原子结构及元素周期律课件

原子原子结构及元素周期构及元素周期律律原子结构及元素周期律原子结构及元素周期律原子结构及元素周期律你对吗？你对吗？你对了，你对了，你是唯一的吗？有普遍性吗？你是唯一的吗？有普遍性吗？提出一种假设并不难，难的是用实验证明提出一种假设并不难，难的是用实验证明它是正确的，而且是唯一正确的。它是正确的，而且是唯一正确的。严宣申严宣申2020/11/142你对吗？2020/11/142原子结构发现史的原子结构发现史的学习思路学习思路：传统观念传统观念不能解释实验新发现不能解释实验新发现不仅解释实验现象而且为其他实验所证实不仅解释实验现象而且为其他实验所证实 产生新观念产生新观念 为世人接受为世人接受2020/11/143原子结构发现史的学习思路：传统观念不能解释实验新发现不仅解释 Dalton原子学说 (1803年)Thomson“西瓜式”模型 (1897年)Rutherford核式模型 (1911年)Bohr电子分层排布模型 (1913年)量子力学模型(1926年)2020/11/144Dalton原子学说原子结微观粒子的运动特性微观粒子的运动特性原子结构发现史原子结构发现史2020/11/145从公元前5世纪到19世纪，人们一直认为，宇宙万物都是（a a）阴极射线实验阴极射线实验负电性物质的发现负电性物质的发现 18791879年年，英英国国人人克克鲁鲁克克斯斯(Crookes)Crookes)用用阴阴极极射射线线管管在在进进行行低低气气压压导导电电性性能能实实验验时时，发发现现阳阳极极上上出出现现了了荧荧光光，这这说说明明在在电电场场作作用用下下，阴阴极极上上产产生生了了一一种看不见的东西，称之为阴极射线种看不见的东西，称之为阴极射线 。汤姆生实验装置简图汤姆生实验装置简图A A、B.B.阳极阳极 C.C.阴极阴极 D D、E.E.电极电极 K.K.荧光屏荧光屏2020/11/146（a）阴极射线实验负电性物质的发现汤姆生实验装置简图（1）（b b）测定荷质比测定荷质比(e/m)e/m)负电粒子带有普遍性负电粒子带有普遍性 18971897年年，英英国国物物理理学学家家汤汤姆姆生生(J.J.Thomson)J.J.Thomson)，测测定定了了这这种种带带电电粒粒子子的的电电荷荷(e)e)和和质质量量(m)m)之之比比，简简称称荷荷质质比比(e/m)e/m)。他他发发现现无无论论任任何何气气体体，也也不不论论任任何何材材料料做做成成的阴极，所产生粒子的的阴极，所产生粒子的e/me/m均相同。均相同。一位最先打开通向基本粒子物理学一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人大门的伟人2020/11/147（b）测定荷质比(e/m)负电粒子带有普遍性一位最先打开通（C C）确定质量和电荷确定质量和电荷-发现电子发现电子 19091909年年,美国物理学家美国物理学家MillikanMillikan设计了油滴实验设计了油滴实验 测定了电子的电荷。测定了电子的电荷。根据根据e/me/m可以得到电子的质量。可以得到电子的质量。结论：“有比原子小得多的粒子存在有比原子小得多的粒子存在”，人们将这种粒子称为电子。人们将这种粒子称为电子。2020/11/148（C）确定质量和电荷-发现电子2020/11/148 新的思考：新的思考：原原子子是是电电中中性性的的，原原子子中中既既然然存存在在带带负负电电荷荷的的电电子子，就就必必然然还还有有带带正正电电荷荷的的物物质质，即即原原子子是是由由带带负负电电荷荷的的电电子子和和带带正正电电荷荷的的物物质质组组成成的的，这这就就为为人人们们认认识识物物质质的的更更深层次深层次原子结构原子结构打开了大门打开了大门。2020/11/149新的思考：2020/11/149 （1 1911911年年,卢卢瑟瑟福福(E.Rutherford)E.Rutherford)用用粒粒子子射射线线()轰轰击击金金箔箔时时发发现现，多多数数粒粒子子畅畅通通无无阻阻，只只有有少少数数粒粒子子在在前前进进中中像像遇遇到到了了不不可可穿穿透透的的壁壁垒垒一样，被折射和反弹回来。一样，被折射和反弹回来。著名的著名的 粒子散射实验粒子散射实验2020/11/1410（1911年,卢瑟福(E.Rutherford)用粒子电子粒子散射实验2020/11/1411粒子电子粒子散射实验2020/11/1411粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验粒子散射实验1 1、绝大多数、绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进2 2、少数、少数粒子发生了较大的偏转粒子发生了较大的偏转3 3、极少数、极少数粒子的偏转超过粒子的偏转超过90904 4、有的甚至几乎达到、有的甚至几乎达到180 180 第一条现象说明，原子中绝大部分是空的第一条现象说明，原子中绝大部分是空的第二、三现象可看出，第二、三现象可看出，粒子受到较大的库仑力作用粒子受到较大的库仑力作用第四条现象可看出，第四条现象可看出，粒子在原子中碰到了比他质量大的粒子在原子中碰到了比他质量大的多的东西多的东西2020/11/1412粒子散射实验1、绝大多数粒子穿过金箔后仍沿 通过测定和计算，他指出：通过测定和计算，他指出：原原子子中中存存在在一一个个几几乎乎集集中中了了原原子子全全部部(99.9%(99.9%以以上上)质质量量，而而大大小小仅仅为为原原子子/的的带带正正电电荷荷的粒子。的粒子。他将其称为他将其称为原子的核原子的核。