普通化學(xué)第五章

普通化學(xué)第五章第1頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

前言§５-１氫原子光譜和玻爾理論§５-２

核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述§５-３

多電子原子結(jié)構(gòu)與周期系§５-４

元素性質(zhì)的周期性變化與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系第五章

原子結(jié)構(gòu)和周期系第2頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究對(duì)于化學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)的研究來說，相當(dāng)于基石的作用。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，只有深入了解物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)，才有可能深入把握物質(zhì)的性質(zhì)及其變化規(guī)律。

前言第3頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五道爾頓（英）——1803.原子論

“近代化學(xué)之父”

湯姆遜（英）——1897.

“蛋糕”模型

1906.獲Nobel獎(jiǎng)盧瑟福（英）——1911.“核式結(jié)構(gòu)”模型

1908.獲Nobel獎(jiǎng)

玻爾（丹麥）——1913.“定態(tài)軌道模型”

1922.獲Nobel物理獎(jiǎng)

薛定諤（奧地利）——1926.“量子學(xué)理論”

1933.獲Nobel物理獎(jiǎng)原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展簡(jiǎn)史：第4頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五§5-1氫原子光譜和玻爾理論(SpectrumofhydrogenandBohr’stheory)一、氫原子光譜

任何元素的氣態(tài)原子在高溫火焰的激發(fā)下，能發(fā)光，經(jīng)棱鏡分光后，產(chǎn)生一條條不連續(xù)的譜線，稱為線狀光譜。它與太陽光或白熾燈的光產(chǎn)生的光譜不同，后者是一條七色的連續(xù)光譜。第5頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第6頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

每種元素都有它自己的特征光譜。第7頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

氫原子的原子光譜(atomicspectrum)在可見光區(qū)，有5條譜線。根據(jù)每條譜線的波長(zhǎng)，可以計(jì)算出發(fā)射光的能量：第8頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

1885年，巴爾麥（J.J.Balmer，瑞士）研究發(fā)現(xiàn)，這5條譜線的頻率符合下式：

(n為大于2的正整數(shù))

隨著對(duì)氫原子光譜研究的進(jìn)一步深入，在紫外區(qū)和紅外區(qū)又分別找到若干條譜線，1890年，里德堡(J.R.Rydberg1854—1919，瑞典)將所有的譜線頻率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)它們都符合同一公式：

n2>n1第9頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

由此式可見，氫原子的光譜不是任意的，而是隨兩個(gè)正整數(shù)的改變作跳躍式的改變。當(dāng)n1為不同數(shù)值時(shí)，即成為幾個(gè)光譜系。

如n1=1紫外區(qū)，拉曼系；

n1=2可見光區(qū)，巴爾麥系；

n1=3紅外區(qū)，帕邢系；…。

第10頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五氫原子光譜譜線系列示意圖第11頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

為什么氣態(tài)原子會(huì)發(fā)光，而且每種元素的譜線都具有特征的波長(zhǎng)、頻率和能量？丹麥的物理學(xué)家玻爾針對(duì)氫原子線狀光譜的特點(diǎn)，應(yīng)用了普朗克的量子論的觀點(diǎn)，提出了自己的原子結(jié)構(gòu)理論——玻爾理論。第12頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★普朗克（M.Plank,1858—1947,德）的量子論：

1900年普朗克在研究黑體輻射問題時(shí)，提出了著名的量子化理論。該理論指出，物體吸收或輻射能量是不連續(xù)的、量子化的，也就是說，物體吸收和發(fā)射能量，就像物質(zhì)微粒一樣，只能以單個(gè)的、一定份量的能量，一份一份的或按照這一基本份量的倍數(shù)吸收或發(fā)射能量，即能量是量子化的，這種能量的最小單位稱為能量子或量子(quantum)。每個(gè)能量子為一個(gè)hv，其中h即著名的普朗克常數(shù)：6.626×10-34J·s。第13頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五二、玻爾理論玻爾理論的中心思想有兩點(diǎn)：1、定態(tài)軌道

核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道具有一定的半徑，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子既不吸收能量，也不放出能量，其能量狀態(tài)是穩(wěn)定的，所以叫定態(tài)軌道。第14頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2、軌道能級(jí)

