第八章原子結(jié)構(gòu)與元素周期表

1、茍國敬 BASIC CHEMISTRY寧夏醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)用化學(xué)系教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 : 內(nèi)容抽象、要求掌握基礎(chǔ)內(nèi)容抽象、要求掌握基礎(chǔ) 第第8章章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期律（原子結(jié)構(gòu)和元素周期律（5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）*第第9章章 分子結(jié)構(gòu)（分子結(jié)構(gòu)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 重點(diǎn)重點(diǎn)-需掌握需掌握第第10章章 配位化合物（配位化合物（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）較簡單較簡單-能掌握能掌握第八章第八章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子結(jié)構(gòu)和元素周期律第一節(jié)第一節(jié) 氫原子光譜和玻爾理論氫原子光譜和玻爾理論原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史1. 1897年年,湯姆遜湯姆遜(英英)發(fā)現(xiàn)了電子發(fā)現(xiàn)了電子,確認(rèn)電子是原子的確認(rèn)電子是原子的組成部分

2、組成部分. 由哲學(xué)概念由哲學(xué)概念實(shí)體粒子實(shí)體粒子2. 1911年年,盧瑟福盧瑟福(英英)以以粒子散射實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)粒子散射實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),提出提出原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)的“行星模型行星模型”對(duì)原子內(nèi)部構(gòu)造有了模糊認(rèn)識(shí)對(duì)原子內(nèi)部構(gòu)造有了模糊認(rèn)識(shí)3. 1913年年,玻爾玻爾(丹麥丹麥)在普朗克量子論和愛因斯坦光在普朗克量子論和愛因斯坦光子學(xué)說的基礎(chǔ)上子學(xué)說的基礎(chǔ)上,提出玻爾理論提出玻爾理論.對(duì)模糊認(rèn)識(shí)有了初步修正對(duì)模糊認(rèn)識(shí)有了初步修正4. 1924年年,德布羅意德布羅意(法法)借鑒光的波粒二象性預(yù)見了借鑒光的波粒二象性預(yù)見了電子的波粒二象性電子的波粒二象性,為為1927年戴維遜年戴維遜(美美)的電子衍射的電子

3、衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí).認(rèn)識(shí)到電子運(yùn)動(dòng)的特殊性認(rèn)識(shí)到電子運(yùn)動(dòng)的特殊性5. 1926年年,薛定諤薛定諤(奧地利奧地利)借鑒光的波動(dòng)方程建立了借鑒光的波動(dòng)方程建立了描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的薛定諤方程描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的薛定諤方程.成為現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)成為現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)（一）氫原子光譜（一）氫原子光譜-催生了玻爾模型催生了玻爾模型-舊量子論舊量子論1.連續(xù)光譜：復(fù)合光通過棱鏡分散成譜線連續(xù)的連續(xù)光譜：復(fù)合光通過棱鏡分散成譜線連續(xù)的帶狀色譜帶狀色譜.2.原子光譜原子光譜:氣態(tài)原子受電火花氣態(tài)原子受電火花、電弧等激發(fā)所產(chǎn)電弧等激發(fā)所產(chǎn)生的光生的光,經(jīng)棱鏡分光后形成的經(jīng)棱鏡分光后形成的不連續(xù)不連續(xù)、線狀線狀光

4、譜光譜.氫原子光譜在可見光區(qū)氫原子光譜在可見光區(qū)(400760nm)有有4條條不連續(xù)不連續(xù)的譜線的譜線,分別標(biāo)記為分別標(biāo)記為H,H,H,H;在紫外區(qū)也有多在紫外區(qū)也有多條不連續(xù)譜線條不連續(xù)譜線.3.氫原子譜線頻率氫原子譜線頻率:里德伯通式里德伯通式(1913)1711221211 ()1():,;()():,1.0197 10:,iiinRvcmcRmnnnn頻率波數(shù) 單位波長光速里德伯常數(shù)正整數(shù) 其中4.氫原子光譜實(shí)驗(yàn)的意義氫原子光譜實(shí)驗(yàn)的意義:推翻了盧瑟福的行星原子結(jié)構(gòu)推翻了盧瑟福的行星原子結(jié)構(gòu)模型、催生了原子結(jié)構(gòu)的舊量子論學(xué)說模型、催生了原子結(jié)構(gòu)的舊量子論學(xué)說-玻爾理論玻爾理論(1)氫原

