，一定份量的能量的方式吸收或发射能量。第15页/共71页氢光谱这些实验事实，无法用经典的电磁学理论加以解释。根据经典的电磁学理论：1、电子不断发射能量，自身能量会不断减少，电子运动的轨道半径将逐渐缩小，电子很快会落在原子核上，即原子是一

6、个不稳定的体系。2、电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐地改变，。辐射的电磁波频率将随着旋转频率的改变而逐渐变化，因而原子发射的光谱应是连续的.第16页/共71页为了解释氢原子光谱的实验事实，1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子结构理论，对氢原子光谱作了很好的解释。第17页/共71页波尔的原子结构理论的主要要点为：1、原子中的电子只能在一些特定的轨道上运动，运动的电子既不发射能量也不吸收能量。2、在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，能量E=-（n=1，2，3）.电子轨道离核越远,能量越高.通常电子是在离核最近的轨道上运动,这时原子的能量最低,称为基态.当原子从外界获得能量时,电子

7、可以跃迁到离核较远的高能量轨道上去,此时称为激发态.3、电子由一个轨道跃迁到另一个轨道,它要吸收或放出一定的能量,吸收或放出的能量(n2n1,n是正整数1,2,3,),若从高能级的轨道上跃迁到低能级的轨道上,跃迁过程中原子释放出的能量以光的形式释放出来.第18页/共71页波尔贡献：成功地解释了氢光谱产生的原因和规律，从氢光谱的不连续性推出原子中电子能量的不连续性。波尔理论的缺陷：1.有固定轨道的概念;2.不能解释多电子原子。波尔理论缺陷的原因：在于他的理论是在经典牛顿理论的基础上提出来的。第19页/共71页二、核外电子运动的波粒二象性：德布罗依在光的波粒二象性的启发下，他大胆地提出电子也应具有

8、波粒二象性假设。他假设的依据：电子质量me=9.1110-31kg很小,速度e=106m.s-1很大,又接近光速(光=3.0108m.s-1),所以,他认为电子也应该具有波粒二象性。并且预言，高速运动的电子波长入：入=（P为动量）。第20页/共71页戴维逊和革末成功地做出了电子衍射实验，证明了德布罗意的假设是正确的。电子的衍射实验第21页/共71页三、测不准原理：德国物理学家海森堡提出动量的测不准值（p）和位置的测不准值（X）符合以下关系式：Xp该式就是量子力学中的一个重要关系式-测不准关系式。对于宏观物体，其质量太大，速度太小，产生的波长太短而无法测到，因而认为无波动性。第22页/共71页例

9、：质量为10g的子弹，以103m.s-1速度运动,它的波长是多少?解：入=6.6310-35m=6.6310-26nm=6.6310-23pm子弹的直径约为11010pm(1cm),波长仅为6.6310-23pm波动对它来说显然已毫无意义。第23页/共71页例：假设这颗子弹的位置测不准值X=0.1mm=0.0001m计算一下它的速度测不准值有多大。根据解：,X.pp=m=1.010-28m.s-1结论：对于宏观物体来说,测不准的情况是微不足道的。第24页/共71页电子在核外运动的范围大约为10-10m，那么电子的位置的合理准确度至少需要确定到X=10-11m，则其速度测不准的情况为多大呢？已知

10、一个电子的质量m=9.1110-31kg,X=10-11m,求解：同理=m.s-1这个不准确量大于电子自身的运动速度(e=106m.s-1)。结论：对于微观粒子的运动来说，要同时准确测定它的位置和速度是不可能的。测定位置的准确度越大（即X越小），则确定速度的准确性就越小（即越大），两者对立，反之亦然。第25页/共71页四、核外电子运动状态的数学描述：1.Schrodinger方程:-波函数;E-总能量;v-势能m-电子质量;h-Planck常数;x、y、z-空间坐标Schrodinger方程把体现微观粒子的粒子性（m,E,V,坐标等）与波动性（）有机的融合在一起，从而更真实的反映出微观粒子的运

11、动状态。第26页/共71页第27页/共71页2、四个量子数：从薛定谔方程中求出（x，y，z）具体函数形式，即为方程的解，它是一个包含n、l、m三个常数项的三个变量（x，y，z）的函数，通常用n，l，m（x，y，z）表示。应当指出，并不是每一个薛定谔方程的解都是合理的、都能表示电子运动的一个稳定状态。为了得到电子运动状态合理的解，就要求n、l、m不是任意的常数，而是符合一定的取值。在量子力学中把这类特定常数n、l、m称为量子数。这三个量子数可取的数值及它们的关系如下：主量子数n=1，2，3，4角量子数l=0，1，2，3(n-1)磁量子数m=0,1，2，3l,共有2l+1个值第28页/共71页（1