電子在不同的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)，具有不同的能量，離核越近，能量越低；離核越遠(yuǎn)，能量越高，這些一級(jí)一級(jí)的能量狀態(tài)，就稱為能級(jí)。每個(gè)能級(jí)的能量公式：n=1,2,3,……第15頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

原子在常態(tài)時(shí)，電子盡可能處于能量最低的軌道，這種狀態(tài)稱為基態(tài)。氫原子的基態(tài)：

n=1，

當(dāng)電子受外界能量（如火花、電?。┘ぐl(fā)時(shí)，會(huì)跑到能量較高的軌道上，這個(gè)過程叫躍遷。這時(shí)原子所處的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)：n=1→2→3（n=2,3,…）。處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會(huì)從高能級(jí)軌道再躍遷回低能級(jí)軌道，這個(gè)過程要釋放能量，這部分能量以光能的形式釋放出來：E=En－En-1＝hv，就產(chǎn)生了一條一條的線狀光譜。第16頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第17頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五因?yàn)?/p>

所以譜線頻率第18頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜產(chǎn)生的原因和規(guī)律性。他的理論關(guān)鍵在于引入了量子化的概念，認(rèn)為電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是定態(tài)的，不連續(xù)的，所以電子躍遷發(fā)射出的原子光譜也是線狀的，不連續(xù)的。這條基本思想在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論中被保留下來。第19頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

但是玻爾沒有認(rèn)識(shí)到電子運(yùn)動(dòng)的另外一個(gè)重要特征——波粒二象性，他依然按照宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來描述電子的運(yùn)動(dòng)，只是在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，人為地加上了一些量子化的條件，未能完全沖破經(jīng)典物理學(xué)的束縛，所以對(duì)多電子原子的光譜無法作出圓滿的解釋。光的波粒二象性返回第20頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五§5-2

核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述一、波粒二象性

二十世紀(jì)初，人們就認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性：波動(dòng)性—λ、v；粒子性—E、p。第21頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五——德布羅依公式根據(jù)這一公式，可以算出電子的波長(zhǎng)：

1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅依認(rèn)為，既然光具有粒子性，那么微觀的實(shí)物粒子如質(zhì)子、電子等也可以具有波動(dòng)性，其波長(zhǎng)也可以表示為：m—電子質(zhì)量h—普朗克常數(shù)p—電子動(dòng)量υ—電子速度第22頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第23頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

這相當(dāng)于x射線的波長(zhǎng)范圍。1927年，美國(guó)科學(xué)家Davison等人，進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)(electrondiffraction)，得到的衍射圖與x射線的衍射圖完全一致，證明了德布羅依的預(yù)言。后來，又陸續(xù)證明了質(zhì)子、中子、原子等實(shí)物粒子都具有波粒二象性。

波粒二象性是一切微觀粒子的一種特性。第24頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第25頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★物質(zhì)波的意義

物質(zhì)波是一種幾率波。在電子衍射時(shí)，一個(gè)或若干個(gè)電子，它們不能形成衍射條紋，這表明電子具有粒子性。但重復(fù)多次相同的實(shí)驗(yàn)就能顯示出條紋。用較強(qiáng)的電子流可以在較短時(shí)間內(nèi)得到電子衍射照片（明暗相間的環(huán)紋），但用較弱的電子流只要時(shí)間足夠長(zhǎng)也可以得到同樣的相片。電子衍射環(huán)紋是大量電子集體行為或單個(gè)電子的億萬次行為的結(jié)果。

第26頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

衍射強(qiáng)度是物質(zhì)波強(qiáng)度的一種反映。從衍射條紋來說，衍射強(qiáng)度大的地方表示電子出現(xiàn)的次數(shù)多，即電子出現(xiàn)的幾率大；衍射強(qiáng)度小的地方表示電子出現(xiàn)的次數(shù)少，即電子出現(xiàn)的幾率小。統(tǒng)計(jì)的解釋認(rèn)為在空間任一點(diǎn)物質(zhì)波的強(qiáng)度與微粒出現(xiàn)的幾率密度（單位體積中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)）成正比，因此，物質(zhì)波是具有統(tǒng)計(jì)性規(guī)律的幾率波。第27頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五電子衍射圖示意圖衍射條紋與波強(qiáng)度的關(guān)系第28頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