5、子的不連續(xù)線狀光譜與盧瑟福的行星原子結(jié)構(gòu)模型不符氫原子的不連續(xù)線狀光譜與盧瑟福的行星原子結(jié)構(gòu)模型不符,因因?yàn)榘葱行悄Ｐ秃送怆娮釉谀芰酷尫胚^程應(yīng)發(fā)出連續(xù)不斷的電磁波為按行星模型核外電子在能量釋放過程應(yīng)發(fā)出連續(xù)不斷的電磁波、產(chǎn)生連續(xù)光譜、產(chǎn)生連續(xù)光譜;電子能量的連續(xù)衰減將導(dǎo)致原子毀滅電子能量的連續(xù)衰減將導(dǎo)致原子毀滅;(2)氫原子線狀光譜的頻率說明不同電子能級(jí)之間的能差不連續(xù)氫原子線狀光譜的頻率說明不同電子能級(jí)之間的能差不連續(xù)（二）玻爾理論（二）玻爾理論-要認(rèn)識(shí)其兩面性要認(rèn)識(shí)其兩面性1、核外電子只能在一些符合特定量子化條件、核外電子只能在一些符合特定量子化條件即描述即描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某些物理量只能

6、取一些不連續(xù)的分立電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某些物理量只能取一些不連續(xù)的分立數(shù)值數(shù)值的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的圓形軌道上運(yùn)動(dòng);2、在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有不同的能量、在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有不同的能量(離核越離核越遠(yuǎn)能量越高遠(yuǎn)能量越高);電子能級(jí)服從量子化條件電子能級(jí)服從量子化條件3、當(dāng)電子在不同能級(jí)的軌道間躍遷時(shí)就會(huì)吸收或放出、當(dāng)電子在不同能級(jí)的軌道間躍遷時(shí)就會(huì)吸收或放出能量能量,且滿足量子化條件且滿足量子化條件213.6 :,1,2,3 .).(1,.nEeVnnn 量子數(shù) 只能取的正整的能級(jí)是氫原子的能量最低狀態(tài) 稱為基態(tài)量子數(shù)高于1的能級(jí)狀態(tài)均稱數(shù)不連續(xù)為激發(fā)態(tài)21()EEhJsh-34為普朗克常數(shù)6

7、.626 10玻爾理論的意義與局限玻爾理論的意義與局限:1.玻爾理論沖破了經(jīng)典物理學(xué)能量連續(xù)化的束縛玻爾理論沖破了經(jīng)典物理學(xué)能量連續(xù)化的束縛,用量子化觀用量子化觀點(diǎn)正確解釋了氫原子光譜點(diǎn)正確解釋了氫原子光譜;2.沒有認(rèn)識(shí)到電子的波粒二象性沒有認(rèn)識(shí)到電子的波粒二象性,無法解釋多原子光譜及氫原無法解釋多原子光譜及氫原子光譜在磁場中的變化子光譜在磁場中的變化.(一一)微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性1():,:,hmm德布羅意關(guān)系式波長 反映粒子的波動(dòng)性分別為粒子的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度 反映粒子性第二節(jié)第二節(jié) 微觀粒子的特性微觀粒子的特性(重點(diǎn)重點(diǎn))1924年德布羅意年德布羅意(法法)據(jù)光的波粒二

