原子結(jié)構(gòu)和元素周期系

1、第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期系1、原子核外電子運(yùn)動有什么特性？解：原子核外電子的運(yùn)動和光子的運(yùn)動一樣，具有波粒二象性。不能同時準(zhǔn)確測定它的位置和速度，即服從測不準(zhǔn)關(guān)系，因而電子的運(yùn)動不遵循經(jīng)典力學(xué)，無確定的運(yùn)動軌道，而是服從量子力學(xué)，需用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述。也就是說量子力學(xué)研究的只是電子在核外空間某地方出現(xiàn)的可能性，即出現(xiàn)的幾率大小。2、氫光譜為什么可以得到線狀光譜？譜線的波長與能級間能量差有什么關(guān)系？求電子從第四軌道跳回第二軌道時，H譜線之長。解：在通常情況下，氫原子的電子在特定的穩(wěn)定軌道上運(yùn)動不會放出能量。因此在通常條件下氫原子是不會發(fā)光的。但是當(dāng)氫原子受到激發(fā)（如在高溫或電場下）時，核外電子獲

2、得能量就可以從較底的能級躍遷到較高的能級，電子處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，它會迅速地跳回到能量較底的能級，并將多余的能量以光的形式放出，放出光的頻率（或波長）大小決定于電子躍遷時兩個能級的能量差，即：由于軌道能量的量子化，即不連續(xù)的，所以激發(fā)態(tài)的電子由較高能級跳回到較低能級時，放出光的頻率（或波長）也是不連續(xù)的，這是氫原子光譜是線狀光譜的原因。譜線的波長和能量的關(guān)系為： 3.289×1015()電子從第四軌道跳回第二軌道時，HB譜線的波長為：3、當(dāng)氫原子的一個電子從第二能級躍遷至第一能級，發(fā)射出光子的的波長為121.6nm，當(dāng)電子從第三能級躍遷至第二能級，發(fā)射出光子的的波長為

3、656.3nm。試通過計(jì)算回答：(1) 哪一種光子的能量大？(2) 求氫原子中電子的第三與第二能級的能量差，以及第二與第一能級的能量差。解：(1) 由于能量與波長有如下關(guān)系由此可知：波長越短，能量越高，因此電子從第二能級躍遷到第一能級發(fā)射出的光子能量大。(2) 根據(jù)公式：4、氫原子的核外電子在第四軌道上運(yùn)動時的能量比它在第一軌道上運(yùn)動的能量多12.7eV。這個核外電子由第四軌道躍入第一軌道時，所發(fā)出的頻率和波長是多少？解：根據(jù)公式：已知：，代入上式得5、玻爾理論有哪幾條主要假設(shè)？根據(jù)這些假設(shè)得到那些結(jié)果？解決了什么問題？有什么缺點(diǎn)？解：玻爾理論有三條假設(shè)：(1) 核外電子運(yùn)動取一定的軌道，在軌

4、道上運(yùn)動的電子不吸收能量也不放出能量，第一條假設(shè)回答了原子可以穩(wěn)定存在；(2) 在一定軌道上運(yùn)動的電子有一定的能量，而能量只能取某些由量子化條件決定的正整數(shù)值，由量子化條件可推出氫原子核外軌道能量公式E = -13.6/n2eV = 2.179×10-18/n2 J原子在正?；蚍€(wěn)定狀態(tài)時，各電子層盡可能處在離核最近的軌道上。這時電子的能量最低。這條假設(shè)也決定了原子可以穩(wěn)定存在；(3) 只有電子從高能級躍遷到低能級時，原子就會以光子形式放出能量，釋放出光子的頻率和能量的關(guān)系為放出光子的頻率（或波長）是不連續(xù)的，這就是氫原子光譜是線狀光譜的原因。玻爾理論的局限性(1) 不能解釋氫原子光譜