宏觀物體，我們可以用位置和速度來精確描述它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于微觀粒子卻行不通。海森堡——測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式：Δχ

·Δp＝h

（χ—位置坐標(biāo)；p—?jiǎng)恿浚?/p>

海森堡1901-1976第29頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

對(duì)于電子來說，它在原子核外運(yùn)動(dòng)，原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，Δχ應(yīng)該小于10－11m。此時(shí)：第30頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

電子本身的運(yùn)動(dòng)速度數(shù)量級(jí)為106～107m·s-1，速度的測(cè)不準(zhǔn)量已經(jīng)大大超過了合理的誤差范圍。也就是說，位置測(cè)得越準(zhǔn)確（Δχ

越?。?，速度的測(cè)不準(zhǔn)量就越大；而Δυ

越小，則Δχ

就越大。即無法同時(shí)測(cè)準(zhǔn)其位置和速度。這說明，經(jīng)典力學(xué)對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的描述方法不適用于微觀粒子。因此，量子化學(xué)借用了物理學(xué)中波的描述方法，用波函數(shù)來描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第31頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

薛定諤方程是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方程，是一個(gè)二階偏微分方程，是整個(gè)量子化學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。通過求解薛定諤方程，可以得到波函數(shù)的具體形式和相應(yīng)的能量值（

ψi、Ei）。二、波函數(shù)（wavefunction）的概念

波函數(shù)是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式。用“ψ”表示。

ψ

的具體形式是通過求解薛定諤方程得到的。第32頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

ψ

是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)式，它是空間坐標(biāo)x，y，z的函數(shù)——ψ(x,y,z)，一般是復(fù)函數(shù)，比較復(fù)雜。每個(gè)ψ都代表電子的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每種狀態(tài)都有確定的能量E。習(xí)慣上，人們借用經(jīng)典力學(xué)中軌道的說法來表示波函數(shù)，把一個(gè)波函數(shù)稱為一個(gè)“原子軌道”。電子處于某種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以說電子在某個(gè)原子軌道上運(yùn)動(dòng)。

“ψ

原子軌道電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”說法等價(jià)。第33頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

波函數(shù)的平方|ψ

|2可以反映電子在核外空間某微小體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率大小，即幾率密度：

幾率密度的分布可以形象地用電子云來描述，也就是小黑點(diǎn)圖。黑點(diǎn)密的地方表示該處電子出現(xiàn)的幾率大；稀的地方表示該處電子出現(xiàn)的幾率小?！镒⒁猓汉邳c(diǎn)的多少不代表電子的多少！第34頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★電子云的概念★第35頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

波函數(shù)的數(shù)學(xué)形式非常復(fù)雜，通常人們?cè)诿枋鲭娮舆\(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，并不是直接用波函數(shù)的數(shù)學(xué)式來表示，而是用四個(gè)量子數(shù)來標(biāo)記。第36頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

在求解薛定諤方程時(shí)，為了求得合理的解，引入了稱為量子數(shù)的三個(gè)重要特征參數(shù)：主量子數(shù)n；角量子數(shù)l；磁量子數(shù)m。波函數(shù)ψ

的具體表達(dá)式與這三個(gè)量子數(shù)有關(guān)，當(dāng)這三個(gè)量子數(shù)一定，ψ

的表達(dá)形式就一定。所謂求解薛定諤方程，就是要解出對(duì)應(yīng)一組n、l、m的波函數(shù)ψ(n,l,m)及相應(yīng)的能量E(n,l,m)

除了上述三個(gè)量子數(shù)外，在量子力學(xué)中，為了解釋原子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提出了電子自旋的假設(shè)，引入了第四個(gè)量子數(shù)：自旋量子數(shù)ms。第37頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五三、四個(gè)量子數(shù)