2020/11/1413通过测定和计算，他指出：2020/11/1413在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核原原子子的的全全部部正正电电荷荷和和几几乎乎全全部部质质量量都都集集中中在在原原子核里子核里带负电的电子在核外空间绕着核旋转带负电的电子在核外空间绕着核旋转原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构原子的核式结构卢瑟福提卢瑟福提出的原子出的原子核式结构核式结构2020/11/1414在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核原子的核式结构卢瑟福意义：意义：电电子子像像行行星星绕绕太太阳阳运运转转一一样样绕绕原原子子核核运运动动，这这就是大家悉知的原子结构的就是大家悉知的原子结构的“行星式模型行星式模型”。这这是是人人类类认认识识微微观观世世界界的的重重要要里里程程碑碑，这这个个模模型已成为型已成为现代科学技术的象征现代科学技术的象征.。2020/11/1415意义：2020/11/1415 卢卢瑟瑟福福在在实实验验中中还还发发现现，被被轰轰击击的的原原子子中中还还可可能能跑跑出出带带正正电电荷荷的的粒粒子子，经经过过测测定定和和计计算算，这这种种粒粒子子所所带带的的电电量量和和质质量量也也都都与与原原子子种种类类无无关关，而而电电量量正正好好等等于于1 1个电子电量的正值个电子电量的正值,卢瑟福将其命名为卢瑟福将其命名为质子质子。19121912年年英英国国人人莫莫斯斯莱莱(Moseley)Moseley)用用实实验验测测定定了了各各种种原原子子的的荷荷电电荷荷数数，证证明明：原原子子核核内内的的质质子子数数和和核核外外的的电子数都恰好等于原子序数。电子数都恰好等于原子序数。2020/11/1416卢瑟福在实验中还发现，被轰击的原子中还可能跑出带正电荷思考：思考：既既然然原原子子的的质质量量集集中中于于原原子子核核，那那么么核核内内质质子子的的总总质质量量应应当当近近似似等等于于原原子子的的质质量量。但但是是对对于于多多数数原原子子，其质子的总质量小于原子的质量？其质子的总质量小于原子的质量？2020/11/1417（4）质量关系推理-中子的发现2020/11/1417卢瑟福因此指出：卢瑟福因此指出：原原子子核核内内还还可可能能存存在在一一种种质质量量与与质质子子相相似似的的 电中性粒子电中性粒子，他将其称为，他将其称为中子中子。这种预见于这种预见于19321932年被实验所证实。年被实验所证实。2020/11/1418卢瑟福因此指出：2020/11/1418小结：原子的组成原原 子子 组组 成成 发发 现现 史史 原原 子子 核核质子质子 18961896年年，卢卢瑟瑟福福粒粒子散射实验子散射实验中子中子 核外电子核外电子 18971897年年家家汤汤姆姆生生阴阴极极射线管实验射线管实验2020/11/1419小结：原子的组成组成发现史质子核电荷数核电荷数(Z)=核内质子数核内质子数=核外电子数核外电子数=原子序数原子序数原子量原子量(A)=质量数质量数=质子数（质子数（Z）+中子数（中子数（N）原子原子(A)原子核原子核电子电子(Z)带负电，带负电，m0质子质子(Z)(Z)带正电带正电 中子中子(N)(N)不带电不带电 2020/11/1420核电荷数(Z)=核内质子数原子(A)原子核电子(Z实验证明，质子和中子是由更小的微粒实验证明，质子和中子是由更小的微粒“夸克夸克”构成。构成。有关夸克的结构和性质仍有探索和研究中有关夸克的结构和性质仍有探索和研究中2020/11/1421实验证明，质子和中子是由更小的微粒“夸克”构成。2020/1核型原子模型的局限性核型原子模型的局限性经典电磁理论证实经典电磁理论证实：运动着的电子要向外辐射运动着的电子要向外辐射电磁波，随之能量逐渐降低，绕核运动的圆周电磁波，随之能量逐渐降低，绕核运动的圆周半径逐渐变小，原子应该不断辐射波长连续变半径逐渐变小，原子应该不断辐射波长连续变大的电磁波大的电磁波连续光谱连续光谱。电子能量电子能量不断降低的结果，是电子最终能量为零，不断降低的结果，是电子最终能量为零，原子将不复存在。原子将不复存在。但事实上但事实上，电子稳定存在，且基态原子不对外辐电子稳定存在，且基态原子不对外辐射电磁波，激发态的原子的发射光谱也只是分射电磁波，激发态的原子的发射光谱也只是分立的线状光谱，而不是连续光谱。立的线状光谱，而不是连续光谱。2020/11/1422核型原子模型的局限性经典电磁理论证实：运动着的电子要向外辐射卢瑟福（卢瑟福（1871-1937）ErnestRutherfordl1895年英国剑桥大学博士年英国剑桥大学博士导师汤姆逊（导师汤姆逊（J.J.Thomson）卢瑟福一生从事放射性研究。卢瑟福一生从事放射性研究。发现了发现了和和射线，于射线，于1899年证明了年证明了射线是氦核粒子，射线是氦核粒子，射线是电子，为此，射线是电子，为此，获得获得1908年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖；与他的学生；与他的学生F.Soddy一起发现一起发现了放射性元素的自发蜕变现象；了放射性元素的自发蜕变现象；1909年发现年发现粒子的粒子的散射现象，散射现象，1911年提出了他的核型原子模型。年提出了他的核型原子模型。核物理学之父核物理学之父2020/11/1423卢瑟福（1871-1937）核物理学之父2020/11/14 近代原子结构理论的确立从氢原子光谱实验开始.白光白光 光谱光谱氢原子氢原子 光谱光谱2020/11/1424近代原子结构理论的确立从氢原子光谱实验开始.