5、的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及譜線分裂現(xiàn)象；(2) 不能解釋多電子原子、分子光譜；(3) 不能解釋電子為什么在一定軌道上穩(wěn)定存在而不放出能量。6、原子軌道、幾率密度和電子云等概念有何聯(lián)系和區(qū)別？解：薛定諤方程的每一個合理解y，都表示該微觀粒子運(yùn)動的某一種狀態(tài)，微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)是用波函數(shù)y來描述的，所以波函數(shù)y是描述核外電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式。n、l、m三個量子數(shù)確定一個波函數(shù)y，也即確定電子在空間運(yùn)動的范圍。可以粗略地把波函數(shù)y看作是在x、y、z三維空間里找到該運(yùn)動電子的區(qū)域。波函數(shù)y稱為原子軌道，所以原子軌道是波函數(shù)y的同義語。波函數(shù)y本身并無具體的物理意義。但波函數(shù)y絕對值的平方|y|2卻有明確的物理

6、意義。|y|2則是電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率。即電子的幾率密度。電子云是電子在核外空間出現(xiàn)幾率密度分布的形象化描述。也可以說電子云是|y|2的具體圖像。電子云圖像中，小黑點(diǎn)密集的地方表示電子的幾率密度大，小黑點(diǎn)稀的地方表示電子的幾率密度小。原子軌道、幾率密度、電子云都是描述核外電子運(yùn)動的。它們雖有聯(lián)系，但各個描述的方式和所代表的函義又是不同的。電子云和原子軌道角度分布圖基本相似，但電子云的分布圖要比原子軌道的分布圖“瘦”些，而原子軌道角度分布圖則有正負(fù)號，電子云角度分布圖沒有正負(fù)號。而幾率密度卻是描述核外電子在某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)幾率多少。7、下列說法是否正確？應(yīng)如何改正？(1) “s電子繞核

7、旋轉(zhuǎn)，其軌道為一圓，而p電子是走¥形”。(2) “主量子數(shù)為1時，有自旋相反的兩條軌道”。(3) “主量子數(shù)為3時，有3s、3p、3d、3f四條軌道”。解：(1) 不正確。因?yàn)殡娮舆\(yùn)動并無固定軌道，應(yīng)該說s電子在核外運(yùn)動電子云圖象是一個球體，其剖面圖是個園，而p電子云圖象是啞鈴形，其剖面圖是¥形。(2) 不正確。應(yīng)說n=1的電子層中，l=0、m=0只有一個1s軌道，可容納兩個自旋相反的電子。(3) 不正確。n=3時，l只能取0、1、2，即只有3s、3p、3d三個能級，沒有3f。同時3p還有m = 0,±1三種不同的空間取向，是三種不同的空間運(yùn)動狀態(tài)，有三條原子軌道

8、，同樣3d，m可為0、±1、±2五種空間取向，有五條原子軌道。每條原子軌道又有兩種自旋狀態(tài)。因此應(yīng)說：n =3時，有9條原子軌道，電子的最大可能狀態(tài)數(shù)18。8、有無以下的電子運(yùn)動狀態(tài)？(1) n = 1, l = 1, m = 0 (2) n = 2, l = 0, m = ±1(3) n = 3, l = 3, m = ±3 (4) n = 4, l = 3, m = ±2解：(1) 沒有。因?yàn)閘最大只能為n 1，所以當(dāng)n = 1時、l只能為0，不能為1；若要l = 1，則必須中任何一個值，而不能為1。(2) 沒有。因?yàn)閙最大只能為±

9、;l，所以當(dāng)l = 0時、m只能為0，不能為±1；若要m =±1，則必須n = 2時，l 必須為1，而不能為0。(3) 沒有。因?yàn)閚 = 3，l就不能為3時，m也不能為±3；若要l = 3、m =±3，則必須中任何一個值，而不能為3。(4) 有。因?yàn)橛袃山M合理的n、l、m值，是表明兩條原子軌道。9、填充合理的量子數(shù)：(1) n = ?, l = 2, m = 0, ms = +1/2 (2) n = 2, l = ?, m = ±1, ms = 1/2(3) n = 4, l = 2, m = 0, ms = ? (4) n = 2, l =

