第三章-原子结构课件

第三章第三章 原子结构原子结构3-1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态3-2 核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系3-3 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史v1911年，物理学家卢瑟福通过年，物理学家卢瑟福通过散射实验，证明散射实验，证明了原子核的存在，建立了有核模型；了原子核的存在，建立了有核模型；n 1805年英国化学家道尔顿提出了年英国化学家道尔顿提出了“原子原子”的概念；的概念；v1897年年 英国物理学家汤姆逊通过阴极射线发现了英国物理学家汤姆逊通过阴极射线发现了电子，提出：原子是由带正电的连续体（核）和电子，提出：原子是由带正电的连续体（核）和在其内部的运动的电子组成；在其内部的运动的电子组成；v近代原子结构理论的确立，原子核外电子的分布近代原子结构理论的确立，原子核外电子的分布规律是从氢原子光谱实验开始的。规律是从氢原子光谱实验开始的。1-1 氢原子光谱和波尔理论氢原子光谱和波尔理论自然界中的连续光谱自然界中的连续光谱3-1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态连续光谱连续光谱(实验室实验室)电磁波连续光谱电磁波连续光谱氢原子光谱（原子发射光谱）氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量真空管中含少量H2(g)，高压放电，高压放电可见光可见光 三棱镜三棱镜 不连续的线状光谱称为原子光谱不连续的线状光谱称为原子光谱氢原子光谱特点氢原子光谱特点:（3-1）:谱线波长谱线波长(cm-1).谱线波长符合巴尔麦谱线波长符合巴尔麦(J.Balmer，1883年，年，瑞士物理学瑞士物理学 家家)经经验公式：验公式：氢原子光谱在可见光区有四条不连续的线状光谱，氢原子光谱在可见光区有四条不连续的线状光谱，H、H、H、H；B：常数常数,3646.00 cm-1n:大于大于2的正整数的正整数.n=3,4,5,6 分别对氢光谱中分别对氢光谱中 H、H、H、H 、Balmer系系里得堡里得堡(Rydberg)-瑞典瑞典 1913（n2n1）(7-2)n：谱线的频率谱线的频率(s-1)（波数（波数cm-1）比较比较Rydberg经验公式用经验公式用R推导出推导出RH(c=2.998108m/s)R=3.289 1015 s-1 里德堡常数里德堡常数RH=1.097105cm-1思考：思考：或或经典电磁理论及有核原子模型与氢原子光谱实验的矛盾：经典电磁理论及有核原子模型与氢原子光谱实验的矛盾：经典电磁理论及有核原子模型与氢原子光谱实验的矛盾：经典电磁理论及有核原子模型与氢原子光谱实验的矛盾：电子不断发射能量，自身能量不断减少，则电子运动电子不断发射能量，自身能量不断减少，则电子运动 半径应不断减小，电子最终会落在核上，则原子的有核半径应不断减小，电子最终会落在核上，则原子的有核 模型是一个不稳定的体系；模型是一个不稳定的体系；电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也会逐电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也会逐 渐改变，辐射电磁波的频率也逐渐变化，原子光谱应渐改变，辐射电磁波的频率也逐渐变化，原子光谱应 是连续光谱而非线状光谱。是连续光谱而非线状光谱。事实：事实：原子能稳定存在；原子能稳定存在；原子光谱是线状原子光谱是线状(而不是连而不是连 续光谱续光谱)。