每個(gè)量子數(shù)(quantumnumber)都有它們特定的意義和取值范圍。1、主量子數(shù)n(principalquantumnumber)

n是決定核外電子能量高低和離核的平均距離的主要因素。取值范圍：n＝1,2,3,4,

…

正整數(shù)第38頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

n越大，說明電子離核的平均距離越遠(yuǎn)，電子的能量越高。在同一原子中，n相同的電子離核距離基本相同，差不多都在同樣的空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所以把n相同的原子軌道形象地稱為一個(gè)電子層?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的元素，電子最多可以排到七層。n：1234567光譜符號(hào)：KLMNOPQ第39頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2、角量子數(shù)l

(azimuthalquantumnumber)

電子在核外運(yùn)動(dòng)時(shí)，同一電子層中的電子，能量仍然稍有差別，所以電子層還可以細(xì)分為若干個(gè)不同的電子亞層。我們用角量子數(shù)l來代表電子亞層，同時(shí)，l

還確定了原子軌道的形狀。在多電子原子中，l和n共同決定電子的能量。

取值范圍：

l＝0，1，2，3，…

，（n－1）（小于n

的非負(fù)整數(shù)）

符號(hào)：

s，p，d，f第40頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五【例如】n＝3，

l＝0，1，2

l

可以有三個(gè)取值。也就是說，第三電子層有三個(gè)亞層，分別是：3s、3p、3d。

同一層中（n相同），l越大，則軌道的能量越高。另外，l不同的原子軌道，形狀不一樣。第41頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五角量子數(shù)

01234···亞層符號(hào)spdfg···軌道形狀球形啞鈴型花瓣型·········角量子數(shù)與電子亞層、軌道形狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系主量子數(shù)與角量子數(shù)的關(guān)系n1234電子層KLMNl0010120123軌道符號(hào)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f第42頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五3、磁量子數(shù)m

(magneticquantumnumber)

同一形狀的原子軌道（l相同），在空間會(huì)有不同的取向，用m來表示。取值范圍：m＝0，±1，±2，…

，±l

（可以取

2l＋1個(gè)值）m決定原子軌道在空間的取向。

第43頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五l＝1，

說明p軌道在空間有三個(gè)不同的取向，分別用px、py、pz來表示這三個(gè)不同取向的原子軌道。

l＝2，m＝-2，-1，0，+1，+2

五個(gè)取值，說明d軌道在空間有5個(gè)不同取向的原子軌道：第44頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

m與軌道的能量無關(guān)，只要n和l相同，軌道的能量就相同。

能量相同的軌道稱為簡(jiǎn)并軌道（或等價(jià)軌道），如：3px、3py、3pz

互相稱為等價(jià)軌道。第45頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

根據(jù)n、l、m三個(gè)量子數(shù)的取值范圍，可以確定每個(gè)電子層中原子軌道的數(shù)目。n＝1：l＝0，m＝0

1個(gè)軌道（1s）n＝2：

4個(gè)軌道（2s、2px、

2py、2pz）n＝3：9個(gè)軌道（3s、3px、3py、3pz、

∴每個(gè)電子層中的軌道數(shù)＝n2（或者說：每個(gè)電子層中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有n2種））第46頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五4、自旋量子數(shù)ms(spinquantumnumber)

ms表示電子的自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電子除了在核外空間繞核的運(yùn)動(dòng)，還有本身的自旋運(yùn)動(dòng)。電子的自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由ms表示。取值范圍：

通常用“↑”、“↓”來表示。電子的自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只有兩種?！啊北硎咀孕喾?，“↑↑”表示自旋平行。第47頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

n、l、m三個(gè)量子數(shù)分別確定了原子軌道能量的高低、軌道的形狀和軌道的取向，只要這三個(gè)量子數(shù)取一定的值，就確定了唯一的一個(gè)原子軌道，或者說確定了一個(gè)波函數(shù)，再加上自旋量子數(shù)，我們就可以完全確定電子所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。盡管我們不知道波函數(shù)本身的具體數(shù)值，但從四個(gè)量子數(shù)的取值，我們?nèi)匀豢梢粤私怆娮舆\(yùn)動(dòng)的有關(guān)信息。第48頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

表示電子處于2pz軌道，自旋方向?yàn)榛颉啊?。n＝4，l＝0，m＝0，

4s軌道，自旋“↓”例如：n＝2，l＝1，m＝0，第49頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

