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第四节第四节 元素周期表元素周期表 元素性质的周期性元素性质的周期性 壳层中电子的数目壳层中电子的数目 电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序 给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态古希腊古希腊恩培多克勒恩培多克勒 Empedocle(492-432 BC)在在论自然论自然残篇中，残篇中，将物质划将物质划分为四大元素：水、火、土、气分为四大元素：水、火、土、气。四大元素的结合与分离使事物处于永恒的运。四大元素的结合与分离使事物处于永恒的运动和变化之中。但元素本身是不变的，不能产生也不能消灭。爱使几种元素结动和变化之中。但元素本身是不变的，不能产生也不能消灭。爱使几种元素结合起来，形成事物；恨使各种元素分离开来，使万物分解。恩培多克勒还把四合起来，形成事物；恨使各种元素分离开来，使万物分解。恩培多克勒还把四元素论应用于医学，认为健康是因为体内元素平衡，疾病则源于失衡。元素论应用于医学，认为健康是因为体内元素平衡，疾病则源于失衡。元素概念的提出元素概念的提出古印度：古印度：地、水、火、风地、水、火、风（四大）（四大）古中国：古中国：金、木、水、火、土（金、木、水、火、土（五行）五行）人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史青铜剑青铜剑青铜镜青铜镜人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史人类对元素的认识历史门捷列夫与元素周期表门捷列夫与元素周期表D.I.Mendeleyev(18341907)1869年门捷列夫发表的第一张元素周期表年门捷列夫发表的第一张元素周期表 By the late 1800s it was realized that elements could be grouped by similar chemical properties and that the chemical and physical properties of elements are periodic functions of their atomic numbers PERIODIC LAW.The arrangements of the elements in order of increasing atomic number,with elements having similar properties placed in a vertical column,is called the PERIODIC TABLE.元素周期表的提出与成功元素周期表的提出与成功现代的元素周期表现代的元素周期表网上元素周期表网上元素周期表:http:/ 当原子中电子的能量最小时，整个原子的当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，称原子处于能量最低，称原子处于基态基态 例例:电离能电离能随随原子序数原子序数Z的变化关系的变化关系呈现呈现周期性周期性电离能电离能:从原子中移走一个外层电子所需要从原子中移走一个外层电子所需要的能量的能量4.1.4.1.元素元素性质的性质的周期周期性性(2)(2)06052443628682016128476252015105HeNeArLiBKNaMgAlZnGaKrRbCdInXeCsHg原子序数（原子序数（Z）电离能（电离能（eV）电离能随原子序数电离能随原子序数Z的变化关系的变化关系 图中峰值对应的图中峰值对应的Z值称为值称为幻数幻数，它们是，它们是2,10,18,36,2,10,18,36,54,8654,86等。这预示着元素性质周期性的等。这预示着元素性质周期性的深层深层实质实质,即即原子中原子中壳层壳层结构结构,电电子子填充壳层填充壳层的的次序次序4.1.4.1.元素元素性质的性质的周期周期性性(3)(3)周期表：周期表：第一周期第一周期 H(Z=1)H(Z=1)He(Z=2)He(Z=2)2 2 第二周期第二周期 Li(Z=3)Li(Z=3)Ne(Z=10)Ne(Z=10)1010第三周期第三周期 Na(Z=11)Na(Z=11)Ar(Z=18)Ar(Z=18)18 18第四周期第四周期 K(Z=19)K(Z=19)Kr(Z=36)Kr(Z=36)36 36第五周期第五周期 Rb(Z=37)Rb(Z=37)Xe(Z=54)Xe(Z=54)54 54 第六周期第六周期 Cs(Z=55)Cs(Z=55)Rn(Z=86)Rn(Z=86)86 86第七周期第七周期 Fr(Z=87)Fr(Z=87)Z=107,109 Z=107,109（108108未发现）未发现）幻数幻数4.1.4.1.