(2)玻尔（玻尔（N.Bohr）原子结构理论）原子结构理论1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家N.Bohr提出提出.Bohr理论三点假设：理论三点假设：核外电子不能在任意轨道上绕核运动，而是在一些符核外电子不能在任意轨道上绕核运动，而是在一些符 合一定条件的轨道上运动合一定条件的轨道上运动,轨道角动量轨道角动量（P）是量子化是量子化 （而不是连续变化）（而不是连续变化），它必须等于，它必须等于h/2的整数倍：的整数倍：(n=1,2,3,4)(3-3)波尔的量子化条件波尔的量子化条件 h=6.626 10-34 J.s Planck常数常数 符合这种量子化条件的符合这种量子化条件的“轨道轨道”（Orbit）称为）称为“稳定轨道稳定轨道”，具有，具有稳定的能量稳定的能量E。电子在稳定轨道运动时，既不吸收，也不幅射。电子在稳定轨道运动时，既不吸收，也不幅射光子。光子。通常，电子处在离核最近的轨道上通常，电子处在离核最近的轨道上运动运动，此时原此时原子的子的能量最低能量最低基态；原子获得能量后基态；原子获得能量后，电子电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发被激发到高能量轨道上，原子处于激发态态；从激发态回到基态时以光子的形式释放出能量，光从激发态回到基态时以光子的形式释放出能量，光子的频率取子的频率取 决于轨道决于轨道 间的能量差。间的能量差。(3-4)E2，E1激发态和基态电子的能量激发态和基态电子的能量h普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34J.sc光子的速度，真空中光速光子的速度，真空中光速 c=2.998 108 m.s-1r=5.2910-11n2(m)=52.9n2(pm)h=6.62610-34J.s 普朗克常数普朗克常数 玻尔根据玻尔根据经典力学原理经典力学原理和和量子化条件量子化条件对电子运动的轨道半径对电子运动的轨道半径和电子的能量进行计算和电子的能量进行计算k=8.988109 N.m2.c-2 静电力恒量静电力恒量m=9.11010-31 kg 电子的质量电子的质量Z=1 核电荷数（氢原子）核电荷数（氢原子）e=1.60210-19 C 电子的电量电子的电量玻尔理论的成功处与局限性玻尔理论的成功处与局限性成功处：成功处：成功地解释了氢原子光谱是线状光谱；成功地解释了氢原子光谱是线状光谱；成功地解释了氢光谱的规律性成功地解释了氢光谱的规律性(里德堡经验公式里德堡经验公式);可以计算氢原子的电离能。可以计算氢原子的电离能。局限性：局限性：多电子原子光谱；多电子原子光谱；氢原子的精细光谱。氢原子的精细光谱。原因：原因：未彻底地抛弃经典物理学！未彻底地抛弃经典物理学！1-2 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性(1)光的二象性光的二象性波象性波象性衍射、干涉、偏振衍射、干涉、偏振微粒性微粒性光电效应、实物发射或吸收光光电效应、实物发射或吸收光 E=h Emc2(2)电子的二波粒象性电子的二波粒象性 1924年年,法国物理学家法国物理学家 Louis de Broglie（德布罗意）假设（德布罗意）假设：实物粒子、电子、实物粒子、电子、原子等也具有波粒二象性原子等也具有波粒二象性1927年年,Davissson(戴维逊戴维逊)和和Germer(革末革末)应用应用Ni晶体进行电子衍射实验晶体进行电子衍射实验,证实电子具有波动证实电子具有波动性性.(3)测不准原理测不准原理（The Uncertainity principle）1927年年Werner.Heisenberg（海森堡）提出（海森堡）提出或或 x 粒子的位置不确定量粒子的位置不确定量 粒子的粒子的运动速度运动速度不确定量不确定量 例例 核外运动的电子，其质量核外运动的电子，其质量 m=9.11 1031 kg，位位置的置的不确定范围不确定范围 x 1012 m，求速度的，求速度的不确定范围不确定范围 v。解：解：由由 得得所以所以说明不能同时测准微观粒子的位置和动量。说明不能同时测准微观粒子的位置和动量。因为因为 ，所以有，所以有 x h m v x v h m 的数量级约为的数量级约为104，这在微观世界是很大的数字。，这在微观世界是很大的数字。问题的关键就在于电子质量问题的关键就在于电子质量 m=9.11 1031 kg，非常小。，非常小。