波函數(shù)是一個(gè)三維空間的函數(shù)，形式復(fù)雜，很難用圖形表示清楚。四、原子軌道的空間圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)XYZPrθφx=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的關(guān)系第50頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五徑向波函數(shù)角度波函數(shù)

以θ、φ為自變量，以Y值為函數(shù)值，畫出Y(θ,φ)的圖形，就是原子軌道的角度分布圖，即它的空間圖像。第51頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

原子軌道的角度分布圖表示在同一球面的不同方向上，波函數(shù)值的相對(duì)大小。第52頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★原子軌道的角度分布圖★第53頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★原子軌道角度分布圖★第54頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五【注意】

（1）圖形中的“＋”、“－”號(hào)，表示的是函數(shù)值的正負(fù)（波函數(shù)表達(dá)式中有θ、φ的三角函數(shù)，在不同象限有正、負(fù)之分），而不是正負(fù)電荷。

（2）原子軌道的形狀與n無關(guān)，只與l有關(guān)。不管n是幾，只要l相同，軌道的形狀都是一樣的。第55頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五五、幾率密度和電子云|ψ

|2代表電子的幾率密度，同樣可分為角度和徑向兩部分。|Y

(θ,φ)|2表示幾率密度隨角度的變化，用圖形表示出來，就是電子云的角度分布圖。第56頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★電子云角度分布圖★第57頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★電子云角度分布圖★第58頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★原子軌道與電子云角度分布圖對(duì)比★第59頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

電子云的角度分布圖與相應(yīng)的原子軌道角度分布圖很相似，但是有兩點(diǎn)區(qū)別：（1）沒有“＋”、“-”之分。（2）圖形形狀比原子軌道要“瘦”。第60頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

由薛定諤方程解出的每一個(gè)波函數(shù)都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的能量值：ψ

i～Ei。也就是說，電子處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就具有不同的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)也是量子化的，不連續(xù)的，稱為原子軌道的能級(jí)。把這些能級(jí)按能量從低到高的順序排列起來，就是原子軌道能級(jí)圖。

六、原子軌道能級(jí)圖第61頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五1、單電子原子（氫原子）軌道能級(jí)圖第62頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2、多電子原子軌道近似能級(jí)圖

這種能級(jí)圖有許多種，其中最簡(jiǎn)單明了，用得最多的就是鮑林近似能級(jí)圖。第63頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五方框表示能量近似的軌道，構(gòu)成一個(gè)能級(jí)組。第64頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★鮑林原子軌道能級(jí)圖★第65頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第66頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五（1）軌道能量高低不僅與n有關(guān)，還與l有關(guān)。n相同的時(shí)候，l越大，能量越高，如：（2）

能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：n不同，l也不同的時(shí)候，并不是n越大，能量越高，如：

能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象是由于電子之間的相互作用造成的。第67頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

電子在核外的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是決定元素化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，所以人們對(duì)各元素核外電子的分布進(jìn)行了深入研究，通過總結(jié)大量光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，得出了所有元素（已發(fā)現(xiàn)）核外電子的分布情況，并從中總結(jié)出了核外電子分布的三個(gè)原則和一個(gè)特例。返回第68頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五1.s電子云是球形的，所以s軌道上的電子在核外是沿球殼表面運(yùn)動(dòng)的。(

)2.多電子原子中原子軌道的能量只決定于主量子數(shù)n。(

)3.主量子數(shù)越大，電子離核越遠(yuǎn)。所以任何時(shí)候，1s電子總比2s電子靠近核。(

)判斷題：第69頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五選擇題：1.下列各組量子數(shù)中，合理的是()A.n=3,l=2,m=-2B.n=1,l=0,m=1C.n=2,l=2,m=1D.n=4,l=-2,m=02.下列原子軌道不可能存在的是(

)A.8sB.2dC.4fD.8p3.下列原子中，原子軌道能量與角量子數(shù)無關(guān)的是(

)A.HeB.LiC.HD.BeABC第70頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五§5-3

多電子原子結(jié)構(gòu)與周期系(Structureofmultielectronatomsandperiodiclaw)一、原子核外電子的分布1、泡利不相容原理

在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子，或者說，不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。