10、0, m = ?, ms = +1/2 解：(1) n ³ 3中的任何一個整數(shù)；(2) l = 1 (3) ms = +1/2或1/2 (4) m = 010、n = 3, l有多少可能值？n = 3，共有多少軌道？電子的最大可能狀態(tài)數(shù)為多少？解：n ³ 3時，l可以取0、1、2三個值，n = 3共有9條軌道，電子的最大可能狀態(tài)數(shù)為18。11、畫出：(1) s、py、px、pz、dxy、dyz、dxz、dz2、dx2y2原子軌道角度分布圖(2) s、py、px、pz、dxy、dyz、dxz、dz2、dx2y2電子云角度分布圖解：(1) 原子軌道角度分布分別如圖61(2) 電

11、子云角度分布圖分別如圖62 圖61原子軌道的角度分布圖 圖62電子云的角度分布圖12、什么叫屏蔽效應(yīng)？什么鉆穿效應(yīng)？應(yīng)如何解釋下列軌道能量的差別？(1) E1s<E2s<E3s<E4s (2) E3s<E3p<E3d (3) E 4s<E3d解：在多電子原子中，電子不僅受到原子核的引力，而電子之間還有斥力，這種斥力的存在，相當(dāng)于減弱了原子核對外層電子的引力，即：式中，為有效核電荷數(shù)，為屏蔽常數(shù)。由于其他電子對選定電子的排斥作用，而抵消了一部分核電荷，就相當(dāng)于核電荷對選定電子的吸引力的減弱，這種效應(yīng)稱屏蔽效應(yīng)。由于電子的角量子數(shù)l不同，其幾率的徑向分布不同，電

12、子鉆到核附近的幾率較大，受到核的引力大，因而能量不同的現(xiàn)象稱為鉆穿效應(yīng)。(1) E1s< E2s< E3s < E4s，應(yīng)該用屏蔽效應(yīng)解釋。當(dāng)l相同，n不同時，n越大，電子離核越遠(yuǎn)，原子中其它電子對它的屏蔽作用越大，原子核對外層電子的吸引力減小，能量升高，所以：E1s< E2s< E3s < E4s(2) E3s< E2p< E3d用鉆穿效應(yīng)解釋：對于n相同而l不同的電子，穿入內(nèi)層的能力不同，ns>np>nd>nf，s電子穿透內(nèi)層的能力大些，即在離核較近的地方s電子出現(xiàn)的幾率比p、d、f電子大些，電子穿透內(nèi)層的程度越大，受到其它

13、電子的蔽屏作用越小，受到核的引力越強(qiáng)，能量越低，這就解釋了n相同、l不同的各軌道能量順序?yàn)镋ns< Enp< End < Enf的原因。同屬于第三電子層的3s、3p、3d，其徑向分布不同，3s有3個峰，3s電子除有較多機(jī)會出現(xiàn)在離核遠(yuǎn)的區(qū)域外，3s電子在離核最近的地方有小峰，鉆到核附近的機(jī)會較多，即在離核較近了地方3s電子出現(xiàn)的幾率比3p、3d大些。3d電子鉆到核附近的機(jī)會更?。ㄒ妶D63）。由此可見，受到屏蔽作用依次增大，能量依次升高，即E3s< E2p< E3d。(3) E4s < E3d，鉆穿效應(yīng)解釋能級交錯現(xiàn)象，從徑向分布圖看出（圖64），4s的最大峰

14、雖比3d離核遠(yuǎn)，但它有小峰鉆到核的附近，回避了其他電子的屏蔽。結(jié)果降低了4s軌道的能量。故E4s<E3d。4s3drrr3d3p3s 圖63 3s、3p、3d電子云徑向分布圖 圖64 4s、3d電子云的徑向分布圖13、試以鉀原子為例來說明電子層，能級，能級組等概念的聯(lián)系與區(qū)別。解：電子層：n相同的原子軌道雖然能量不同，但由于離核的平均距離相同，構(gòu)成一個電子層，電子層也叫能層。能 級：每條原子軌道都有能量，能量相同的原子軌道構(gòu)成一個能級。能級組：能量相近的能級構(gòu)成一個能級組，用n+0.7l規(guī)則，第一位數(shù)字相同的并為一個能級組。鉀的電子結(jié)構(gòu)式為：1s22s22p63s23p64s1電子層數(shù)：