8、象性預(yù)言據(jù)光的波粒二象性預(yù)言:所有微觀所有微觀粒子粒子(電子電子、中子中子、原子原子、分子分子)均具有波粒二象性均具有波粒二象性據(jù)電子運(yùn)動(dòng)速度及質(zhì)量可求得電子據(jù)電子運(yùn)動(dòng)速度及質(zhì)量可求得電子的波長為的波長為728pm電子電子波動(dòng)性的證據(jù)波動(dòng)性的證據(jù):電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射圖常被看作電子衍射圖常被看作概率波概率波圖圖:明暗環(huán)紋看明暗環(huán)紋看作是電子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作是電子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,明亮環(huán)紋對(duì)應(yīng)電明亮環(huán)紋對(duì)應(yīng)電子出現(xiàn)的高幾率子出現(xiàn)的高幾率.電子的電子的波動(dòng)導(dǎo)致電子運(yùn)動(dòng)并無軌跡確定的軌波動(dòng)導(dǎo)致電子運(yùn)動(dòng)并無軌跡確定的軌道道,只能用出現(xiàn)概率高的空間來描述只能用出現(xiàn)概率高的空間來描述.(二）不確

9、定原理二）不確定原理1927年海森堡年海森堡(德德)提出提出:不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定微不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定微觀粒子的位置和動(dòng)量觀粒子的位置和動(dòng)量.意義：意義：1.電子的動(dòng)量確定得越準(zhǔn)確電子的動(dòng)量確定得越準(zhǔn)確,則電子位置則電子位置的不確定性就越大的不確定性就越大,反之電子所在位置越準(zhǔn)確反之電子所在位置越準(zhǔn)確則其動(dòng)量則其動(dòng)量(速度速度)的不確定性越大的不確定性越大.():xxxphxpm 測不準(zhǔn)原理粒子位置的不確定值粒子動(dòng)量()的不確定值 2.電子不確定原理否定了玻爾的量子化電子不確定原理否定了玻爾的量子化原子軌道理論原子軌道理論:具有一定運(yùn)動(dòng)速率的電子不可具有一定運(yùn)動(dòng)速率的電子不可能沿著軌跡確定的固定

10、軌道運(yùn)行能沿著軌跡確定的固定軌道運(yùn)行.1第三節(jié)第三節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)氫原子結(jié)構(gòu)一一、 氫原子的薛定諤方程及其解氫原子的薛定諤方程及其解19261926年薛定諤年薛定諤( (奧地利奧地利) )建立了描述電子運(yùn)建立了描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)方程動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)方程(-是波函數(shù)，代表概率是波函數(shù)，代表概率)2222222222228()0()meExyzhxyz其中 為描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù) 原子軌道1.1.為解出薛定諤方程為解出薛定諤方程, ,將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)22222222221118()(sin)()0sinsin4merErrrrrhr 2.將波函數(shù)將波函數(shù)看作三個(gè)獨(dú)立變

11、量看作三個(gè)獨(dú)立變量r,的函數(shù)的函數(shù),通過變量分通過變量分離法得到三個(gè)常微分方程離法得到三個(gè)常微分方程( , , )( )( )( )rR r 222222222242222220(1),1( )22(1) ( ):()( )12(1) ()()0 (1,2,3,.)22nR rmZemR rrrr EkR rrrhhddRmZel lrRr drdkl lrhrrmeZeZEnhnanE 方程得(聯(lián)屬拉蓋爾方程)只有當(dāng) 時(shí)該方程才有收斂引入量子化條件的確定解整理.對(duì)應(yīng)每123212,1302(1)!( )()( )2 ()!lln lnZnlRreLnan nl 一個(gè)n值可解一個(gè)相應(yīng)的徑向波函

12、數(shù) 得n稱為主量子數(shù)稱為主量子數(shù),決定氫原子各軌道的能量決定氫原子各軌道的能量.n=l+1+(為包為包括括0的正整數(shù)的正整數(shù));當(dāng)當(dāng)n=1,2,3,時(shí)時(shí),l的許可值的許可值0,1,2,(n-1)2221| | |2222,| |sin( )(2) ( ):(sin)sin( ) 1(sin)0sinsin|21 (|)!1( )(1 cos)(cos2 (|)!2 !co(1)s,ml ml mll mkmddmkddlmllmdlmldkl l 方程得只有當(dāng)式中時(shí)該方程才有收斂的確定引入量子化解條件整理,0, 1, 2,.,(21)1)llmllml 稱為角量子數(shù); 稱為磁量子數(shù)取值當(dāng)確定時(shí)