白光氢原子光谱的不连续性充分说明电子运动状氢原子光谱的不连续性充分说明电子运动状态的不连续性，以及状态变化的不连续性。态的不连续性，以及状态变化的不连续性。2020/11/1425氢原子光谱的不连续性充分说明电子运动状态的不连续性，以及状态1.玻尔玻尔(Bohr)模型模型1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家Bohr，在，在Planck量子量子论论Einstein光子学说和光子学说和Rutherford有核模型有核模型基础上，提出关于原子结构模型，从理论上成基础上，提出关于原子结构模型，从理论上成功的解释了氢原子光谱。功的解释了氢原子光谱。物理量变化的不连续性物理量变化的不连续性量子化、玻尔原子模型量子化、玻尔原子模型2020/11/14261.玻尔(Bohr)模型物理量变化的不连续性2020/112.波尔理论的基本要点波尔理论的基本要点a)电子只能在某些特定的轨道上绕核运动。此电子只能在某些特定的轨道上绕核运动。此时既不吸收能量也不释放能量。这些稳定的时既不吸收能量也不释放能量。这些稳定的状态称为状态称为定态定态。能量最低的定态称为。能量最低的定态称为基态基态；其余的则称为其余的则称为激发态激发态。b)原子中可能存在的各种定态是不连续的。原子中可能存在的各种定态是不连续的。2020/11/14272.波尔理论的基本要点a)电子只能在某些特定的轨道上绕核c)电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定会放出或吸收能量，其大小取决于两个定态会放出或吸收能量，其大小取决于两个定态能量差，即能量差，即hv=E2-E1=E2020/11/1428c)电子由一个定态跃迁到另一个定态时，一定2020/11/波尔理论成功之处：波尔理论成功之处：1）成功地解释了氢原子的线状光谱；）成功地解释了氢原子的线状光谱；2）计算出氢原子半径和电离能。）计算出氢原子半径和电离能。波尔理论的局限性：波尔理论的局限性：1）不能解释多电子原子的光谱；）不能解释多电子原子的光谱；2）不能解释氢光谱在磁场中的分裂现象和）不能解释氢光谱在磁场中的分裂现象和微观结构的关系。微观结构的关系。可见：可见：从宏观到微观，物质已经实现了从量变到质从宏观到微观，物质已经实现了从量变到质变的飞跃，必须全面了解微观粒子的运动特性，才变的飞跃，必须全面了解微观粒子的运动特性，才能建立起适合于微观粒子的全新的力学体系。能建立起适合于微观粒子的全新的力学体系。2020/11/1429波尔理论成功之处：波尔理论的局限性：可见：从宏观到微观，物质2020/11/1430原因：没有考虑微观世界粒子的特性波粒二象性(wave 玻尔和他的原子模型玻尔（玻尔（N.Bohr1885-1962）丹麦人，哥本哈根大学教授。丹麦人，哥本哈根大学教授。是卢瑟福指导过的是卢瑟福指导过的11名获得名获得诺贝尔奖的学生之一。诺贝尔奖的学生之一。1913年，玻尔大胆地抛开了年，玻尔大胆地抛开了经典电动力学理论，硬性假设经典电动力学理论，硬性假设电子绕核运动不辐射出能量，电子绕核运动不辐射出能量，将普朗克量子论应用于卢瑟将普朗克量子论应用于卢瑟福的核型原子模型，提出福的核型原子模型，提出稳稳定轨道、定态和电子跃迁的概念定轨道、定态和电子跃迁的概念。2020/11/1431玻尔和他的原子模型玻尔（N.Bohr1885-1961924年年，法国的法国的德布罗依德布罗依（L.DeBroglie）在）在光的波粒二象性的启发下，提出一个天才而大胆的假光的波粒二象性的启发下，提出一个天才而大胆的假设：电子等实物微粒子的运动也具有波粒二象性。他设：电子等实物微粒子的运动也具有波粒二象性。他认为，对于认为，对于质量为质量为m，速度为速度为的微粒，具有的波长为：的微粒，具有的波长为：=h/m这个波称为这个波称为物质波（常称为德布罗依波）物质波（常称为德布罗依波）物质波（常称为德布罗依波）物质波（常称为德布罗依波）。三年后，美国的戴维逊等在纽约贝尔实验室所三年后，美国的戴维逊等在纽约贝尔实验室所做的电子衍射实验，证实了德布罗依的假设。做的电子衍射实验，证实了德布罗依的假设。一、电子的波粒二象性一、电子的波粒二象性原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态2020/11/1432一、电子的波粒二象性原子核外电子的运动状态2020/11/12020/11/1433动画2020/11/1433电子衍射实验电子衍射实验不仅证实了微观粒不仅证实了微观粒子的波粒二象性，子的波粒二象性，同时由实验得到的同时由实验得到的电子波的波长也与电子波的波长也与按按德布罗依公式德布罗依公式计计算出来的一样。算出来的一样。铝箔对波长铝箔对波长71pm的电子衍射花纹的电子衍射花纹2020/11/1434铝箔对波长71pm的电子衍射花纹2020/11/1434我们知道，对于火车、飞机、行星等宏观物体我们知道，对于火车、飞机、行星等宏观物体的运行，根据经典力学，可以指出它们在某的运行，根据经典力学，可以指出它们在某一瞬间的速度和位置。但对于具有一瞬间的速度和位置。但对于具有波粒二象波粒二象性性的微粒如电子来说，其运动状况就不能用的微粒如电子来说，其运动状况就不能用经典力学来描述。经典力学来描述。1927年，年，德国物理学家海森堡德国物理学家海森堡提出了提出了著名的测著名的测不准原理不准原理：对于波粒二象性的微粒而言，不：对于波粒二象性的微粒而言，不可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速度（或动量）。度（或动量）。