第六章-原子结构课件

第六章第六章 原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律本章将要讲述以下几节内容：本章将要讲述以下几节内容：6-1 6-1 近代原子结构理论的确立近代原子结构理论的确立6-2 6-2 微观粒子运动的特殊性微观粒子运动的特殊性 6-3 6-3 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述6-4 6-4 核外电子的排布核外电子的排布6-5 6-5 元素周期表元素周期表6-6 6-6 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性第六章 原子结构与元素周期律本章将要讲述以下几节内容：16 61 1 近代原子结构理论的确立近代原子结构理论的确立6-1-1 6-1-1 原子结构模型原子结构模型道尔顿原子理论道尔顿原子理论不能说明原子与分子的区别，不能说明原子与分子的区别，不能阐明原子的结构与组成。不能阐明原子的结构与组成。阴极射线、电子、阴极射线、电子、粒子、粒子、粒子、粒子、射线的发射线的发现，卢瑟福根据现，卢瑟福根据粒子散射实验提出原子行星模型。粒子散射实验提出原子行星模型。玻尔根据氢原子光谱提出了固定轨道模型。玻尔根据氢原子光谱提出了固定轨道模型。薛定谔根据电子的波动性提出了波动力学模型。薛定谔根据电子的波动性提出了波动力学模型。61 近代原子结构理论的确立6-1-1 原子结构模型26-1-2 6-1-2 氢原子光谱氢原子光谱1、氢原子光谱、氢原子光谱光谱光谱连续光谱：色光间没有明显分界的光谱，如可见连续光谱：色光间没有明显分界的光谱，如可见光谱。光谱。不连续光谱：如原子光谱不连续光谱：如原子光谱6-1-2 氢原子光谱1、氢原子光谱光谱连续光谱：色光3第六章-原子结构课件4 氢原子光谱在可见光区有四条比较明显的氢原子光谱在可见光区有四条比较明显的谱线，通常用谱线，通常用H、H、H、H来标志。来标志。巴尔麦找出了氢原子光谱可见光区各谱线巴尔麦找出了氢原子光谱可见光区各谱线的波长之间有如下关系：的波长之间有如下关系：=B()n2n2-4(6-1)波长；波长；B常数；常数；n分别等于分别等于3、4、5、6，分别对应四条谱线。，分别对应四条谱线。氢原子光谱在可见光区有四条比较明显的谱线，通5 波数；波数；RH里德堡常数，其值为里德堡常数，其值为1.097105cm-1;n1、n2正整数，正整数，n1 r 共共 因金属晶体中的原子轨道无重叠。因金属晶体中的原子轨道无重叠。范德华半径范德华半径 在低温高压下，稀有气体形成晶在低温高压下，稀有气体形成晶体。原子核间距的一半定义为范德华半径。体。原子核间距的一半定义为范德华半径。范德华半径范德华半径比共价半径大，因为在稀有气体形成的晶体比共价半径大，因为在稀有气体形成的晶体中，原子尚未相切。中，原子尚未相切。讨论原子半径的变化规律时，经常采用共价半径。讨论原子半径的变化规律时，经常采用共价半径。对于金属 Na：范德华半径 1172、原子半径的变化规律、原子半径的变化规律主族元素：主族元素：从左到右从左到右 r 减减小；从上到下小；从上到下 r 增大。增大。过渡元素：过渡元素：从左到右从左到右 r 缓慢减小；从上到下缓慢减小；从上到下 r略略有增大有增大。影响因素：影响因素：核电荷数核电荷数 Z 增大，对电子吸引力增大，使得原子半径增大，对电子吸引力增大，使得原子半径 r 有减小的趋势。有减小的趋势。核外电子数增加，电子之间排斥力增大，使得原子半径核外电子数增加，电子之间排斥力增大，使得原子半径 r 有增大的趋势。有增大的趋势。2、原子半径的变化规律主族元素：从左到右 r 减小；从上118 这是一对矛盾，这是一对矛盾，以以以以 为主。为主。为主。为主。只有当只有当 d5，d10，f7，f14 半充满和全充满时，层中电子的对半充满和全充满时，层中电子的对称性较高，这时称性较高，这时 占主导地位，占主导地位，占主导地位，占主导地位，原子半径原子半径 r 增大增大。这是一对矛盾，以 为主。只有当 d119镧系收缩：镧系收缩：内过渡元素随着原子序数的增加，内过渡元素随着原子序数的增加，原子半径减小的幅度很小的现象。