13、 可取式中個(gè)值2222221( )(3)( ):( ) 0 ,0, 1, 2,. 1( )2immmdmdmle 稱為磁量子數(shù) 取值范圍方程方程解的復(fù)數(shù)形式為 式中3.將分別解出的三個(gè)函數(shù)解相乘得到波函數(shù)將分別解出的三個(gè)函數(shù)解相乘得到波函數(shù)(r,)的的函數(shù)解函數(shù)解(如如P197表表1),這種表達(dá)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)這種表達(dá)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)稱稱為原子軌道為原子軌道.(成為作圖的基礎(chǔ)成為作圖的基礎(chǔ))二、二、 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)n,l,m,ms 人為賦予的物理意義人為賦予的物理意義名稱名稱與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系量子化限制量子化限制電子排布的關(guān)系電子排布的關(guān)系主量主量子數(shù)子數(shù)n決定原子軌道

14、能量決定原子軌道能量(n越越大大,電子離核越遠(yuǎn)電子離核越遠(yuǎn),能量越能量越高高)n=1,2,3,4,5,6,7K,L,M,N,O,P,Q1.將核外電子的運(yùn)將核外電子的運(yùn)動(dòng)空間區(qū)分為不同動(dòng)空間區(qū)分為不同電子層電子層;2.通常分為通常分為7層層角量角量子數(shù)子數(shù)l決定軌道的角動(dòng)量與形決定軌道的角動(dòng)量與形狀狀l=0,1,2,n-1 (s,p,d,f,g,h)1.使同一電子層分使同一電子層分為不同亞層為不同亞層;2.n確定時(shí)確定時(shí),有有n個(gè)個(gè)電電子亞層子亞層磁量磁量子數(shù)子數(shù)m決定軌道的空間伸展方?jīng)Q定軌道的空間伸展方向向m=0,1,2,l1.簡并軌道受磁場簡并軌道受磁場作用能量變化作用能量變化;2.當(dāng)當(dāng)l確

15、定時(shí)確定時(shí),有有2l+1個(gè)簡并軌道個(gè)簡并軌道自旋自旋量子量子數(shù)數(shù)ms表述電子的自旋方向表述電子的自旋方向ms=+1/2,-1/2 (,)1.區(qū)分為兩種自旋區(qū)分為兩種自旋方向方向;2.每個(gè)軌道最多可每個(gè)軌道最多可容納容納2個(gè)個(gè)電子電子 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)n,l,m,ms與核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系與核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系是理解、掌握核外電子排布規(guī)律的基礎(chǔ)是理解、掌握核外電子排布規(guī)律的基礎(chǔ)n電子層電子層 l = 0,1,2,(n-1)電子亞層電子亞層 m =0, 1., l軌道數(shù)軌道數(shù)1K01s01 12L02s013 412p-1,0,+13M03s0135 9 13p-1,0,+123d

16、-2,-1,0,+1,+24N04s01357 1614p-1,0,+124d-2,-1,0,+1,+234f-3,-2,-1,0,+1,+2,+3 1. 確定了三個(gè)量子數(shù)確定了三個(gè)量子數(shù)n,l,m便可確定一個(gè)原子軌道便可確定一個(gè)原子軌道(n,l,m);主量子主量子數(shù)為數(shù)為n的電子層中共有的電子層中共有n2個(gè)個(gè)原子軌道原子軌道; 2. 只有確定四個(gè)量子數(shù)只有確定四個(gè)量子數(shù)n,l,m,ms才能確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才能確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).2三三、 氫原子波函數(shù)及其平方的圖形氫原子波函數(shù)及其平方的圖形理解分子結(jié)構(gòu)與成鍵理解分子結(jié)構(gòu)與成鍵(一一)波函數(shù)波函數(shù)(r,)的圖解需要四維坐標(biāo)的圖解需要四