元素元素性质的性质的周期周期性性(4)(4)理解理解元素元素性质的性质的周期周期性性元素周期元素周期性性电电子子填充壳层填充壳层的的次序次序轨道可容性轨道可容性泡利不相容原理泡利不相容原理能量最小原理能量最小原理原子原子处于处于基基态态时，所有时，所有电子尽可能电子尽可能占据占据低能量低能量状态状态(轨道轨道)壳层壳层结构结构4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(1)(1)壳层壳层结构结构,电电子子填充壳层填充壳层的的次序次序元素周期元素周期性性 决定决定原子基态原子基态电子电子填充壳层填充壳层的次序的次序准则：准则：泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原理能量最低原理壳层中电子的数目壳层中电子的数目电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序4.4.2.4.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(2)(2)描述原子中描述原子中电子状态电子状态的的 四个量子数四个量子数 n、l、m、ms 原子中原子中电子状态电子状态的分类（的分类（1）n 相同相同的各状态属同一个的各状态属同一个壳层壳层,同一个同一个壳层壳层各状态各状态的的能量接近能量接近.n=1,2,3,4,5,的壳的壳 层层记记为为 K,L,M,N,O,壳层壳层 处于这些壳层上的处于这些壳层上的 电子称为电子称为K层层,L层层,M 层层,N层层,O层层电电子子 4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(3)(3)原子中原子中电子状态电子状态的分类（的分类（2）在一个在一个壳层壳层n中，中，依依轨道量子数轨道量子数l 不同（不同（l=0,1,2,n-1）又划分又划分n个个支壳层支壳层对应对应 l=0,1,2,3,4,5,各支壳层用各支壳层用s,p,d,f,g,h,表示表示处于这些支壳层上的处于这些支壳层上的电子电子，称为，称为s 电子电子,p电电子子,d电子电子,f电子电子,g电子电子,h电子电子 4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(4)(4)支壳层支壳层l 容纳的容纳的最多电子数最多电子数:泡利不相容原理泡利不相容原理支壳层支壳层l 的状态数的状态数给定给定l，m有有 2l+1个可能数值；给个可能数值；给定定 l 和和 m 时时,ms 取取 1/2两个可能两个可能数值数值2(21)l 2(21)lNllN一个电子一个电子一个一个状态状态(n,l,m,ms)4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(5)(5)壳层壳层n 容纳的容纳的最多电子数最多电子数:泡利不相容原理泡利不相容原理壳层壳层n 的状态数的状态数给定给定n,l 有有n个可能值个可能值(l=0,1,2,n-1)；给定给定 l 的态数的态数:2(2l+1)nN一个电子一个电子一个一个状态状态(n,l,m,ms)1202(21)2nlln2n2Nn4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(6)(6)壳层壳层n,支壳层支壳层l 容纳的容纳的最多电子数最多电子数4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(7)(7)支壳层支壳层l 被电子填满后的原子态为被电子填满后的原子态为1S0 例：例：2p支壳层支壳层填满后填满后的的原子态为原子态为1S0 2111/22111/22101/22101/22111/22111/2lsnlmm000lmML000SSSmM000,JLS原子态为原子态为1S0Nl=2(2l+1)=6)4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(8)(8)同科电子的原子态同科电子的原子态(1)(1)p 与与 p5 有相同的有相同的原子态原子态 11211:()SJpL222152:()SJpLp支壳层支壳层:Nl=6p支壳层支壳层填满后填满后的的原子态为原子态为1S0 1212120,0,0SSLLJJ121212,SSLL JJ4.2.4.2.壳层中电子的数目壳层中电子的数目(9)(9)同科电子的原子态同科电子的原子态(2)(2)d2 与与 d8 有相同的有相同的原子态原子态 112121:()SJdL222182:()SJdLd支壳层支壳层:Nl=10d支壳层支壳层填满后填满后的的原子态为原子态为1S0 1212120,0,0SSLLJJ121212,SSLL JJ4.3.4.3.电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序(1)(1)能量最低原理能量最低原理电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序基态原子基态原子,电子电子先充填低能量的壳层先充填低能量的壳层;同一壳同一壳层层,电子电子先充填低能量的支壳层先充填低能量的支壳层壳层及其支壳层的壳层及其支壳层的能量次序能量次序既为既为电子充填壳电子充填壳层及其支壳层的次序层及其支壳层的次序 壳层的定义壳层的定义 n 相同相同的各状态属同一个的各状态属同一个壳层壳层,同一个同一个壳层壳层各各状态状态的的能量接近能量接近 期待期待n 相同状态相同状态有相近的能量有相近的能量(?)4.3.4.3.