二、不确定原理二、不确定原理(测不准原理测不准原理)2020/11/1435我们知道，对于火车、飞机、行星等宏观物体二、不确定原1926年，海森堡年，海森堡(Heisenberg)关系式：关系式：2020/11/14361926年，海森堡(Heisenberg)关系式：2020/三、量子力学和原子轨道波函数在经典物理中，波的运动状态一般是通过在经典物理中，波的运动状态一般是通过波函数来描述的。波函数来描述的。例如：例如：电磁波可用函数电磁波可用函数(x,y,z,t)来描述，来描述，代表代表t 时刻在时刻在(x，y，z)点电场或磁场的强度，点电场或磁场的强度，它是空间坐标它是空间坐标x,y,z和时间和时间t 的函数，因此称的函数，因此称为波函数为波函数。一、波函数、量子数一、波函数、量子数2020/11/1437三、量子力学和原子轨道波函数一、波函数、1926年，奥地利物理学家年，奥地利物理学家薛薛定谔从电子的波粒二象性出定谔从电子的波粒二象性出发，把电子的运动与光的波发，把电子的运动与光的波动理论联系起来动理论联系起来，提出了描，提出了描述氢原子核外电子运动状态述氢原子核外电子运动状态的数学表达式，的数学表达式，建立了实物建立了实物微粒的波动方程微粒的波动方程，这就是著，这就是著名的名的薛定谔方程。薛定谔方程。薛定谔方程。薛定谔方程。薛定谔薛定谔1887-1961(E.Stirdinger)2020/11/14381926年，奥地利物理学家薛薛定谔2020/11/1438方程中方程中,叫做波函数；叫做波函数；m 为电子质量；为电子质量；h为普朗克常数；为普朗克常数；E 为系统的总能量；为系统的总能量；V 为系统的势能。为系统的势能。由于薛定谔方程包含有由于薛定谔方程包含有x,y,z 三个变量，三个变量，则方程的解则方程的解也是包含有也是包含有x,y,z 三个变量的函三个变量的函数式，可以表示为数式，可以表示为(x,y,z),也可以用球坐标也可以用球坐标表示为表示为(r,)。2020/11/14392020/11/1439球坐标球坐标(r,)与直角坐标系的关系与直角坐标系的关系222zyxr+=cosrz=qsinsinry=qcossinrx=q(r,)=R(r)Y(,)坐标变换坐标变换2020/11/1440球坐标(r,)与直角坐标系的关系222zyxr+=氢原子的一些波函数和能量氢原子的一些波函数和能量空间状态n,l,m(r,)能量/J1s-2.17910-182s-5.44710-192px-5.44710-192020/11/1441氢原子的一些波函数和能量空间状态n,l,m(r,)能关于波函数的说明关于波函数的说明将空间某点的坐标值，带入到某空间状将空间某点的坐标值，带入到某空间状态的波函数态的波函数n，l，m(r,)式当中，就可以得式当中，就可以得知该点的波函数的值。波函数知该点的波函数的值。波函数本身没有具体本身没有具体的物理意义，波函数的平方的物理意义，波函数的平方表示电子在表示电子在该点的该点的概率密度概率密度。这就是。这就是微观粒微观粒子运动规律的子运动规律的统计学意义统计学意义。2020/11/1442关于波函数的说明22020/11/1442波函数波函数 常被称为常被称为原子轨道原子轨道，但它不具有宏观，但它不具有宏观轨道的含义，仅为一个函数式子，它对应着轨道的含义，仅为一个函数式子，它对应着核外电子可能采取的一种运动状态。核外电子可能采取的一种运动状态。薛定谔方程含有三个坐标变量薛定谔方程含有三个坐标变量,它的解它的解波函数波函数中一定含有三个常数项中一定含有三个常数项n,l,m。为了使方程为了使方程的解有意义的解有意义,n,l,m 的取值不可任意，而要遵的取值不可任意，而要遵循一定的规则，循一定的规则，n,l,m 称为称为量子数量子数。2020/11/1443波函数常被称为原子轨道，但它不具有宏观2020/1小结小结:.核外电子的运动具有量子化特征。每一核外电子的运动具有量子化特征。每一对应一对应一确定的能量值，称为确定的能量值，称为“定态定态”。基态时能量最小，。基态时能量最小，比基态能量高的是激发态。比基态能量高的是激发态。.核外电子的运动具有波粒二象性，电子波是几率核外电子的运动具有波粒二象性，电子波是几率波；即微观粒子的运动无明确的轨道，但可确定它波；即微观粒子的运动无明确的轨道，但可确定它在核外空间某处出现几率的大小。在核外空间某处出现几率的大小。.量子力学中：波函数量子力学中：波函数 (x x,y y,z z)=)=原子轨道。原子轨道。.一个确定的波函数一个确定的波函数 代表代表电子的一种空间运动状电子的一种空间运动状态，态，2 2表示在空间某处表示在空间某处(x x,y y,z z)电子出现的电子出现的几率密度。几率密度。5.5.电子云是电子几率密度电子云是电子几率密度2 2分布的形象化描述。分布的形象化描述。2020/11/1444小结:2020/11/1444(1)n,主量子数主量子数(2)取值：取值：1,2,3,等自然数。等自然数。(3)意义：决定轨道的能级，如在单电子中：意义：决定轨道的能级，如在单电子中：n取值越大，轨道能量越高，电子出现概率最取值越大，轨道能量越高，电子出现概率最大的区域离核越远。大的区域离核越远。单电子原子中，单电子原子中，n n 相同的原子轨道为简并轨相同的原子轨道为简并轨道。道。能量相同的轨道称为能量相同的轨道称为“简并轨道简并轨道”。