15、4 能級數(shù)：6 能級組數(shù)：414、在氫原子中4s和3d哪一個軌道能量高？19號元素鉀和20號元素鈣的4s和3d軌道哪一個能量高？說明理由。解：在氫原子中4s的能量高于3d能量，因?yàn)镠原子核外只有一個電子，沒有能級交錯現(xiàn)象，能量只決定于主量子數(shù)n，n越大，能量越高，故E4s>E3d而鉀和鈣是多電子原子，4s電子鉆到內(nèi)部空間更靠近原子核，有較大的鉆穿效應(yīng)，使能級發(fā)生交錯，因此鉀和鈣的E4s<E3d。15、略16、寫出下列元素的價電子構(gòu)型：9，12，16，35，IIA族，IIB族，VIA族，希有氣體。解： 原子序數(shù)或 族 數(shù)元素符號價電子構(gòu)型9121635IIA族IIB族VIA族希有氣體

16、FMgSBr2S22P53S23S23P44S24P5nS2(n1)d10nS2nS2nP4nS2nP6(He 1S2)17、已知下列元素原子的價電子構(gòu)型為：3S2；4S24P1；3d54S2；3S23P3它們分別屬于第幾周期？第幾族，最高化合價是多少？解：價電子構(gòu)型周期 族最高化合價4s2 4 IIA +24s24p1 4 IIIA +33d54s2 4 VIIB +73s23p33 VA +518、多電子原子中核外電子排布遵守哪些基本規(guī)律？由此說明周期表136號元素的電子排布。解：遵守以下基本規(guī)律：(1) 能量最低原理：即電子排布從能量最低的軌道開始，由低到高依次排布(2) 泡利不相容原理

17、，即每個原子軌道最多只能容納兩個自旋相反的電子(3) 洪特規(guī)則：即電子分布在角量子數(shù)l相同的簡并軌道上時，總是盡可能分占不同的軌道，而且自旋平行。亦即最多軌道原則；另外等價軌道全空，半充滿，全充滿的結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定狀態(tài)。對于周期表中1-36號元素的電子排布，首先根據(jù)各元素原子核外電子數(shù)（即原子序數(shù)），按照各原子軌道能級由低至高的順序排布。對于核外有6個電子的碳原子，其電子排布是1s22s22p2，兩個2p電子分占2p的三個等價軌道中的兩個。對于19號元素鉀，因?yàn)镋3d>E4s，所以先排4s后填3d，即是1s22s22p63s23p64s1而不是1s22s22p63s23p63d1，對于24號鉻

18、與29號銅，因3d全空，半滿或全滿時較穩(wěn)定，所以Cr的價電子結(jié)構(gòu)是3d54s1，而不是3d44s2，Cu是3d104s1，而不是3d94s2，其余元素原子的電子排布遵照規(guī)律依次排布即可。19、說明下列事實(shí)的原因：(1) 元素的最外層電子數(shù)不超過8個。(2) 元素的次外層電子數(shù)不超過18個。(3) 各周期所包含的元素?cái)?shù)分別為2，8，8，18，18，32個。解：(1)元素最外層電子數(shù)不超過8個，這是多電子原子中原子軌道能級交錯的自然結(jié)果。每層填充的電子如要超過8個，除了填s，p軌道外，還應(yīng)填充d軌道，而主量子數(shù)n3時才有d軌道，在第四周期，由于E4S<E3d ，電子要填充3d，根據(jù)能量最低原