17、維坐標(biāo),通常分解為通常分解為R(r)和和Y(,)兩個(gè)函數(shù)的乘積在三維空間解析兩個(gè)函數(shù)的乘積在三維空間解析.2sinddxdydz rdrd d 1.徑向分布徑向分布Rn,l(r):坐標(biāo)系中某點(diǎn)附近的微體積坐標(biāo)系中某點(diǎn)附近的微體積222( , , ) ( ) ( ) ( )sinrdRrrdrd d 電子出現(xiàn)的幾率電子出現(xiàn)的幾率22222000022( , , ) ( ) ( ) ( )sin ( )( )rdR rrdrd dr R r drD r dr 電子出現(xiàn)在該微空間的幾率電子出現(xiàn)在該微空間的幾率以徑向分布函數(shù)以徑向分布函數(shù)D(r)對(duì)對(duì)r作圖得到電子出現(xiàn)幾率的作圖得到電子出現(xiàn)幾率的徑向分

18、布圖徑向分布圖(電子云的徑向分布圖電子云的徑向分布圖).(1) 氫原子氫原子1s軌道在距核軌道在距核0.0529nm處有處有峰峰值值,表明基態(tài)時(shí)氫原子的表明基態(tài)時(shí)氫原子的核外電子出現(xiàn)幾率最高的位置是以核外電子出現(xiàn)幾率最高的位置是以0.0529nm為半徑的薄層球殼內(nèi)為半徑的薄層球殼內(nèi);(2)徑向分布圖中極大值徑向分布圖中極大值峰峰的數(shù)目的數(shù)目=n-l,當(dāng)當(dāng)n相同時(shí)相同時(shí)l越小峰數(shù)越多越小峰數(shù)越多;(3)當(dāng)當(dāng) l相同時(shí)相同時(shí)n越大最高峰離核越遠(yuǎn)越大最高峰離核越遠(yuǎn),而次高峰出現(xiàn)的位置離核越近而次高峰出現(xiàn)的位置離核越近;當(dāng)當(dāng)n相同時(shí)相同時(shí)l值越小的軌道它的第一個(gè)峰離核越近值越小的軌道它的第一個(gè)峰離核越

19、近,即即l值越小的軌道值越小的軌道第一個(gè)峰鉆得越深第一個(gè)峰鉆得越深.是鉆穿效應(yīng)和能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象發(fā)生的原因是鉆穿效應(yīng)和能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象發(fā)生的原因2.角度分布角度分布:Yl,m(, )是波函數(shù)是波函數(shù)n,l,m的角度部分的角度部分,可借助于通可借助于通過原點(diǎn)的一個(gè)或幾個(gè)平面上過原點(diǎn)的一個(gè)或幾個(gè)平面上Y函數(shù)的極坐標(biāo)剖面圖函數(shù)的極坐標(biāo)剖面圖來表示原來表示原子軌道的角度分布子軌道的角度分布.如如pz軌道軌道(表表8-3)(1)由于角度分布函數(shù)由于角度分布函數(shù)Y與主量子數(shù)與主量子數(shù)n無關(guān)無關(guān),因此當(dāng)因此當(dāng)l,m相同時(shí)相同時(shí),原子軌道原子軌道的角度分布圖形是相同的的角度分布圖形是相同的;其中其中s型型軌道無角度依

20、賴性軌道無角度依賴性(球形對(duì)稱球形對(duì)稱),p型型軌道呈軌道呈“啞鈴啞鈴”形形(3個(gè)方向個(gè)方向),d型軌型軌道呈道呈“花瓣花瓣”形形(5個(gè)方向個(gè)方向);(2)除除s軌道外軌道外,p,d,f軌道的角度分布軌道的角度分布圖均有圖均有“”“”“”之分之分,這對(duì)成鍵這對(duì)成鍵方向極為重要方向極為重要;(二二)波函數(shù)平方波函數(shù)平方2(r, )的角度分布的角度分布1.波函數(shù)平方波函數(shù)平方2(r, ) 的物理的物理意義為核外空間意義為核外空間某點(diǎn)電子出現(xiàn)的某點(diǎn)電子出現(xiàn)的概率密度概率密度,與電子與電子云密度相對(duì)應(yīng)云密度相對(duì)應(yīng).圖圖解也需分解為解也需分解為R2(r)和和Y2(, )兩兩函數(shù)的積函數(shù)的積.2.電子云的