2020/11/1445n,主量子数2020/11/1445(2)l,角量子数角量子数取取值：值：0，1，2，3，n-1；光谱符号：光谱符号：s，p，d，f，取值数：取值数：n个个n取值数l光谱符号轨道符号110s1s220s2s1p2p330s3s1p3p2d3d2020/11/1446(2)l,角量子数n取值数l光谱符号轨道符号110s角量子数与原子轨道的形状有关：角量子数与原子轨道的形状有关：l=0，即，即s轨道是球形对称的；轨道是球形对称的；l=1，即，即p轨道呈哑铃状；轨道呈哑铃状；l=2，即即d轨道呈花瓣状；轨道呈花瓣状；yxzxyzxypysdyz+z2020/11/1447角量子数与原子轨道的形状有关：yxzxyzxypysdy(3)m,磁量子数磁量子数取值取值：0,1,2,l；取值数取值数：2l+1个个对于对于s轨道轨道,l=0,m=0，ns轨道只有一条；轨道只有一条；p轨道轨道,l=1,m=0,1,np轨道有三条；轨道有三条；d轨道轨道,l=2,m=0,1,2,nd轨道有五条。轨道有五条。意意义义：磁磁量量子子数数与与轨轨道道(或或电电子子云云)的的伸伸展展方方向向有关有关.如：如：npx,npy,npz这三条轨道就是分别沿着这三条轨道就是分别沿着x,y,z三个坐标轴伸展的。由于它们的伸展三个坐标轴伸展的。由于它们的伸展方向不同方向不同,在外磁场中必然要发生能级分裂。在外磁场中必然要发生能级分裂。2020/11/1448(3)m,磁量子数2020/11/1448磁量子数与轨道的伸展方向有关磁量子数与轨道的伸展方向有关l=0，即，即s轨道是球形对称的；轨道是球形对称的；l=1，即，即p轨道呈哑铃状；轨道呈哑铃状；2px2py2pz1s2020/11/1449磁量子数与轨道的伸展方向有关2px2py2pz1s2020/l=2，m=0,1,2.氢原子的氢原子的5条条3d轨道轨道3dxy3dyz3dxz2020/11/1450l=2，m=0,1,2.氢原子的5条3d轨(4)ms,自旋量子数自旋量子数人们在研究氢原子光谱的精细结构时发现，人们在研究氢原子光谱的精细结构时发现，每一条每一条谱线实际由谱线实际由2条十分接近的谱线组成，这条十分接近的谱线组成，这种谱线的精细结构用种谱线的精细结构用n,l,m 三个量子数已不能解释。三个量子数已不能解释。电子自旋现象的实验装置2020/11/1451(4)ms,自旋量子数电子自旋现象的实验装置2020/1925年，年，有人假设有人假设：这是由于同一轨道中的电子：这是由于同一轨道中的电子自旋运动状态不同引起的，后经实验证实。运用自旋运动状态不同引起的，后经实验证实。运用量子力学处理电子的自旋运动时，得到了决定电量子力学处理电子的自旋运动时，得到了决定电子自旋运动的自旋量子数子自旋运动的自旋量子数ms。2020/11/14521925年，有人假设：这是由于同一轨道中的电子自旋运动状综上，在单电子原子中：综上，在单电子原子中：主量子数主量子数n决定了电子的能量和离核的远近；决定了电子的能量和离核的远近；角量子数角量子数l 决定了轨道的形状；决定了轨道的形状；磁量子数磁量子数m 决定了轨道的空间伸展方向。决定了轨道的空间伸展方向。n,l,m三个量子数共同决定了一条原子轨三个量子数共同决定了一条原子轨道道，决定了电子的空间决定了电子的空间(轨道轨道)运动状态。运动状态。自旋量子数自旋量子数ms决定了电子的自旋运动状态，决定了电子的自旋运动状态，与与前三个量子数一起，共同决定了电子的运动前三个量子数一起，共同决定了电子的运动状态。状态。2020/11/1453综上，在单电子原子中：量子数小结2020/11/1453多电子原子的结构多电子原子的结构中心力场模型中心力场模型是一种近似方法，可使问题简化。是一种近似方法，可使问题简化。它把其他所有电子对所研究电子的斥力平均起来它把其他所有电子对所研究电子的斥力平均起来看作是球形对称的，减弱了原子核发出的正电场对研看作是球形对称的，减弱了原子核发出的正电场对研究电子的作用。这样，研究电子可看作只受一个处于究电子的作用。这样，研究电子可看作只受一个处于原子中心的正电荷的作用，类似于单电子原子进行处原子中心的正电荷的作用，类似于单电子原子进行处理。理。2020/11/1454多电子原子的结构中心力场模型是一种近似方法，可使问题简化。一2020/11/1455一、屏蔽效应2020/11/1455 电子进入原子内部空间，受到核的较强的电子进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用。吸引作用。2020/11/1456二、钻穿效应电子进入原子内部空间，受到核的较强1.基态原子的核外电子排布原则基态原子的核外电子排布原则 最低能量原理最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低能级轨电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上道上,使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最低。低。Pauli不相容原理不相容原理每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。相反的电子。Hund规则规则在在n 和和l 相同的轨道上分布的电子相同的轨道上分布的电子,将尽将尽可能分占可能分占m 值不同的轨道值不同的轨道,且自旋平行。且自旋平行。三、基态多电子原子内电子排布三、基态多电子原子内电子排布2020/11/14571.基态原子的核外电子排布原则最低能量原理Paul半满全满规则：半满全满规则：C：1s2 2s2 2p2He、Ar原子原子实实N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29 Cu：全满：全满：p6，d10，f14；半满：半满：p3，d5，f7；全空：全空：p0，d0，f0。