12、）、主量子数n:物理意义：是描述了核外电子的远近问题;决定着核外电子的能量。n的取值：n1,2,3的正整数n12345电子层符号KLMNO对于氢原子E=-第29页/共71页(2)、角量子数l:物理意义:是描述波函数(原子轨道)的形状问题,对于多电子原子,l和n一起决定着核外电子的能量。L的取值（l）：0，1，2，3(n-1)。如n=1时，l=0；n=2时，l=0，1；n=3时，l=0，1，2。当l=0时对映的轨道为S轨道，球体形；l=1时对映的轨道为p轨道，轨道的形状为亚玲形；1=2时对映的轨道为d轨道，轨道的形状为梅花状形。第30页/共71页电子云角度分布图第31页/共71页spxpypzd

13、xydxz第32页/共71页电子云角度分布图dZ2dx2-y2dxy第33页/共71页(3)、磁量子数m:物理意义:是描述波函数(原子轨道)在空间的伸展方向问题。其取值范围：m=0,1，2，3l，共有2l+1个值如l=0时,m=0,一个值,s轨道只有一个方向;l=1时,m=-1,0,+1三个值,p轨道有三种伸展方向(px、py、pz)；l=2时,m=-2,-1,0,+1,+2五个值,d轨道有5种伸展方向(dxy、dxz、dyz、)；第34页/共71页s 轨道(l=0,m=0):m 一种取值,空间一种取向,一条 s 轨道.第35页/共71页 p 轨道(l=1,m=+1,0,-1):m 三种取值,

14、三种取向,三条等价(简并)p 轨道.第36页/共71页d 轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m 五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d 轨道.第37页/共71页f 轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m 七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f 轨道.第38页/共71页（4）、自旋量子数ms：ms的物理意义：是用来描述电子自身运动特征的自旋量子数。ms的取值：为+和-。它表示电子的两种不同的自旋方式。规定：沿磁场方向的为+；相反于磁场方向的为-。电子运动状态由1空间运动状(n,l,m)2自旋运动状态ms决定第39页/共71页(5)、波函数:物理意义:

15、描述核外电子运动状态(n,l,m)以及能量(E)的一种数学函数式。波函数（原子轨道，原子轨函）是一种几率波，没有明确的、直观的物理意义。但波函数的绝对值平方有明确的物理意义。物理意义：表示电子在核外空间单位体积内出现的几率，即几率密度。第40页/共71页五、几率密度、几率和电子云：几率密度（）：单位体积内微粒出现的次数，即核外空间单位体积电子出现的几率。几率：用统计的方法来判断电子在核外空间某一区域内出现的机会多少，数学上称为几率。几率=体积，几率和几率密度的关系，相对于物理学中的质量和密度的关系。电子云：电子在核外的几率密度（）的分布图，即电子云是从统计的概念出发，对核外电子出现的几率密度作

16、一形象化的图示（描述）。第41页/共71页电子云密度大小反映电子在该区域（单位体积）出现的机会（几率）大小第42页/共71页电子云演示图第43页/共71页六、波函数的径向分布与角度分布：n，l，m（x，y，z）=R（r）.Y(,)径向波函数角度波函数即n，l，m（r，,）R(r)径向部分rY(,)角度部分,R(r)是与r有关的径向分布部分,称为径向波函数，它由量子数n、l决定；Y(,)是与,有关的角度分布部分，称角度波函数，它由量子数l、m决定。原子轨道的角度分布和径向分布分别见武大三版P69和P72。第44页/共71页电子运动状态特点小结在经典力学中功、能量，角动量等物理量是连续变化的。在微

17、观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级。而电子运动状态需要用四个量子数来确定。在经典力学中，质点的运动状态可以同时有确定的坐标和动量，质点的运动状态可用位置和动量来描述。在量子力学总，微观粒子具有波粒二象性。不能同时有确定的位置和能量，仅用位置坐标和动量来描述电子的空间运动状态是不够恰当的。电子空间运动状态需要用波函数来描述。第45页/共71页2.原子核外电子排布和元素周期律：一、多电子原子的轨道能级图：单电子原子（H）：轨道能级E=-，（氢原子的核电荷Z=1）；多电子原子（En，l）：轨道能级不仅与n有关还与l有关，轨道能级高低的规律为：l相同，n不同：n值越大，能量E越高，

18、如E1sE2sE3s；n相同,l不同：l值越大,能量E越高,如E2sE2p,E3sE3p；n、l均不相同：(n+0.7l)值大，能量高，如E4s(n=4,l=0)E3d(n=3,l=2)。通过（n+0.7l）计算,可以得出多电子原子的轨道近似能级图,如P132所示。第46页/共71页能级组一二三四五六七能量顺序1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p屏蔽效应：是指由核外其余电子抵消部分核电荷对指定电子吸引力的作用，称为屏蔽效应。对于多电子原子的某个电子来说，其能量E=-屏蔽常数()：代表由于电子间的排斥作用而使原有的核电荷减小或抵消的部分。第47页/