19、理，必須先填充4s軌道，電子一進(jìn)入4s軌道，增加了一個新電子層，3d就變成了次外層，所以原子最外層電子數(shù)最多不超過8個，其它周期也適用。(2) 元素次外層電子數(shù)不超過18個，同樣用能級交錯解釋，次外層電子數(shù)要超過18個，除了填s，p，d軌道外，還必須填f軌道，但是多電子原子中，EnsE（n-2）f（如E6s<E4f）在填充次外層的f軌道前，必須先填充次外層還多兩層的s軌道，這樣就又增加了一個新電子層，原來的次外層變成了倒數(shù)第三層，故任何原子的次外層電子數(shù)最多 不超過18個電子。(3) 各周期所包含的元素分別為2，8，8，18，18，32個，能級組的劃分是導(dǎo)致周期表中各元素能劃分為周期的本

20、質(zhì)原因。周期和能級組的對應(yīng)關(guān)系為：一個周期對應(yīng)一個能級組，周期數(shù)=能級組數(shù)，各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。一周2個元素，因?yàn)橐荒芗壗M只有1個1s軌道，它只能容納2個電子。二、三周期有8個元素，是因?yàn)槎?、三能級組共有4個軌道（二能級組有2s、2p，三能級組有3s，3p）可容納8個電子。四、五周期有18個元素，是因?yàn)樗摹⑽迥芗壗M共有9個軌道（四能級組有4s、3d、4p，五能級組有5s、4d、5p），可容納18個電子。六周期有32個元素，該周期中出現(xiàn)了4f軌道，六能級組有16個軌道（6s、4f、5d、6p），可容納32個電子。20、寫出具有下列電子排布的原子的核電荷數(shù)和

21、名稱。(1) 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p6;(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d7 5s1(3) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f7 5s2 5p6 5d1 6s2解：(1) 原子核電荷數(shù)為18，名稱氬（Ar）；(2) 原子核電荷數(shù)為44，名稱釕（Ru）；(3) 原子核電荷數(shù)64，名稱釓（Gd）。21、某元素原子的價電子構(gòu)型是3s23p4，問在第幾周期？第幾族？哪個區(qū)？解：某原子的價電子構(gòu)型是3s23p4，它應(yīng)在3周期，VIA族，p區(qū)元素（因?yàn)樽詈笠粋€電子填充在p能級上）。22、下列術(shù)語的含義

22、是什么？電離勢、電子親和勢、電負(fù)性。它們和元素周期律有什么樣的聯(lián)系？解：(1) 電離勢：基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個電子，變成+1價氣態(tài)陽離子所需要的能量，用I表示。失去一個電子所需要的能量，稱為第一電離勢I1，從+1價陽離子再失去一個電子，成為+2價陽離子所需要的能量，稱第二電離勢I2，依次類推，電離勢是正值。電離勢與元素周期律的關(guān)系：同一周期元素，從左到右隨核電荷數(shù)的增大，原子半徑減小，核對外層電子的引力增大，電離勢也逐漸增大。同一族元素，從上到下，核電荷數(shù)增大，原子半徑增大（主要作用），核對電子的引力減小，電離勢減小，稀有氣體I最大。(2) 電子親合勢：基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個電子成為負(fù)價的氣態(tài)

23、陰離子所放出的能量，稱為元素的電子親合勢。氣態(tài)原子結(jié)合一個電子放出的能量稱為第一電子親合勢，E1是正值，結(jié)合兩個電子形成負(fù)二價離子需要能量，稱第二電子親合勢，E2是負(fù)值。電子親合勢和元素周期律的關(guān)系：同一周期，從左到右，核電荷數(shù)增大，原子半徑減小，電子親合勢增大；同一族，從上到下，原子半徑增大，電子親合勢減小。最大的電子親合勢不是在每族的第二周期的元素，而是第三周期以下的元素，因?yàn)榈诙芷诘姆墙饘僭兀ㄈ鏔、O、N等），原子半徑較小，電子云密度大，電子間排斥力強(qiáng)，所以結(jié)合一個電子形成負(fù)離子時，放出的能量小。活潑的非金屬電子親合勢較大，周期表中Cl的電子親合勢最大。金屬的電子親合勢都比較小。(3