21、角度分電子云的角度分布圖是電子概率布圖是電子概率密度的角函數(shù)密度的角函數(shù)Y2(, ) 隨角度隨角度(, )變化的圖形變化的圖形.(三三)、 與與 2角度分布圖對(duì)比角度分布圖對(duì)比(1)除除s軌道外軌道外,波函數(shù)的角度波函數(shù)的角度分布圖有正負(fù)之分分布圖有正負(fù)之分,而電子而電子云角度分布圖中沒有正負(fù)云角度分布圖中沒有正負(fù)區(qū)域的差別區(qū)域的差別;(2)電子云角度分布圖相對(duì)電子云角度分布圖相對(duì)軌道的角度分布圖要軌道的角度分布圖要“狹狹窄窄”一些一些,因?yàn)榻嵌确植己驗(yàn)榻嵌确植己瘮?shù)數(shù)Y1.3第四節(jié)第四節(jié) 多電子原子結(jié)構(gòu)多電子原子結(jié)構(gòu)一、影響軌道能級(jí)的電子效應(yīng)一、影響軌道能級(jí)的電子效應(yīng):屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)屏蔽

22、效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)1.屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng):由于受到其它電子排斥導(dǎo)致指定電子所由于受到其它電子排斥導(dǎo)致指定電子所受有效核電荷引力下降的現(xiàn)象受有效核電荷引力下降的現(xiàn)象.近似看成電子的相互排斥對(duì)核電荷數(shù)的抵消作用近似看成電子的相互排斥對(duì)核電荷數(shù)的抵消作用*:():ZZZZ核電荷數(shù)被其它電子屏蔽后剩余的核電荷 有效核電荷數(shù)屏蔽系數(shù)(相當(dāng)被抵消的正電荷數(shù)),可由光譜實(shí)驗(yàn)求取斯萊特規(guī)則斯萊特規(guī)則:(1)外層電子對(duì)內(nèi)層電子的外層電子對(duì)內(nèi)層電子的=0;(2)1s軌道中電子相互間的軌道中電子相互間的=0.30,其余軌道電子相互間的其余軌道電子相互間的=0.35(3)最外層最外層ns和和np軌道中電子受到次外層軌道中電

23、子受到次外層(n-1)電子的電子的=0.85,受到其受到其余內(nèi)層電子的余內(nèi)層電子的=1.0;(4)nd和和nf軌道中電子受到同一軌道中其它電子的軌道中電子受到同一軌道中其它電子的=0.35,受到其它受到其它軌道電子的軌道電子的=1.0;屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致:(1)主量子數(shù)主量子數(shù)n相同而角量子數(shù)相同而角量子數(shù)l不同的軌道能級(jí)不同的軌道能級(jí)分裂分裂EnsEnpEndEnfEngEnh(2)主量子數(shù)主量子數(shù)n不同而角量子數(shù)不同而角量子數(shù)l相同的軌道間能相同的軌道間能級(jí)差級(jí)差別別拉大拉大E3dE4dE5d; E4fE5fE6f2.鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng):由于徑向分布不同由于徑向分布不同、外層電子鉆穿內(nèi)

24、層電外層電子鉆穿內(nèi)層電子屏障出現(xiàn)在近核處的概率不同子屏障出現(xiàn)在近核處的概率不同,從而導(dǎo)致從而導(dǎo)致能量不同能量不同的的現(xiàn)象現(xiàn)象. n越大越大、 l越小的軌道徑向分布的峰數(shù)越多越小的軌道徑向分布的峰數(shù)越多、次次峰和小峰靠近核的程度越大峰和小峰靠近核的程度越大、鉆穿能力越強(qiáng)鉆穿能力越強(qiáng).3.屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)共同導(dǎo)致共同導(dǎo)致:(1)主量子數(shù)主量子數(shù)n相同而角量子數(shù)相同而角量子數(shù)l不同的軌道不同的軌道能級(jí)分裂能級(jí)分裂EnsEnpEndEnfEngEnh(2)主量子數(shù)主量子數(shù)n和角量子數(shù)和角量子數(shù)l不同的軌道間不同的軌道間能級(jí)發(fā)生交錯(cuò)能級(jí)發(fā)生交錯(cuò)E4sE3dE4p; E5sE4dE5p