由泡利不相容原理可以推知：每個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子。所以每一層中最多容納的電子數(shù)為2n2。第71頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2、能量最低原理

在不違背泡利不相容原理的前提下，電子將優(yōu)先占據(jù)能量最低的軌道，保持體系的能量處于最低狀態(tài)。

所以，根據(jù)鮑林能級(jí)圖，電子應(yīng)首先排在1s，然后依次是2s、2p、3s。第72頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2s2p1s3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p電子填入軌道順序圖第73頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五3、洪特規(guī)則

在n和l相同的等價(jià)軌道上分布的電子，總是盡可能分占不同的軌道，并且自旋平行（自旋狀態(tài)相同）。通過量子力學(xué)的計(jì)算證明，這樣分布可以使體系處于能量最低狀態(tài)。第74頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五原子的電子分布式(electrondistributingpattern)舉例：

7N：1s22s22p3

24Cr：×√

22Ti：1s2s2p3d4s第75頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五★洪特規(guī)則特例29Cu也符合洪特規(guī)則特例：

29Cu：

等價(jià)軌道處于全充滿、半充滿和全空狀態(tài)時(shí)，體系狀態(tài)最穩(wěn)定。第76頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五【書寫電子分布式的注意事項(xiàng)】（1）軌道排列順序按主量子數(shù)由小到大排列，而電子的填充按軌道能級(jí)順序由低到高填入。26Fe：（2）當(dāng)原子序數(shù)較大時(shí)，為了書寫方便，常把內(nèi)層電子分布用相應(yīng)的稀有氣體元素代替，叫做“原子實(shí)”，然后寫出外層電子分布：

26Fe：（18Ar：19K：第77頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五【思考】

為什么最外層電子數(shù)不會(huì)超過8個(gè)；次外層電子數(shù)不會(huì)超過18個(gè)？第78頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五二、原子核外電子的分布和元素周期系

元素周期表是1869年，俄國(guó)的門捷列夫創(chuàng)建的。當(dāng)時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多種元素，門捷列夫把它們按原子量的大小進(jìn)行排列，發(fā)現(xiàn)元素的許多性質(zhì)隨著原子量的遞增呈現(xiàn)出周期性的變化。這就是元素周期律，根據(jù)周期律，他把所有的元素分類排列，組成了最初的元素周期表。第79頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五1869年門捷列夫Mendeleev.s第80頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

二十世紀(jì)初，隨著電子和質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到元素性質(zhì)周期性變化的內(nèi)在因素不是原子量，而是核電荷數(shù)。直到30年代量子力學(xué)弄清了核外電子的分布后，人們才最終認(rèn)識(shí)到元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期律的根本原因是核外電子分布的周期性變化引起的?，F(xiàn)在的元素周期表就是按電子層結(jié)構(gòu)來劃分的。第81頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第82頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五PeriodicTable第83頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

元素周期表共有109種元素，橫向可以分為七個(gè)周期，縱向分為八個(gè)主族、八個(gè)副族，根據(jù)外層電子構(gòu)型的特點(diǎn)，還可以分為五個(gè)區(qū)。1、周期

周期是根據(jù)電子層數(shù)來劃分的。每一橫行為一個(gè)周期，隨著元素原子序數(shù)的遞增，核外電子數(shù)也逐漸遞增，電子層數(shù)越來越多。電子排滿一層，開始排下一層時(shí)，就是一個(gè)新的周期的開始。第84頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五∴周期數(shù)＝原子的電子層數(shù)周期中元素?cái)?shù)目＝相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)

第一周期：1s2種元素第二周期：2s、2p8種元素第三周期：3s、3p8種元素第四周期：4s、3d、4p18種元素第五周期：5s、4d、5p18種元素第六周期：6s、5d、4f、6p32種元素第七周期：7s、6d、5f、7p

（應(yīng)有32種元素，實(shí)際23種）第85頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第86頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五2、族

族是根據(jù)外層電子構(gòu)型來劃分的。外層電子構(gòu)型相同或相近、化學(xué)性質(zhì)相似的元素劃為一族，排在同一列中。主族：最后一個(gè)電子填入s、p