19、共71页斯莱特规则（见武大三版P83）：1、将原子中的电子分成如下几组：（1s），（2s2p），（3s3p），（3d），（4s4p），（4d），（4f），（5s5p），2、外层电子对内层电子没有屏蔽作用,即=0；3、1s轨道上2个电子之间的=0.30,其它主量子数(n)相同的各分层电子之间的=0.35;4、被屏蔽电子为ns或np时,则主量子数为(n-1)的各电子,对它们的=0.85,而小于(n-1)的各电子对它们的=1.00;被屏蔽电子为nd或nf电子时,则位于它左边各组电子对它们的屏蔽常数=1.00。第48页/共71页例1、计算Al原子中其它电子对一个3p电子的值；求3p1电子的Z*。解：铝

20、为13号元素，所以（1s2），（2s22p6），（3s23p1）；3p电子的=20.35+80.85+21.00=9.5;3p1电子的Z*=13-9.5=3.5。例2、见武大三版P84的例3-2第49页/共71页钻穿效应：外层电子钻穿到内部空间而靠近原子核的现象，称之为钻穿效应。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。钻穿效应和屏蔽效应是从两个侧面去描述多电子原子中电子之间的相互作用对轨道能级的影响，着眼点不同，但本质上都是一种能量效应。第50页/共71页二、原子核外电子排布：原子核外电子排布遵循：1、能量最低原理：电子在原子轨道上的分布，要尽可能的使电子

21、的能量为最低，也就是说，电子首先填充能量低的轨道，然后依次向高能级填充。例21号元素Sc原子的核外电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d1；第51页/共71页2、保里不相容原理：每条轨道上至多只能容纳两个电子，而且这两个电子自旋方向必须相反。或者说，在同一个原子中，不可能有两个电子处于完全相同的状态，即原子中两个电子所处状态的四个量子数（n、l、m、ms）不可能完全相同；3、洪特规则：在简并轨道（如3p、3d等）上排布电子时，总是尽先占据不同轨道，且自旋平行。如C原子：1s22s22p2，2p轨道上的两个电子应该是：而不是第52页/共71页4、特例：等轨道全充满、半充满、全空时，

22、体系较稳定。全满：p6、d10、f14；半满：p3、d5、f7；全空：p0、d0、f0。如：Cr：1s22s22p63s23p63d54s1；Cu：1s22s22p63s23p63d104s1Fe2+：1s22s22p63s23p63d64s0；Fe3+：1s22s22p63s23p63d54s0第53页/共71页三、原子结构和周期表：1、周期的划分：本质：原子轨道能级组的划分，产生了周期。（1）.能级组组数与周期表中的周期数相对应；（2）每周期中元素的个数与能级组中最大容纳的电子数相对应。能级组1s II2s2pIII3s3pIV4s3d4pV5s4d5pVI6s4f5d6pVII7s5f6

23、d7p周期数1234567最大容纳e数28818183232第54页/共71页2、族的划分：按最后一个电子填充的位置来划分主、副族。最后一个电子填充在外层的为A族，否则为B族。周期表中共分16个族：7个A族；7个副族；1个零族；1个。主族元素（A零族）：族数与最外层的电子数相对应，如Cl元素Ne3s23p5。副族元素（B-B）：ns电子数+（n-1）d电子相对应，如Cr元素Ar3d54s1；B、B：ns1-2(n-1)d10族数,只取决于ns轨道上的电子数,如Cu元素:Ar3d104s1为B,Zn元素:Ar3d104s2为B。第55页/共71页3、区的划分：根据元素原子的核外电子排布的特点，可

24、将周期表划分为5个区。S区：电子构型ns1-2包括IA、IIA族，最后一个电子填充在S能级上；p区：电子构型ns2np1-6包括A零族，最后一个电子填充在p能级上；d区：电子构型（n-1）d1-9ns1-2包括IIIB-，最后一个电子填充在d能级上；ds区：电子构型（n-1）d10ns1-2包括IB、IIB，最后一个电子填充在d能级上；f区：电子构型（n-2）f1-14（n-1）d0-2ns2，包括La、Ac系元素，最后一个e填充在f能级上。第56页/共71页3、原子性质的周期性：一、原子半径（r）：常用的原子半径有三套数据：1共价半径：同种元素的两个原子以共价键结合时，测得它们核间距的一半；