25、 ; E6sE4fE5dE6p二二 多電子原子軌道的近似能級(jí)圖多電子原子軌道的近似能級(jí)圖 奠定了正確排奠定了正確排列列多電子原子結(jié)多電子原子結(jié)構(gòu)式構(gòu)式和和元素周期元素周期表表的基礎(chǔ)的基礎(chǔ).1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p 美國化學(xué)家鮑林根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)給出了多電子原子軌美國化學(xué)家鮑林根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)給出了多電子原子軌道的近似能級(jí)圖道的近似能級(jí)圖 近似能級(jí)次序近似能級(jí)次序:三三 、基態(tài)原子核外電子排布基態(tài)原子核外電子排布 基態(tài)原子核外電子排布遵守泡利不相容原理基態(tài)原子核外電子排布遵守泡利不相容原理、能量能量最低原理和洪特規(guī)則最低原理和洪特規(guī)則. 即多電子原子電

26、子排布次序應(yīng)遵守鮑林近似能級(jí)圖即多電子原子電子排布次序應(yīng)遵守鮑林近似能級(jí)圖 1.泡利不相容原理泡利不相容原理:在同一原子中不可能存在四個(gè)量在同一原子中不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子子數(shù)完全相同的電子. 一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)n,l,m,ms確定確定, 確定了其中三個(gè)確定了其中三個(gè)量子數(shù)量子數(shù)n,l,m便可確定一個(gè)原子軌道便可確定一個(gè)原子軌道(n,l,m);主量子數(shù)為主量子數(shù)為n的電子的電子層共有層共有n2個(gè)原子軌道個(gè)原子軌道,每一個(gè)原子軌道中最多只能容納兩個(gè)自旋方每一個(gè)原子軌道中最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子向相反的電子,因此每一電子層最多所能容納

27、的電子總數(shù)為因此每一電子層最多所能容納的電子總數(shù)為2n2.如如10Ne:1s22s22p6 2.能量最低原理能量最低原理:在遵守泡利不相容原理的前提下在遵守泡利不相容原理的前提下,核核外電子總是盡先排布在能量更低的軌道上外電子總是盡先排布在能量更低的軌道上. 3.洪特規(guī)則洪特規(guī)則:電子在電子在簡并簡并軌道軌道(即即n和和l均相同的能量等均相同的能量等價(jià)軌道價(jià)軌道)上排布時(shí)上排布時(shí),總是盡可能以相同的自旋方向分占不總是盡可能以相同的自旋方向分占不同的軌道同的軌道. (1)在分析原子間成鍵情況時(shí)要用在分析原子間成鍵情況時(shí)要用軌道表示式軌道表示式 3.洪特規(guī)則洪特規(guī)則:電子在電子在簡并簡并軌道軌道(

28、即即n和和l均相同的能量均相同的能量等價(jià)等價(jià)軌道軌道)上排布時(shí)上排布時(shí),總是盡可能以相同的自旋方向分占總是盡可能以相同的自旋方向分占不同的軌道不同的軌道.4s3d如如26Fe: 1s22s22p63s23p64s23d6 (2)洪特規(guī)則特例洪特規(guī)則特例:簡并簡并軌道在全充滿軌道在全充滿(p6,d10,f14)、半充滿半充滿(p3,d5,f7)和全空和全空(p0,d0,f0)時(shí)體系能量較低時(shí)體系能量較低.如如3d44s2 3d54s13d94s2 3d104s124Cr:1s22s22p63s23p64s13d564Gd:1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s

29、24f75d1周期周期 1 2 3 4 5HeNeArKr2101836242+4Xe54252+4對(duì)復(fù)雜原子用原子實(shí)表示內(nèi)層電子排布對(duì)復(fù)雜原子用原子實(shí)表示內(nèi)層電子排布如如20Ca:Ar4s2; 59pr:Xe6s24f34第五節(jié)第五節(jié) 元素周期表元素周期表一、一、原子的電子層結(jié)構(gòu)與原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的周期的關(guān)系關(guān)系 現(xiàn)有現(xiàn)有112種元素基態(tài)原子的核外電子排布按能級(jí)組劃種元素基態(tài)原子的核外電子排布按能級(jí)組劃分為分為7個(gè)能級(jí)組個(gè)能級(jí)組,呈現(xiàn)為呈現(xiàn)為7個(gè)周期個(gè)周期(13為短周期為短周期,46長周期長周期,第第7為不完全周期為不完全周期)1.周期數(shù)周期數(shù)=該元素原子的電子層數(shù)該元素原子的電子層數(shù)