h m 对于质量较大的宏观物体，不确定原理没有实际意义，例如对于质量较大的宏观物体，不确定原理没有实际意义，例如 子弹，子弹，m =10 g，看其，看其 x 和和 v 的大小：的大小：x/m 106 109 1012 v/ms1 1026 1023 1020 量子力学中描述核外电子量子力学中描述核外电子 在空间运动的数学函数，即在空间运动的数学函数，即原子轨道。（读做原子轨道。（读做/psai/）E 轨道能量（动能）轨道能量（动能）m 电子的质量，电子的质量，h 普朗克常数普朗克常数x,y,z 为微粒的空间坐标为微粒的空间坐标 1-3 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 波函数波函数 的几何图象可以用来表示微观粒子活动的区域。的几何图象可以用来表示微观粒子活动的区域。1926 年，奥地利物理学家薛定谔（年，奥地利物理学家薛定谔（Schdinger)提出一个方程，提出一个方程，被命名为被命名为薛定谔方程薛定谔方程。波函数波函数 就是通过解薛定谔方程得到的。就是通过解薛定谔方程得到的。将直角坐标三变量将直角坐标三变量 x，y，z 变换成球坐标三变量变换成球坐标三变量 r，。yzxoPP r图图 5.2 球坐标与三维直角坐标系的关系球坐标与三维直角坐标系的关系 而而 则可以表示为则可以表示为 （r，）=R(r)()()令令 Y(，)=()()，Y(，)只和只和 ，有关，有关，称为称为波函数的角度部分波函数的角度部分。其中其中 R(r)只和变量只和变量 r 有关，即只和电子与核间的距离有有关，即只和电子与核间的距离有关，为关，为波函数的径向部分波函数的径向部分。其中其中 ()只和变量只和变量 有关，有关，()只和变量只和变量 有关。有关。故故波函数波函数 有如下表示式有如下表示式 （r，）=R(r)Y(，)v薛定谔方程的数学解很多，但只有少数数学解是薛定谔方程的数学解很多，但只有少数数学解是 符合电子运动状态的合理解符合电子运动状态的合理解。1,0,01s 轨道轨道,1s 2,0,02s 轨道轨道,2s 2,1,02p 轨道轨道,2p在求合理解的过程中，引入了在求合理解的过程中，引入了3个参数（量子数）个参数（量子数）n、l、m.于是波函数于是波函数 （r,）具有具有3个参数和个参数和 3个自变量，写为：个自变量，写为：n,l,m（r,）一定的波函数表示一种电子的运动状态，我们把波函数一定的波函数表示一种电子的运动状态，我们把波函数 叫叫做原子轨道：做原子轨道：1-6 用四个量子数描述电子的运动状态用四个量子数描述电子的运动状态v物理意义：它表示核外电子离核的远近，是电子所在的层数物理意义：它表示核外电子离核的远近，是电子所在的层数 v n=1、2、3、4、5、6、7 等正整数等正整数 v 光谱符号：光谱符号：K L M N O P Qv 确定电子出现最大概率区域离核的平均距离。确定电子出现最大概率区域离核的平均距离。n越大越大,则则电子离核的平均距离越远。电子离核的平均距离越远。1.主量子数主量子数(n)在单电子原子中，在单电子原子中，n决定电子的能量；在多电子原子中还决定电子的能量；在多电子原子中还要受到其它量子数的影响要受到其它量子数的影响2.角量子数角量子数 lv对每个对每个n值值 l 取值：取值：0,1,2,3，4 n-1，共，共n个值个值.v光谱符号光谱符号(电子亚层电子亚层)：s，p，d，f，g 例如例如 n=4 时，时，l 有有 4 种取值种取值0、1、2 和和 3，它们分别，它们分别代表核外第四层的代表核外第四层的4种形状不同的原子轨道种形状不同的原子轨道 意义：决定原子轨道的形状；意义：决定原子轨道的形状；l=0 表示表示 s 轨道，形状为球形；轨道，形状为球形；l=1 表示表示 p 轨道，形状为哑铃形；轨道，形状为哑铃形；l=2 表示表示 d 轨道，形状为花瓣形；轨道，形状为花瓣形；l=3 表示表示 f 轨道，形状更复杂。轨道，形状更复杂。zxsxpx+yxdxy单电子单电子体系中：体系中：E1sE2sE3sE4s；E4s=E4p=E4d=E4f在在多电子多电子原子中，原子中，n与与l一起决定的电子的能量：一起决定的电子的能量：多电子多电子原子中：原子中：EnsEnpEndEnf;E4sE4pE4dE4f 在第四层上，共有在第四层上，共有 4 种不同形状的轨道。