2020/11/1458半满全满规则：C：1s22s22p2He、ArZ=11，Na：1s22s22p63s1或或Ne3s1，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或或Ar4s2，Z=50，Sn：Kr5s25p2，Z=56，Ba：Xe6s2。价电子：价电子：例如：例如：Sn的价电子排布式为：的价电子排布式为：5s25p2。2020/11/1459Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne3s12020/11/14601.稀有气体的原子序数：排出基态原子的电子构型的有用通式 n1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 周期周期 K L M N O P Q 能级组能级组 765432 1能量能量1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s7p6d5f7s原子轨道近原子轨道近似能级图似能级图2020/11/1461n1n=2n=3n=4原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律现代化学元素周期律可表达为：现代化学元素周期律可表达为：元素的性质是原子序数的周期性函数。元素的性质是原子序数的周期性函数。也就是说，元素性质取决于原子的内部也就是说，元素性质取决于原子的内部结构，随着原子序数的递增，元素性质呈周结构，随着原子序数的递增，元素性质呈周期性变化，是原子结构周期性变化的体现。期性变化，是原子结构周期性变化的体现。依照这个规律把众多化学元素组织在一依照这个规律把众多化学元素组织在一起形成的系统叫起形成的系统叫化学元素周期系化学元素周期系。周期系可。周期系可以表达为各种各样的元素周期表。其中以表达为各种各样的元素周期表。其中长式长式周期表周期表简单明了，较好地反映了元素原子结简单明了，较好地反映了元素原子结构的特点，因此更为实用。构的特点，因此更为实用。2020/11/1462原子结构与元素周期律现代化学元素周期律可表达为：202AgCdCuZnRbSrHLiBeBCNOFNaMgAlSiPSClKCaScTiVCrMnFeCoNiGaGeAsSeBrYZrNbMoTcRuRhPdInSnSbTeICsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBi门捷列夫短式周期表门捷列夫短式周期表元素周期表的种类元素周期表的种类2020/11/1463AgCdCuZnRbSrHLiBeBCNOF这种周期表的这种周期表的优点优点是能够十分清楚地是能够十分清楚地看到元素周期系是看到元素周期系是如何由于核外电子如何由于核外电子能级的增多而螺旋能级的增多而螺旋性发展的，性发展的，但它们但它们的每个横列不是一的每个横列不是一个周期，纵列元素个周期，纵列元素的相互关系也不容的相互关系也不容易看清。易看清。宝塔式或滴水钟式周期表宝塔式或滴水钟式周期表2020/11/1464这种周期表的优点是能够十分清楚地看到元素周期系是如何由于核外大家熟知长式周期表，分为大家熟知长式周期表，分为7行行18列，每行列，每行为一个周期，按列分为为一个周期，按列分为16族。族。周期的划分：周期的划分：根据能级组划分。根据能级组划分。族的划分：族的划分：根据外电子层结构划分。其中：根据外电子层结构划分。其中：主族：主族：基态原子内电子层轨道全满或全空；基态原子内电子层轨道全满或全空；主族序号与元素原子外层主族序号与元素原子外层s,p电子总电子总数一致。如：数一致。如：A,A。周期表的结构周期表的结构2020/11/1465大家熟知长式周期表，分为7行18列，每行为一副族副族：除：除B、B外，次外层外，次外层d轨道、次轨道、次次外层次外层f轨道均未完全充满。如：轨道均未完全充满。如：B,B。常称镧系、锕系以外的副族元素为常称镧系、锕系以外的副族元素为过渡过渡元素元素。称镧系、锕系元素为。称镧系、锕系元素为内过渡元素内过渡元素。分别称分别称4、5、6周期的过渡元素为第一、周期的过渡元素为第一、第二和第三系列过渡元素。第二和第三系列过渡元素。2020/11/1466副族：除B、B外，次外层d轨道、次2020/11/2020/11/14672020/11/1467元素的分区元素的分区按元素基态原子价电子层结构特点，可将按元素基态原子价电子层结构特点，可将周期表分为五个区：周期表分为五个区：s区：区：AAns1ns2p区：区：AA，0族族ns2np1ns2np6d区区:BB，族族(n-1)d19ns02ds区区:BB(n-1)d10ns12f区区:镧系和锕系，镧系和锕系，排在排在B中中注意族号与电子结构的对应关系。注意族号与电子结构的对应关系。2020/11/1468元素的分区2020/11/1468元素的化学性质主要取决于三个因素：元素的化学性质主要取决于三个因素：核外核外电子构型、价层电子的有效核电荷、原子半径电子构型、价层电子的有效核电荷、原子半径。S区元素区元素内层轨道内层轨道全满全满或或全空全空、次外层为、次外层为8电子的电子的最稳定构型。失去外层最稳定构型。失去外层s电子倾向强烈，活泼金属。电子倾向强烈，活泼金属。最稳定的电子构型最稳定的电子构型 最外层最外层8电子构型电子构型,轨轨道是全满和全空的构型。道是全满和全空的构型。原子在化学反应中，有得失电子而达到稳原子在化学反应中，有得失电子而达到稳定构型的趋势。定构型的趋势。