30、=最外層電子所處能級(jí)組數(shù)最外層電子所處能級(jí)組數(shù)=最外層電子的主量子數(shù)最外層電子的主量子數(shù)n2.每一周期所含元素?cái)?shù)目每一周期所含元素?cái)?shù)目=該能級(jí)組所有軌道所能該能級(jí)組所有軌道所能容納電子的總數(shù)容納電子的總數(shù)(2,8,8,18,18,32,32)二二、原子的電子層結(jié)構(gòu)與族原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的的關(guān)系關(guān)系 現(xiàn)有現(xiàn)有112種元素按基態(tài)原子外圍電子排布的相似性種元素按基態(tài)原子外圍電子排布的相似性縱向排列為縱向排列為18列列,IUPAC命名為命名為118族族.族序數(shù)族序數(shù)=該元素原子的價(jià)電子該元素原子的價(jià)電子(外圍電子外圍電子)總數(shù)總數(shù)我國習(xí)慣上將這我國習(xí)慣上將這18列劃分為列劃分為16族族,歸屬成歸屬成

31、4大類大類5個(gè)區(qū)個(gè)區(qū)1.主族主族(1,2,1317):族序族序=最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)(ns12np06 )=元素最高氧化值元素最高氧化值2.副族副族(37,11,12):族序族序=ns12+(n-1)d110電子數(shù)和電子數(shù)和=元素最高氧化值元素最高氧化值3.VIII族族(8,9,10):ns02(n-1)d6104. 0族族(18):最外層最外層ns2np6 ;元素氧化值為元素氧化值為0三三、原子的外圍電子構(gòu)型與元素分區(qū)關(guān)系原子的外圍電子構(gòu)型與元素分區(qū)關(guān)系分區(qū)分區(qū)外圍構(gòu)型外圍構(gòu)型包括元素包括元素元素性質(zhì)元素性質(zhì)sns12IA,IIA除除H外均為活潑金屬外均為活潑金屬,+1+2pns2np0

32、6IIIAVIIA,0多為非金屬多為非金屬;+3+7,-(8-族序族序)d(n-1)d19ns12IIIBVIIB,VIII均為金屬均為金屬,稱過渡元素稱過渡元素ds(n-1)d10ns12IBIIB均為金屬均為金屬,+1+2f(n-2)f114(n-1)d02ns2鑭系和錒系鑭系和錒系內(nèi)過渡元素內(nèi)過渡元素例例已知某元素的原子序數(shù)為已知某元素的原子序數(shù)為29，試寫出，試寫出該元素原子的電子排布式，并指出該元素該元素原子的電子排布式，并指出該元素在周期表中所屬周期、族和區(qū)。在周期表中所屬周期、族和區(qū)。或或Ar3d104s11s22s22p63s23p63d104s1周期表位置周期表位置:IB族族ds區(qū)區(qū)元素元素 電子排布式電子排布式周期周期族族區(qū)區(qū)19KAr 4s14IAs35BrAr 3d104s24p54VIIApM3+Ar 3d5+14s24VIIId電子排布式電子排布式:29X4周期周期例例指出下列元素在周期表中的位置指出下列元素在周期表中的位置第六節(jié)第六節(jié) 元素性質(zhì)的周期性元素性質(zhì)的周期性二二、原子半徑原子半徑1、定義、定義:通常指分子或晶體中相鄰核間距的一半通常指分子或晶體中相鄰核間距的一半.可按原子間作用分可按原子間作用分半徑半徑共價(jià)共價(jià)金屬金屬范德華范德華2、遞變規(guī)律、遞變規(guī)律一