原子半径减小的幅度很小的现象。镧系收缩造成的影响镧系收缩造成的影响 对于镧系元素自身的影响，使对于镧系元素自身的影响，使 15 种镧系种镧系元素的半径相似，性质相近，分离困难。元素的半径相似，性质相近，分离困难。镧系收缩：内过渡元素随着原子序数的增加，原子半径减小的幅度很120 同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变化趋势的变化趋势 核电荷核电荷 Z 增加许多，对电子吸引力增大，增加许多，对电子吸引力增大，使使 r 减小；减小；核外电子增多，增加一个电子层，使核外电子增多，增加一个电子层，使 r 增大。增大。在这一对矛盾中，在这一对矛盾中，起主导作用起主导作用。同族中，从。同族中，从上到下，原子半径增大。上到下，原子半径增大。同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变121Li 123 pmNa 154 pmK 203 pmRb 216 pmCs 235 pm半径增大半径增大主族元素：主族元素：副族元素副族元素Ti V Cr132 122 118 Zr Nb Mo 145 134 130 Hf Ta W144 134 130 第二过渡系第二过渡系列比第一过渡系列比第一过渡系列原子半径列原子半径 r 增增大大 1213 pm。第三过渡系第三过渡系列和第二过渡系列和第二过渡系列原子半径列原子半径 r 相相近或相等近或相等。这是。这是镧系收缩的影响镧系收缩的影响结果。结果。Li 123 pm半径增大主族元素：副族元素Ti 1226-6-2 电离能电离能6-6-2 电离能123 I1是是衡衡量量元元素素金金属属性性的的一一种种尺尺度度：I1越 小表示元素的原子越容易失去电子，金属性越强。也就是说，活泼的金属具有较小的电离能。电离能的大小，主要取决于原子核电荷、原子半径以及原子的电子层结构。A(g)-e-A+(g)H=I1第一电离能A+(g)-e-A2+(g)H=I2第二电离能 依次有第三、第四电离能等，单位为kJmol-1。元素的I1比较重要。I1是衡量元素金属性的一种尺度：I1越小表示124第六章-原子结构课件125电离能的周期性变化：电离能的周期性变化：电离能的周期性变化：126（1）主族元素）主族元素同族同族：从上到下，从上到下，I1依次减小，各族元素依次减小，各族元素的金属性由上到下依次增强。的金属性由上到下依次增强。同周期同周期：从左到右，：从左到右，I1在总趋势上依次增在总趋势上依次增加，但有反常。加，但有反常。（2）过渡元素）过渡元素 I 1变化不大变化不大 总趋势：从左到右总趋势：从左到右 I1 略有增加。略有增加。（1）主族元素同族：从上到下，I1依次减小，各族元素的127 电离能数据除了可以说明元素的金属活泼性外，电离能数据除了可以说明元素的金属活泼性外，也可也可说明元素呈现的氧化态说明元素呈现的氧化态。例如：例如：Na的的I1 I2，这说明这说明Na只易形成只易形成+1氧化态。氧化态。Mg的的I1、I2较低且相近，而较低且相近，而I2 I3，表明表明Mg易形成易形成+2氧化态。氧化态。这些可从表这些可从表6-8看出。看出。电离能数据除了可以说明元素的金属活泼性外，也可1286-6-3 电子亲合能电子亲合能 上述亲合能的定义实际上是元素的第一电上述亲合能的定义实际上是元素的第一电子亲合能子亲合能E1，同样可定义同样可定义E2、E36-6-3 电子亲合能 上述亲合能的定义实际上129 非金属元素一般有较容易得到电子的倾向，非金属元素一般有较容易得到电子的倾向，即非金属的电子亲合能较大。即非金属的电子亲合能较大。一般元素的一般元素的E1为正值，少数为负值，为正值，少数为负值，E2一般一般均为负值。均为负值。电子亲合能是元素非金属活性的一种衡量标电子亲合能是元素非金属活性的一种衡量标度。度。一般来说，电子亲合能随原子半径的减小而一般来说，电子亲合能随原子半径的减小而增大。增大。表表6-9列出了元素的电子亲合能，数据不全，列出了元素的电子亲合能，数据不全，有的是计算值。因此其规律性不明显。有的是计算值。因此其规律性不明显。