軌道的元素

（A）副族：最后一個(gè)電子填入d、f

軌道的元素（B）（過渡元素）共分為8個(gè)主族（ⅠA－ⅦA，0族），

8個(gè)副族（ⅢB－Ⅷ，ⅠB、ⅡB）第87頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五族數(shù)＝外層電子數(shù)?主族：最外層電子數(shù)；副族：最外層＋次外層d軌道電子數(shù)但ⅠB、ⅡB、Ⅷ例外：

ⅠB、ⅡB：Ⅷ：第88頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第89頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

除了按周期和族劃分外，還可以根據(jù)元素外層電子構(gòu)型的特征把周期表分為五個(gè)區(qū)。s區(qū)：（ⅠA、ⅡA）p區(qū)：（ⅢA—ⅧA、0族）d區(qū)：（ⅢB－Ⅷ）ds區(qū)：（ⅠB、ⅡB）f區(qū)：（鑭系、錒系元素）★電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)★3、區(qū)第90頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五第91頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五【例5-1】（1）寫出29號(hào)和22號(hào)元素的電子分布式，并指出其在周期表中的位置。第四周期、ⅠB族、ds區(qū)22Ti：第四周期、ⅣB族、d區(qū)

反過來，已知元素在周期表中的位置，也應(yīng)該能夠?qū)懗鏊碾娮臃植际?，確定是什么元素。解：電子分布式：29Cu：第92頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五（2）已知某元素在第四周期、ⅦA族，指出是什么元素？n＝4，最外層電子數(shù)＝7，外層電子構(gòu)型：∴電子分布式：→35號(hào)Br

元素的性質(zhì)決定于核外電子的分布。在周期表中，元素核外電子的分布呈周期性變化，所以元素的許多性質(zhì)：原子半徑、電離能、電負(fù)性等也呈現(xiàn)周期性變化。返回第93頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五§5-4

元素性質(zhì)的周期性變化

與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系一、原子半徑（r）

通常說的原子半徑是指原子在形成化學(xué)鍵或者相互接觸時(shí)，最接近的兩個(gè)原子核之間的距離的一半。根據(jù)原子間相互作用力的不同，原子半徑可以分為三類：第94頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五共價(jià)半徑(rc)、金屬半徑(rm)、范氏半徑(rV)（非金屬元素）（金屬元素）（稀有氣體元素）數(shù)量級(jí)：0.1nm

影響原子半徑大小的因素主要有兩個(gè)：核電荷數(shù)和電子層數(shù)。第95頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五周期表中原子半徑的變化規(guī)律第96頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

長(zhǎng)周期（四、五、六、七）中：主族元素原子半徑的變化趨勢(shì)與短周期相同，而副族元素原子半徑從左到右減小趨勢(shì)較弱——屏蔽作用?！咀兓?guī)律】

同周期中：在短周期（一、二、三周期）中，從左到右，隨原子序數(shù)增大，核電荷數(shù)增多，核對(duì)外層電子吸引力增強(qiáng)，原子半徑逐漸減??；第97頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

同族中：從上到下，半徑逐漸增大。主族的變化趨勢(shì)較明顯，副族較弱一些。而第五、第六周期同一副族中兩個(gè)元素的原子半徑非常接近——“鑭系收縮”

KCaScTiVCrr/pm227197161145131125

RbSrYZrNbMor/pm248215178159143136

CsBaLaHfTaWr/pm267217187156143137“鑭系收縮”第98頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五原子半徑在周期表中的變化趨勢(shì)r

減小

r增大第99頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五

原子半徑的大小與原子得失電子的能力有密切關(guān)系。一般來說，原子半徑越大，核對(duì)外層電子的吸引力越弱，原子越容易失去電子，而得電子越困難；原子半徑越小，核對(duì)外層電子吸引力越強(qiáng)，原子越容易得到電子，而失電子越困難。（但稀有氣體元素是個(gè)例外，它們本身具有非常穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，所以既不容易得電子，也不容易失電子。）第100頁，共113頁，2023年，2月20日，星期五二、電離能(ionizationenergy)（I）

使處于基態(tài)的氣態(tài)原子或離子失去一個(gè)電子所需要的最小能量。第一電離能（I1）第二電離能（I2