在种不同形状的轨道。在 n 相同的相同的同层中不同形状的轨道称为亚层，也叫分层。就是说核外同层中不同形状的轨道称为亚层，也叫分层。就是说核外第四层有第四层有 4 个亚层或分层。角量子数个亚层或分层。角量子数 l 的不同取值代表的不同取值代表同一电子层中具有不同状态的亚层或分层。同一电子层中具有不同状态的亚层或分层。取值取值 磁量子数磁量子数 m 取值受角量子数取值受角量子数 l 的影响的影响，对于给定，对于给定的的 l，m 可取可取 0，1，2，3，l 。共共 2 l +1 个值。个值。例如，若例如，若 l 3，则，则 m0，1，2，3，共共 7 个值。个值。l 一定的轨道，如一定的轨道，如 p 轨道轨道，l 1，则，则m 有有 0，+1 和和 1 等等 3 种取值，故种取值，故 p 轨道轨道在空间有在空间有 3 种不同的取向。种不同的取向。3.磁量子数磁量子数 m意义意义 磁量子数磁量子数 m 决定原子轨道的空间取向。决定原子轨道的空间取向。pz 轨道对应轨道对应 m 0 的波函数；的波函数；px 和和 py 轨道则为轨道则为 m 1 和和 m 1 两个波函数的线性组合，没有与其对应的磁量子数。两个波函数的线性组合，没有与其对应的磁量子数。zy m 的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不影响能量。影响能量。3 种不同取向的种不同取向的p 轨道能量相同。我们说这轨道能量相同。我们说这 3 个原个原子轨道是能量子轨道是能量简并简并轨道，或者说轨道，或者说 p 轨道是轨道是 3 重重简并简并的。的。图图 5.3 三种不同取向的三种不同取向的 p 轨道轨道xd 则有则有 5 种不同的空间取向，种不同的空间取向，d 轨道是轨道是 5 重重简并简并的。的。的的 3 个量子数个量子数 n，l，m 表明了：表明了：(1)轨道在轨道在原子核外的层数，即轨道中的电子离核的远近原子核外的层数，即轨道中的电子离核的远近；n，l，m因而，利用因而，利用 3 个量子数即可将一个原子轨道描述出来。个量子数即可将一个原子轨道描述出来。(2)轨道的几何形状；轨道的几何形状；(3)轨道在空间分布的方向。轨道在空间分布的方向。分别用分别用 n，l，m 描述如下：描述如下：n l m3 0 03 1 0 3 1 1 3 1 132 0 3 2 1 3 2 1 3 2 2 3 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 例例 推算推算 n3 的原子轨道的数目，并分别用的原子轨道的数目，并分别用 3 个个 量子数量子数 n，l，m 加以描述。加以描述。4.自旋量子数自旋量子数msv ms=1/2和和1/2,表示同一轨道中电子的表示同一轨道中电子的二种自旋状态二种自旋状态：顺时针：顺时针自旋和逆时针自旋，分自旋和逆时针自旋，分别用别用和和表示。表示。n，l，m，m s 4 3 0 4 3 1 4 3 1 4 3 2 4 3 2 4 3 3 4 3 3 n，l，m，m s 4 3 0 4 3 1 4 3 1 4 3 2 4 3 2 4 3 3 4 3 3 例例 用用 4 个量子数个量子数 n，l，m 和和 ms 分别描述分别描述 n 4 且且 l 3 的所有电子的运动状态。的所有电子的运动状态。四个量子数四个量子数 主量子数主量子数 n 磁量子数磁量子数 m 自旋量子数自旋量子数 ms 角量子数角量子数(1)电子云的概念电子云的概念1-4 概率密度和电子云概率密度和电子云(a)(b)(c)(d)(e)图中的图中的 表示原子核，一个小黑点表示电子在这里出现过一次！表示原子核，一个小黑点表示电子在这里出现过一次！(g)20张张照片叠印照片叠印(f)5张张照片叠印照片叠印(i)许多张许多张照片叠印照片叠印(h)100张张照片叠印照片叠印1s2s图图 5.6 电子云图电子云图电子云图电子云图2 p2 概率概率和和概率概率密度密度2.概念概念 概率概率是指电子在空间某一区域中出现次数的多少。