影响元素性质的结构因素影响元素性质的结构因素2020/11/1469元素的化学性质主要取决于三个因素：核外电子构型、价层P区元素区元素内层轨道是全满或全空的最稳定构型；内层轨道是全满或全空的最稳定构型；最外层有最外层有2个个s电子和电子和16个个p电子。电子。0族元素族元素不活泼，而从不活泼，而从AA元素，从趋向失电子元素，从趋向失电子渐变为趋向得电子，以达到稳定的电子构型，渐变为趋向得电子，以达到稳定的电子构型，化学性质从金属性过渡到非金属性。化学性质从金属性过渡到非金属性。D区元素区元素最外层含最外层含2个或个或1个个s电子，故均表现电子，故均表现为金属性；次外层为金属性；次外层d轨道含轨道含19个个d电子，电子，未完全充满，因此，未完全充满，因此，d电子也参与化学反应。电子也参与化学反应。所以所以d区元素化合价复杂，且易于生成配位化区元素化合价复杂，且易于生成配位化合物。合物。2020/11/1470P区元素内层轨道是全满或全空的最稳定构型；最外层有2个ds区元素区元素性质与性质与d区元素相似，但因为区元素相似，但因为d轨道轨道已经全满，所以已经全满，所以d电子的化学活泼性较电子的化学活泼性较d区区元素差，化合价也不那么复杂。元素差，化合价也不那么复杂。f区元素区元素最外层仅含最外层仅含2个个s电子电子,均为活泼金属。均为活泼金属。由于次次外层由于次次外层f轨道和次外层轨道和次外层d轨道大多未轨道大多未完全充满，也参加化学反应，故性质复杂。完全充满，也参加化学反应，故性质复杂。2020/11/14712020/11/14712020/11/14722020/11/1472原子半径（原子半径（r）:一般指共价半径和金属半径。一般指共价半径和金属半径。共价半径共价半径同一种元素的原子间以共价单键结同一种元素的原子间以共价单键结合时，两原子核之间距离的一半。合时，两原子核之间距离的一半。金属半径金属半径金属晶体中，相邻两金属原子核间金属晶体中，相邻两金属原子核间距的一半。距的一半。原子的金属半径比单键共价半径一般要大原子的金属半径比单键共价半径一般要大10-15%范德华半径范德华半径稀有气体形成的单原子分子晶体中，稀有气体形成的单原子分子晶体中，分子核间距的一半。又称接触半径分子核间距的一半。又称接触半径。2020/11/1473原子半径（r）:一般指共价半径和金属半径。2020/11/1共价半径共价半径 主族元素：从左到右主族元素：从左到右r 减减小；小；从上到下从上到下r 增大。增大。过渡元素：从左到右过渡元素：从左到右r 缓慢减小；缓慢减小；从上到下从上到下r略略有增大。有增大。金属半径金属半径rrr范德华半径范德华半径 2020/11/1474共价半径主族元素：从左到右主族元素半径变化主族元素半径变化2020/11/1475主族元素半径变化2020/11/1475 元素的原子半径变化趋势元素的原子半径变化趋势2020/11/1476元素的原子半径变化趋势2020/11/14761.元素的电离能元素的电离能元素的气态原子在基态时失去一个电子变成一价元素的气态原子在基态时失去一个电子变成一价气态正离子所需的气态正离子所需的能量能量称为称为元素的第一电离能元素的第一电离能，用，用I1表示。表示。I2、I3。单位：单位：kJmol-1。意义：意义：I越小，代表失电子越容易；越小，代表失电子越容易；用途：用途：判断金属的活泼性；判断金属的活泼性；判断离子常见价态。判断离子常见价态。元素I 1I 2I 3I 4常见价态Na4964562+1Mg73814517733+2Al5781817274511578+3元素重要性质的周期性变化元素重要性质的周期性变化2020/11/14771.元素的电离能元素I1I2I3I4常见价态Na49在比较元素的电离能大小时，主要考虑的是：在比较元素的电离能大小时，主要考虑的是：原子核电荷数；原子核电荷数；原子半径；原子半径；原子的电原子的电子层结构；子层结构；电离能变化规律电离能变化规律:同一周期主族元素：同一周期主族元素：从左到右，原子半径从左到右，原子半径减小，有效核电荷数增加，减小，有效核电荷数增加，电离能总趋势增电离能总趋势增大大；反常之处；反常之处:A高于高于A、A高于高于A。同一主族：同一主族：从上到下，电子层结构相同，从上到下，电子层结构相同，有效核电荷增大不多，半径的增大起主要作有效核电荷增大不多，半径的增大起主要作用，核对外层电子的引力减弱，用，核对外层电子的引力减弱，电离能逐渐电离能逐渐降低。降低。2020/11/1478在比较元素的电离能大小时，主要考虑的是：2020/11/14第一电离能第一电离能2020/11/1479第一电离能2020/11/14792020/11/14802020/11/1480同系列过渡元素自左向右，同系列过渡元素自左向右，有效核电荷的增大有效核电荷的增大和原子半径的减小均不如主族元素显著，和原子半径的减小均不如主族元素显著，第第一电离能不规则地缓慢升高。一电离能不规则地缓慢升高。同副族过渡元素同副族过渡元素第一到第二系列，第一电离第一到第二系列，第一电离能减小，而第三系列比第二系列明显增大。能减小，而第三系列比第二系列明显增大。这是由于镧系收缩造成的。这是由于镧系收缩造成的。镧系元素之间镧系元素之间，作用于外层电子的有效核电荷，作用于外层电子的有效核电荷相近相近,原子半径相近原子半径相近,故第一电离能也相近。故第一电离能也相近。2020/11/1481同系列过渡元素自左向右，有效核电荷的增大2020/11/14同一周期：同一周期：短周期：短周期：I 增大。增大。I1(A)最小，最小，I1(稀有气体稀有气体)最大。最大。长周期的前半部分长周期的前半部分I增加缓慢。增加缓慢。N,P,As,Sb,Be,Mg电离能较大电离能较大(半满、全满半满、全满)同一族：同一族：I 变小。