电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序(2)(2)轨道贯穿轨道贯穿,原子实极化原子实极化能量还与能量还与l有关有关 壳层的重定义壳层的重定义 能量相近能量相近的的各状态属同一个各状态属同一个壳层壳层,同一壳层同一壳层中中可有可有n不同的状态不同的状态 壳层及其支壳层的能量次序壳层及其支壳层的能量次序壳层及其支壳壳层及其支壳层的能量次序层的能量次序幻数幻数每一个周期都从电每一个周期都从电子填充新壳层开始子填充新壳层开始,决定元素物理和化决定元素物理和化学性质的最外壳层学性质的最外壳层的电子数将出现周的电子数将出现周期性期性元素周期元素周期性性壳层壳层结构结构,电电子子填充壳层填充壳层的的次序次序4.3.4.3.电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序(3)(3)为什么为什么4s态的能量低于态的能量低于3d态的能量态的能量?4s 态轨道态轨道:偏心率很高的椭圆偏心率很高的椭圆;很强很强轨道贯穿轨道贯穿,原子实极化原子实极化4s态的能量低态的能量低 3d 态轨道态轨道:圆形圆形几乎没有几乎没有轨道贯穿轨道贯穿,原子实极化原子实极化3d态的能量高态的能量高 取取1919号元素号元素K K及类及类K K离子进行研究，离子进行研究，它们具有相同的结构，即原子实（核与它们具有相同的结构，即原子实（核与1818个个核外电子构成）加核外电子构成）加1 1个价电子；个价电子；不同的是核电荷数不同不同的是核电荷数不同,K,K和类和类K K离子的光谱项离子的光谱项可表示为：可表示为：23456,K CaScTiVCrMn*22RZTn(1)即即定量分析：定量分析：是原子实的有效电荷数，它已经将轨道贯穿和是原子实的有效电荷数，它已经将轨道贯穿和原子实的极化效应都包含在内。对于原子实的极化效应都包含在内。对于 之之间；对于间；对于 之间；对于之间；对于 之间之间.故可将故可将 统一表示为统一表示为其中其中 是屏蔽常数。是屏蔽常数。则（则（1 1）式化为）式化为*Z*,119K Z*,2 20CaZ2*,3 21ScZ*Z*ZZ22()RTZn1()TZRn(2)（1）式中，式中，n是最外层价电子的主量子数，由此式可是最外层价电子的主量子数，由此式可知，知，对于等电子系，当对于等电子系，当n取定后，取定后，与与 Z 成线性关系，成线性关系，对于给定的对于给定的 n，作出作出 直线直线，得到莫塞莱，得到莫塞莱(Moseley)图，图，由此图可以判定能级的高低，从而确定由此图可以判定能级的高低，从而确定电子的填充次序。电子的填充次序。当等电子系最外层价电当等电子系最外层价电子位于子位于3d时，相应的原子时，相应的原子态为态为32D；此时由实验测；此时由实验测出出Z取不同值时的光谱项取不同值时的光谱项T，从而得到等电子系对于态从而得到等电子系对于态32D 的的Moseley曲线。曲线。TRTZR同理，当价电子位于同理，当价电子位于4S 时，相应的原子态为时，相应的原子态为42S，又可，又可得到一条得到一条(Moseley)曲线；由两条曲线的曲线；由两条曲线的(Moseley)图可以图可以比较不同原子态时（比较不同原子态时（32S和和42D）谱项值的大小，而）谱项值的大小，而E=-hcT因此，因此，T 越大，相应的能级越低。越大，相应的能级越低。对同一元素来说，对同一元素来说，最外层电子当然先填最外层电子当然先填充与低能态对应的轨充与低能态对应的轨道。道。由图可见，由图可见，n=3 和和 n=4 的的两条直线交于两条直线交于Z=2021，21号之后元素号之后元素由此可见：由此可见：19，20号元素最外层电子只能先填号元素最外层电子只能先填 4s轨道；而轨道；而21号之后的元素才开始进入号之后的元素才开始进入3d轨道。除第三周期外，后面的轨道。除第三周期外，后面的各个周期也都存在这类似的情况，前一周期的壳层未填满，各个周期也都存在这类似的情况，前一周期的壳层未填满，而又进入下一壳层，这都是由能量最小原理决定的而又进入下一壳层，这都是由能量最小原理决定的.22(4)(3)TSTD22(3)(4)TDTS所以对于所以对于19，20号元素号元素 进一步考虑了电子填充后进一步考虑了电子填充后的系统的总能量应该最低，的系统的总能量应该最低，实际填充壳层的顺序：实际填充壳层的顺序：4.3.4.3.