非金属元素一般有较容易得到电子的倾向，即非金属的130第六章-原子结构课件1316-6-4 元素的电负性元素的电负性概念：概念：原子在分子中吸引电子的能力叫元素的原子在分子中吸引电子的能力叫元素的电负性。电负性。电负性标度：电负性标度：鲍林标度鲍林标度(1932年首先提出年首先提出)密立根标度密立根标度(1934密年密年)阿来阿来-罗周标度罗周标度(1957年年)本书所用数据是鲍林标度。电负性通常用本书所用数据是鲍林标度。电负性通常用表示。鲍林指定表示。鲍林指定氟的电负性为氟的电负性为4.0左右左右，依此通，依此通过对比求出其它元素的电负性。过对比求出其它元素的电负性。6-6-4 元素的电负性概念：原子在分子中吸引电子的能力叫元132第六章-原子结构课件133 同周期中，自左向右，电负性变大，元素的非金属性同周期中，自左向右，电负性变大，元素的非金属性增强。增强。同一主族中，自上而下，电负性变小，元素的金属性同一主族中，自上而下，电负性变小，元素的金属性增强。增强。元素电负性的变化规律：元素电负性的变化规律：但是副族元素的电负性没有明显的变化规律。在但是副族元素的电负性没有明显的变化规律。在周期表中，右上方的周期表中，右上方的氟氟是电负性最大的元素，而左是电负性最大的元素，而左下方的下方的铯铯是电负性最小的元素。是电负性最小的元素。另外，同一元素的不同氧化态可有不同的电负性。另外，同一元素的不同氧化态可有不同的电负性。同周期中，自左向右，电负性变大，元134光谱的发生光谱的发生光谱的发生135连续光谱和不连续光谱连续光谱和不连续光谱连续光谱和不连续光谱1361、氢原子光谱、氢原子光谱1、氢原子光谱137第六章-原子结构课件138第六章-原子结构课件139第六章-原子结构课件140第六章-原子结构课件1411s2s2 p1s2s2 p142核外电子的排布（原子的电子层结构）核外电子的排布（原子的电子层结构）1 H Hydrogen 氢氢 1s1 *2 He Helium氦氦 1s2 3 Li Lithium 锂锂 1s2 2s1 4 Be Beryllium 铍铍 1s2 2s2 5 B Boron 硼硼 1s2 2s22p1*6 CCarbon碳碳 1s2 2s22p2 7 NNitrogen氮氮 1s2 2s22p3 8 OOxygen氧氧 1s2 2s22p4 9 FFluorine氟氟 1s2 2s22p5 10 NeNeon氖氖 1s2 2s22p6原子原子序数序数电子轨道图电子轨道图元素元素符号符号 英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式核外电子的排布（原子的电子层结构）1 H 143 11 Na Sodium 钠钠 1s2 2s22p63s1 12 Mg Magnesium 镁镁 1s2 2s22p63s2 13 Al Aluminium 铝铝 1s2 2s22p63s23p1 14 Si Silicon 硅硅 1s2 2s22p63s23p2 15 P Phosphorus 磷磷 1s2 2s22p63s23p3 16 Si Sulfur 硫硫 1s2 2s22p63s23p4 17 Cl Chlorine 氯氯 1s2 2s22p63s23p5 18 Ar Argon 氩氩 1s2 2s22p63s23p6原子原子序数序数元素元素符号符号英文名称英文名称中文中文名称名称电子结构式电子结构式 11 Na Sod144 *Ar 原子实，表示原子实，表示 Ar 的的电子结构式电子结构式电子结构式电子结构式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 。原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。