24、) 電負(fù)性：元素原子在分子中吸引電子的能力，稱為該元素的電負(fù)性，用X表示。電負(fù)性與元素周期律的關(guān)系：同一周期從左到右，電負(fù)性增大，同一族從上到下電負(fù)性減小，周期表中F的電負(fù)性最大，Cs的電負(fù)性最小，電負(fù)性小于2.0的則是金屬，電負(fù)性大于2.0則是非金屬。23、有第4周期的A、B、C、D四種元素，其價電子數(shù)依次為1、2、2、7，其原子序數(shù)依A、B、C、D依次增大。已知A與B的次外層電子數(shù)為8，而C與D為18。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)，判斷：(1) 那些是金屬元素？(2) D與A的簡單離子是什么？(3) 哪一元素的氫氧化物堿性最強(qiáng)？(4) B與D兩原子間能形成何種化合物？寫出化學(xué)式。解：由題設(shè)條件可推出它們的

25、價電子層結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)式價電子層結(jié)構(gòu)元素符號A 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p64s14s1KB 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s24s2CaC 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 3d104s2ZnD 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 4s24p5Br由此得到它們的元素符號：A為K，B為Ca，C為Zn，D為Br。(1) A、B、C都是金屬；即K、Ca、Zn。(2) A+、D-；即K+、Br。(3) KOH的堿性最強(qiáng)；(4) CaBr2是離子化合物。24、根據(jù)軌道填充順序圖，指出下表中各電子層的電子數(shù)有無錯誤，并說明理由

26、：元素KLMNOP1922303360222228108889818201822318122解：Z=19，有錯誤，因?yàn)樽钔鈱硬怀^8個電子。應(yīng)是2、8、8、1；Z=22，有誤，因?yàn)槊恳浑娮訉幼疃嗫扇菁{電子數(shù)為2n2，所以L層(n = 2)最多可容納的電子數(shù)應(yīng)為8，不能為10，應(yīng)該是2、8、8、2；Z=30，無誤，因?yàn)樗厦恳浑娮訉幼疃嗳菁{電子數(shù)為2n2。Z=33，有誤，因?yàn)榇瓮鈱硬荒艹^18個電子，應(yīng)是2、8、18、5；Z=60，有誤，因?yàn)閚 = 6時，E6s<E4f<E5d<E6p，6s的 能量較低，電子先填6s，以后是填充4f，4f軌道填滿后，才能填到5d軌道上去。次外

27、層為12個電子，即有5d電子是不對的，應(yīng)為2、8、18、22、8、2。25、(1) 主、副族元素的電子構(gòu)型各有什么特點(diǎn)？(2) 周期表中s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)、ds區(qū)和f區(qū)元素的電子構(gòu)型各有什么特點(diǎn)？(3) 具有下列價電子構(gòu)型的元素位于周期表中哪一個區(qū)？它們是金屬還是非金屬元素？ns2;ns2np5;(n-1)d5ns2; (n-1)d10ns2解：(1) 按電子填充順序,凡是最后一個電子填入ns或np能級的元素稱為主族元素,因此主族元素的價電子層只包含ns或nsnp能級。副族元素原子的最后一個電子填在（n-1）d能級或（n-2）f能級上的元素稱為副族元素，因此副族元素的價電子層除包括ns、np能級外，還包括(n1)d或(n2)f能級。周期表中有8個副族，分別用IB、IIB、IIIB（含鑭系、錒系）、IVB、VB、VIB、VIIB和VIII表示。(2) s區(qū)元素：價電子構(gòu)型為ns1-2，包括IA，IIA族元素；p區(qū)元素：價電子構(gòu)型為ns2np1-6（He為1s2），包括 IIIA-VIIIA族元素；d區(qū)元素：價電子構(gòu)型為（n-1）d1-9ns1-2（Pd：4d105s0），包括I