电子充填壳层的次序电子充填壳层的次序(4)(4)理解理解元素元素性质的性质的周期周期性性元素周期元素周期性性电电子子填充壳层填充壳层的的次序次序轨道可容性轨道可容性泡利不相容原理泡利不相容原理能量最小原理能量最小原理每一个周期都从每一个周期都从电子填充新壳层电子填充新壳层开始开始,决定元素物决定元素物理和化学性质的理和化学性质的最外壳层的电子最外壳层的电子数将出现周期性数将出现周期性壳层壳层结构结构4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(1)(1)电子电子壳层壳层结构结构;电子电子填充壳层填充壳层的的次序次序任意原子的任意原子的电子组态电子组态 给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态?一个一个电子组态电子组态多个多个原子态原子态例例:2p3p电子组态电子组态 1312,1,01323,21011,3,;,;,SDDSPP原子态原子态4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(2)(2)洪德定则洪德定则(适用适用L-S耦合耦合)同一电子组态同一电子组态形成的能级中形成的能级中,重数最高的重数最高的,即即S值最大值最大的能级位置的能级位置最低最低 同一电子组态同一电子组态形成的具有形成的具有相相同同S值值的能级中的能级中,具具有有最大最大L值值的能级位置的能级位置最低最低。如果电子组态为如果电子组态为(nl)v形成的具有形成的具有相相同同S,L值值的的能级中能级中,不同不同 J值值的各能级的次序的各能级的次序:当当价电子数价电子数v (2l+1)时，具有时，具有最大最大J值值的能级位置最低的能级位置最低,这称为这称为倒转次序倒转次序。如果电子正好如果电子正好填满支壳层填满支壳层，m与与ms 的正的正值和负值成对出现值和负值成对出现,原子的原子的自旋角动量、自旋角动量、轨道角动量和总角动量都等于零轨道角动量和总角动量都等于零,这种原这种原子的基态为子的基态为 对于对于未满支壳层未满支壳层的原子，其原子态只决的原子，其原子态只决定于定于未满支壳层上的电子组态未满支壳层上的电子组态。10S4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(3)(3)理解理解洪德定则洪德定则(1)(1)为什么为什么同一电子组态同一电子组态形成的能级中形成的能级中,重数最重数最高的高的,即即S值最大值最大的能级位置的能级位置最低最低?4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(4)(4)两个同科电子两个同科电子:n1=n2,l1=l21212ssmmmmS值大值大,三重态三重态两电子空间距离远两电子空间距离远,势能低势能低 理解理解洪德定则洪德定则(2)(2)为什么为什么同一电子组态同一电子组态形成的具有形成的具有相相同同S值值的的能级中能级中,具有具有最大最大L值值的能级位置的能级位置最低最低?4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(5)(5)1l2lL2l1l)cos(2112llBEll1lL L 大大 夹角小夹角小12(,)l l 能量低能量低 例例(1)(1)氦原子氦原子 电子组态电子组态:(1s)2 填满支壳层填满支壳层 氦氦原子基态原子基态 4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(6)(6)10S4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(7)(7)电子组态电子组态:(np)230,11 21,;PD S原子态原子态;v (2l+1)倒转倒转次序次序S值最大值最大的能级位置的能级位置最低最低 30,1,2P最低最低倒转倒转次序次序,最最大大J值值的能级位置的能级位置最低最低32P氧原子氧原子基态基态例例(3)(3)氧原子氧原子4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(9)(9)电子组态电子组态:ns21/2S原子基态原子基态 例例(4)(4)Li,Na,K,Cu,Ag,Au 原子原子与史特恩与史特恩 盖拉赫实验结果一致盖拉赫实验结果一致 朗德定则朗德定则：在在三重态三重态中中,一对相邻能级之间的间隔一对相邻能级之间的间隔与与两两个个J 值中较大值中较大的那个值成的那个值成正比正比 例例 例例4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(10)(10)30,1,2P33213310(,)2(,)1PPPP31,2,3D33323321(,)3(,)2DDDD32P31P30P33D32D31D 理解理解朗德定则：朗德定则：4.4.4.4.给定给定电子组态电子组态确定确定原子基态原子基态(11)(11)自旋自旋 轨道耦合轨道耦合能能三重态分裂三重态分裂222cos(,)2(1)(1)(1)L SJLSEBSLL SSLSLJ JL LS SJ+1能级与能级与J能级间距能级间距(1)(2)(1)(1)()(1)(1)(1)(1)(2)()(1)2(1)JJL LS SJJL LS SJJJJJ定基态的简便法定基态的简便法:a.将将（表示自旋取向）按如图顺序填充（表示自旋取向）按如图顺序填充ml各值各值如如l=2：b.计算计算c.