*虽先排虽先排 4s 后排后排 3d，但但电子结构式中先写电子结构式中先写电子结构式中先写电子结构式中先写 3d，后写后写后写后写 4s *21 Sc Scandium 钪钪 Ar 3d14s2 22 Ti Titanium 钛钛 Ar 3d24s2 23 V Vanadium 钒钒 Ar 3d34s2 24 Cr Chromium 铬铬 Ar 3d54s1 25 Mn Manganese 锰锰 Ar 3d54s2 26 Fe Iron 铁铁 Ar 3d64s2 27 Co Cobalt 钴钴 Ar 3d74s2 28 Ni Nickel 镍镍 Ar 3d84s2 *19 K Potassium 钾钾 Ar 4s1 20 Ca Calcium 钙钙 Ar 4s2 *Ar 原子实，表示 Ar 的电145表表6-4 周期系中各元素原子的电子层结构周期系中各元素原子的电子层结构表6-4 周期系中各元素原子的电子层结构146第六章-原子结构课件147第六章-原子结构课件148第六章-原子结构课件149第六章-原子结构课件150第六章-原子结构课件151第六章-原子结构课件152第六章-原子结构课件153 3 电离能与价态之间的关系电离能与价态之间的关系 首先要明确，失去电子形成正离子后，首先要明确，失去电子形成正离子后，有效核电荷数有效核电荷数 Z*增增加，半径加，半径 r 减小，故核对电子引力大，再失去电子更加不易。所减小，故核对电子引力大，再失去电子更加不易。所以对于一种元素而言有以对于一种元素而言有 I1 I2 I3 I4 结论结论 电离能逐级加大。电离能逐级加大。分析下列数据，探讨电离能与价态之间的关系。分析下列数据，探讨电离能与价态之间的关系。I1 I2 I3 I4 I5 I6 Li 520 7289 11815 Be 900 1757 14849 21007 B 801 2427 3660 25026 C 1086 2353 4621 6223 37830 47277 N 1402 2856 4578 7475 9445 53266 电离能电离能 kJmol-1 154 I1 I2 I3 I4 I5 I6 Li 520 7289 11815 Be 900 1757 14849 21007 B 801 2427 3660 25026 C 1086 2353 4621 6223 37830 47277 N 1402 2856 4578 7475 9445 53266 电离能电离能 kJmol-1 Li =14.02 倍，扩大倍，扩大 14 倍。倍。I2 过大，不易生成过大，不易生成 +2 价离子，所以锂经常以价离子，所以锂经常以+1 价态存在，形成价态存在，形成 Li+。Be =1.95 倍，倍，=8.45 倍。倍。I3 过大，不易生成过大，不易生成 +3 价离子，所以铍经常以价离子，所以铍经常以+2 价态存在，形成价态存在，形成 Be2+。I1 155 I1 I2 I3 I4 I5 I6 B 801 2427 3660 25026 C 1086 2353 4621 6223 37830 47277 N 1402 2856 4578 7475 9445 53266 电离能电离能 kJmol-1 B =1.38 倍，倍，=6.83 倍。倍。I4 过大，所以过大，所以 B(IV)不易形成，不易形成，B(III)是常见价态。是常见价态。C =1.35 倍，倍，=6.08 倍。倍。I5 过大，所以过大，所以 C(V)不易形成，不易形成，C(IV)是常见价态。是常见价态。N =1.26 倍，倍，=5.67 倍。倍。I6 过大，所以过大，所以 N(VI)不易形成，不易形成，N(V)是常见价态。是常见价态。I1 156第六章-原子结构课件157第六章-原子结构课件158N:Hund特例 当轨道处于全满,半满.全空时,原子较稳定26号Fe:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2N:Hund特例26号Fe:1s2 2s2 2p6 3s2 159主族元素主族元素主族元素160原子半径的周期性变化原子半径的周期性变化原子半径的周期性变化161例例6-3 已知某元素的原子序数为已知某元素的原子序数为25，写，写出该元素原子的电子结构式，并指出该元出该元素原子的电子结构式，并指出该元素的名称、符号以及所属周期和族。素的名称、符号以及所属周期和族。例例6-4 已知某元素在周期表中位于第五已知某元素在周期表中位于第五周期、周期、族位置上。试写出该元素的基态原子的电子结构式、元素名称和原子序数。例6-3 已知某元素的原子序数为25，写出该元素原子的电子162第六章-原子结构课件163第六章-原子结构课件164