变小。2020/11/1482同一周期：2020/11/14822.元素的电子亲合能元素的电子亲合能基态气态原子获得一个电子变成一价气态基态气态原子获得一个电子变成一价气态负离子所放出的能量称为元素的负离子所放出的能量称为元素的电子亲合能电子亲合能，用用E 表示。表示。电子亲合能表示电子亲合能表示元素的原子获得电子的难易程元素的原子获得电子的难易程度，电子亲合能越大，原子变成负离子的倾向度，电子亲合能越大，原子变成负离子的倾向越大越大,非金属性越强。非金属性越强。电子亲合能变化规律：电子亲合能变化规律：同周期中，从左到右同周期中，从左到右,电子亲合能增大电子亲合能增大；同族中，从上到下，电子亲合能减小同族中，从上到下，电子亲合能减小。2020/11/14832.元素的电子亲合能2020/11/14832020/11/14842020/11/14843.元素的电负性（元素的电负性（X）原子在分子中对成键电子吸引能力的相对大小原子在分子中对成键电子吸引能力的相对大小.Pauling指定氟（指定氟（F）的电负性为的电负性为4.0，锂为，锂为1.0依此对比求出了其他元素的电负性，因此依此对比求出了其他元素的电负性，因此电负性是一个相对数值。电负性是一个相对数值。电负性变化规律：电负性变化规律：金属元素的电负性较小，非金属的较大，金属元素的电负性较小，非金属的较大，可用可用X=2作为判断界限。作为判断界限。同一周期元素从左到右，主族依次增大，同一周期元素从左到右，主族依次增大，过渡元素变化不大。从上到下主族元素依次过渡元素变化不大。从上到下主族元素依次减小减小,副族元素呈增加趋势。左下小副族元素呈增加趋势。左下小,右上大。右上大。2020/11/14853.元素的电负性（X）2020/11/1485两元素化合时，若他们的电负性差较大两元素化合时，若他们的电负性差较大（X1.7），），通常形成离子键；若电负性通常形成离子键；若电负性相差较小（相差较小（X1.7）,则常形成共价键。则常形成共价键。2020/11/1486两元素化合时，若他们的电负性差较大2020/12020/11/14872020/11/14874.元素的氧化数元素的氧化数氧化数的定义：化学实体中某元素一个原子氧化数的定义：化学实体中某元素一个原子的荷电数，这种荷电数由的荷电数，这种荷电数由假设假设把每个键中的把每个键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。简称电子指定给电负性更大的原子而求得。简称“形式电荷数形式电荷数”。2020/11/14884.元素的氧化数2020/11/1488元素原子氧化数计算规则：元素原子氧化数计算规则：单质分子中原子的氧化数为单质分子中原子的氧化数为0。单原子离子的氧化数等于它的电荷数。单原子离子的氧化数等于它的电荷数。H在非离子化合物中为在非离子化合物中为+1，金属氢化物，金属氢化物中为中为-1。O在一般化合物中为在一般化合物中为-2，在，在OO中中为为-1，在，在OF2中为中为+2。化合物中，电负性高的氧化数为负。化合物中，电负性高的氧化数为负。电中性化合物中各原子氧化数总和为零。电中性化合物中各原子氧化数总和为零。2020/11/1489元素原子氧化数计算规则：2020/11/1489元素氧化数的特点：元素氧化数的特点：主族主族P区元素的最高氧化数等于用罗马数区元素的最高氧化数等于用罗马数字表示的族号字表示的族号N，最低氧化数为最低氧化数为8N。一一些元素能形成多种氧化态的化合物。些元素能形成多种氧化态的化合物。过渡元素的氧化数有多个；负价罕见；大过渡元素的氧化数有多个；负价罕见；大多元素的最高氧化数等于它的族数。就某多元素的最高氧化数等于它的族数。就某一元素而言，低价易形成离子键，高价易一元素而言，低价易形成离子键，高价易形成共价键。形成共价键。2020/11/1490元素氧化数的特点：2020/11/14902020/11/1491练习题2020/11/14911根据原子结构理论可以预测：第八周期将包根据原子结构理论可以预测：第八周期将包括括_种元素；原子核外出现第一个种元素；原子核外出现第一个5g电子电子的原子序数是的原子序数是_。美、俄两国科学家在。美、俄两国科学家在2006年年10月号的月号的物理评论物理评论上宣称，他们发上宣称，他们发现了现了116号元素。根据核外电子排布的规律，号元素。根据核外电子排布的规律，116号元素的价电子构型为号元素的价电子构型为_，它，它可能与元素可能与元素_的化学性质最相似。的化学性质最相似。（07年夏令营）2020/11/1492答案：501217s27p42、在元素周期表第4第5周期中成单电子数最多的过渡元素的电子构型为 ；元素名称是 和 。依据现代原子结构理论，请你推测，当出现5g电子后，成单电子最多的元素可能的价层电子构型为 。可能是 号元素。（2004年夏令营）Ar3d54s1Kr4d55s1铬钼5g98s11282020/11/14932、在元素周期表第4第5周期中成单电子数最多的过渡元素的电子第第3题题在正确选项上圈圈。在正确选项上圈圈。31下列化学键中碳的正电性最强的是下列化学键中碳的正电性最强的是 A.CFB.CO C.CSiD.CCl32电子构型为电子构型为Xe4f145d76s2的元素是的元素是 A.稀有气体稀有气体B.过渡元素过渡元素C.主族元素主族元素D.稀土元素稀土元素33下列离子中最外层电子数为下列离子中最外层电子数为8的是的是A.Ga3+B.Ti4+C.Cu+D.Li+20032003年全国（省级）年全国（省级）2020/11/1494第3题在正确选项上圈圈。2020/11/1494谢谢谢谢