令令.,JJsLLJMsMLM12s 从而给出ml=2,1，0，+1，+210SLJsSlLMMMmMmM令,例例 23V钒的基态电子组态钒的基态电子组态1s22s22p63s23p64s23d3例例 26Fe的基态电子组态的基态电子组态1s22s22p63s23p64s23dmd=-2 -1 0 +1 +22342323323233FJSLMmmJsl基态为令 ,md=-2 -1 0 +1 +245422422DJSLMmmJsl基态为令 ,例例 铈铈58CeXe4f5d6s2Mf=-3 -2 -1 0 1 2 343415415HJSLMmmJsl基态为令 ,Md=-2 -1 0 +1 +2原子内电子的轨道分布原子内电子的轨道分布原子内电子的轨道分布原子内电子的轨道分布Ge=1s22s22p63s23p64s23d104p2 or Ar 4s23d104p2 or Ar3d10 4s24p21234567s d p 34523456回到元素周期表回到元素周期表62210522942283227222612252241232p 2s 1s Ne2p 2s 1s F2p 2s 1s O2p 2s 1s N 2p 2s 1s C2p 2s 1s B2s 1s Be2s 1s LiionConfigurat 2p 2s 1s 原子的电子构型原子的电子构型6218521742163215221412132121113p s3 Ne NeAr 3p s3 Ne Ne Cl3p s3 Ne Ne S3p s3 Ne Ne P3p s3 Ne Ne Si3p s3 Ne Ne Als3 Ne Ne Mgs3 Ne NeNa ionConfigurat 3p 3s 原子的电子构型原子的电子构型orbitals.filled completely and filled-half withassociatedstability of measureextra an is There 3d 4s Ar ArCr 3d 4s Ar Ar V3d 4s Ar Ar Ti3d 4s Ar Ar Sc4s Ar ArCa 4s Ar ArK ionConfigurat 4p 4s 3d 5124322322221221220119原子的电子构型原子的电子构型Cr!likeexception Another 3d 4s Ar ArCu 3d 4s Ar Ar Ni3d 4s Ar Ar Co3d 4s Ar Ar Fe3d 4s Ar ArMn ionConfigurat 4p 4s 3d 101298228722762265225原子的电子构型原子的电子构型102301012982287227622652253d 4s Ar Ar Zn3d 4s Ar Ar Cu3d 4s Ar Ar Ni3d 4s Ar Ar Co3d 4s Ar Ar Fe3d 4s Ar Ar MnionConfigurat 4p 4s 3d 原子的电子构型原子的电子构型6102365102354102343102332102321102314p 3d 4s Ar ArKr 4p 3d 4s Ar ArBr 4p 3d 4s Ar Ar Se4p 3d 4s Ar Ar As4p 3d 4s Ar Ar Ge4p 3d 4s Ar ArGa ionConfigurat 4p 4s 3d 原子的电子构型原子的电子构型Chemical properties Valence electrons23242512261 1s 2s 2p ConfigurationLi 1s Be 1s B 1s 2s 2s 2s 2p C 22222327284 2s 2p 1s N 1s O 2s2p 1s 2s 2p 元素周期律金属、类金属、非金属元素周期律金属、类金属、非金属元素周期律原子半径元素周期律原子半径元素周期律电离能元素周期律电离能元素周期律电子亲和能元素周期律电子亲和能Large negative numbers are favorable!元素周期律电负性元素周期律电负性元素周期律总结元素周期律总结MetallicitySizeMassElectronegativityElectronegativityMassSizeMetallicity元素周期律单质的晶体结构元素周期律单质的晶体结构从总体趋势上，元素周期表左边为金属，右边为非金属，从总体趋势上，元素周期表左边为金属，右边为非金属，而金属多数为密堆结构（如而金属多数为密堆结构（如fcc，hcp，bcc等）。等）。元素周期律固体熔点元素周期律固体熔点Trends in Melting Point-500050010001500200025003000350040002468101214161820Atomic Number(Z)LiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCa元素周期律固体内聚能元素周期律固体内聚能作业：作业：2,5,7,8,10,11,12
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