25、2金属半径：在金属晶体中，相邻两金属原子核间距的一半；3范德华（非键合）半径：在分子晶体中相邻分子间两个非键结合的同种原子其核间距的一半。第57页/共71页5-1 原子半径 原子半径原子半径共价半径共价半径两个相同原子形成共价键两个相同原子形成共价键 时，其核间距离的一半时，其核间距离的一半定义定义d=198pmr(Cl)=99pmd=154pmr(C)=77pm第58页/共71页原子半径原子半径金属半径金属半径金属单质晶体中，两个相邻金属单质晶体中，两个相邻金属原子核间距离的一半金属原子核间距离的一半定义定义d=256pmr(Cu)=128pm第59页/共71页 原子半径原子半径范德华半径范

26、德华半径分子晶体中，两个相邻分子晶体中，两个相邻分子核间距离的一半分子核间距离的一半定义定义d=320pmr(Ne)=160pm第60页/共71页同族元素原子半径变化规律：从上到下主族：随Z，半径（r)；副族：随Z，半径略有增大，尤其是5、6周期的同族元素半径相近，这主要是镧系缩收效应的影响。原子半径的数据请见140同周期元素原子半径变化规律：从左到右：随Z，半径(r)，但主族元素的原子半径变化幅度大于副族元素的原子半径的变化幅度。第61页/共71页二、电离能（I）：气态原子失去一个电子变成气态离子时所需的能量,称为电离能(I)。如：M(g)M(g)+e所需外界提供的能量(I1),同理M(g)

27、+M(g)+e所需的能量(I2)。电离能的物理意义：反映了原子失去电子的难易程度。第62页/共71页电离能（I）变化规律：同族：A族：从上到下：随Z，半径，I，（IIIA变化不规则，原因：处于IIB的交界处，近朱者赤，近墨者黑的道理）；B族：从上到下：随Z，I1，（IIIB变化不规则，原因：处于IIA的交界处，近朱者赤，近墨者黑的道理）。第63页/共71页同周期短周期：随Z，半径，I1，但IcIO,原因是N属于半充满结构,较稳定,所以N的电离能大于相邻的左右元素。长周期：从IIIBIIB，随Z，I1略有增大。第64页/共71页三、电子亲合能（EA）：气态原子得到一个电子变成气态负离子时所放出（

28、或吸引）的能量，称为电子亲合能。如：X（g）+eX-（g）所放出的能量（EA）。物理意义：反映了原子获得电子能力的大小。EA值越大：表示原子越易获得电子，成为-1价离子越稳定；EA值越小：表示原子越不易获得电子，成为-1价离子越不稳定。第65页/共71页同族：从上到下：随半径（r），总趋势Eea。例外：第二周期元素的Eea小于第三周期元素的Eea同周期：从左到右：随Z，半径，Eea电子亲合能（EA）变化规律：第66页/共71页四、电负性（Xp)：是指元素的原子在分子中吸引电子对的能力。目前电负性有三套数据：（1）鲍林电负性；（2）密立根电负性；（3）阿莱罗周电负性。目前较常用的是鲍林电负性，他

29、规定：F的Xp=4.0,其它的元素的电负性是相对于F的电负性计算得到的(见P143)。同周期：从左到右：随Z，Xp；电负性的变化规律：A族：从上到下：Xp;B族：从上到下：Xp变化幅度较小，没有明显的规律。同族第67页/共71页Xp越大非金属性越强，Xp越小非金属越弱。一般元素的电负性2.0以上为非金属,2.0以下的为金属,但不能把电负性2.0作为划分金属和非金属的绝对界限。第68页/共71页5-4-4元素氧化数五、五、元素的氧化数元素的氧化数主族元素氧化数主族元素氧化数:最高氧化数价电子数族号最高氧化数价电子数族号族族 价层电价层电子构型子构型价电子价电子总数总数主要氧化数主要氧化数最高氧最

30、高氧化数化数AAns11+1+1AAns22+2+2AA ns2 np13+3+3AA ns2 np24+4、+2+4AA ns2 np35+5、+3+5AA ns2 np46+6、+4、-2+6AA ns2 np57+7、+5、+3、+1、-1+7第69页/共71页副族元素氧化数副族元素氧化数族族BBBBBBBBBB第四周期第四周期ScTiV VCrMn价层电子构型价层电子构型 3d14s23d24s23d34s23d44s23d54s2价电子数价电子数34567最高氧化数最高氧化数+3+4+5+6+7BB族：最高氧化数价电子数族：最高氧化数价电子数族数族数族、族、BB族：氧化数变化族：氧化数变化不规律不规律B族：最高氧化数价电子数族：最高氧化数价电子数族数族数=+2第70页/共71页感谢您的观看！第71页/共71页