是指电子在空间某一区域中出现次数的多少。概率概率的大小与该区域的体积有关，也与的大小与该区域的体积有关，也与在该在该区域区域中中单位体积单位体积内电内电子子出现的概率有关。出现的概率有关。概率与概率密度之间的关系为概率与概率密度之间的关系为 概率（概率（W）概率密度概率密度 体积（体积（V）这种关系相当于质量，密度和体积三者之间的关系。这种关系相当于质量，密度和体积三者之间的关系。量子力学理论证明，量子力学理论证明，|2 的物理意义是电子在空间某点的的物理意义是电子在空间某点的概率概率密度密度，于是有，于是有 W|2 V 概率密度概率密度就是指电子在单位体积内出现的概率。就是指电子在单位体积内出现的概率。1-5 径向分布和角度分布径向分布和角度分布1.径向概率密度分布径向概率密度分布 （r，）R(r)Y(，)，讨论波函数，讨论波函数 与与 r 之间的关系，只要讨论波函数的径向部分之间的关系，只要讨论波函数的径向部分 R(r)与与 r 之间的关之间的关系就可以，因为波函数的角度部分系就可以，因为波函数的角度部分 Y(，)与与 r 无关无关。|R|2 对对 r 作图，得作图，得径向密度分布径向密度分布图，如图图，如图。|R|2 r1s2s3s 概率密度概率密度|2 随随 r 的变化，仅表现为的变化，仅表现为|R|2 随随 r 的变化。的变化。图图 概率密度径向分布图概率密度径向分布图 s 状态状态 r 0 时时，|R|2 的值即概率密度值最大。的值即概率密度值最大。2s 比比 1s 多一个峰，即多一个概率密度的极值。多一个峰，即多一个概率密度的极值。3s 再多出一个峰。再多出一个峰。p 状态状态 r 0 时时，|R|2 的值即概率密度为零。的值即概率密度为零。2p 有一有一个概率密度峰，个概率密度峰，3p 有有 2 个概率密度峰。个概率密度峰。d 状态状态 r 0 时时，|R|2 的值即概率密度为零。的值即概率密度为零。3d 有一有一个概率密度峰个概率密度峰 2p3d3p图图 一系列半径不等的单位厚度球壳一系列半径不等的单位厚度球壳 2.径向概率分布图径向概率分布图径向概率分布径向概率分布应体现随着应体现随着 r 的变化，或者说随着离原子核远近的的变化，或者说随着离原子核远近的变化，在如图变化，在如图 5.8 所示的单位厚度的球壳中，电子出现的概率的所示的单位厚度的球壳中，电子出现的概率的变化规律。变化规律。通过计算得，单位厚度球壳内概率为通过计算得，单位厚度球壳内概率为D（r）4r2|R|2用用D（r）对）对r作图，得作图，得 D(r)r1sao2s3s 图图 5.10 1s、2s 和和 3s 的径向概率分布图的径向概率分布图（b）（c）（a）概率峰之间有节面概率峰之间有节面 即概率为零的球面。即概率为零的球面。D(r)r3drD(r)2pD(r)r3p 图图 5.11 径向概率分布图中概率峰和节面的数目径向概率分布图中概率峰和节面的数目 将将 1s、2s、3s、2p、3p、3d 的径向概率分布图，放在一起的径向概率分布图，放在一起进行观察和比较，如图进行观察和比较，如图 5.11 所示，可以总结出概率峰和节面的所示，可以总结出概率峰和节面的数目的规律。数目的规律。1s 有有 1 个个概率概率峰，峰，2s 有有 2 个概率峰，个概率峰，3s 有有 3 个概率峰个概率峰 ns 有有 n 个概率峰；个概率峰；np 有有 (n 1)个峰；个峰；nd 有有 (n 2)个峰个峰 故概率峰的数目等于故概率峰的数目等于（n l）。概率为零的节面处于概率峰之间，故有节面的数目等于概率为零的节面处于概率峰之间，故有节面的数目等于（n l 1）。表示电子活动区域随离表示电子活动区域随离核距离核距离r r的变化而变化的变化而变化表示波函数随表示波函数随，两个两个变量的变化规律变量的变化规律径向径向波函数波函数角度角度波函数波函数.y+pypzz+zx+sx+px波函数的角度分布图。波函数的角度分布图。s 轨道，球形对称轨道，球形对称 p 轨道，有轨道，有3种伸展方向种伸展方向+yxdxy+zxdxz+zydyz+d x2y2yxd 轨道有轨道有5 种伸展方向种伸展方向(b)电子云电子云的角度分布图的角度分布图(P73图图316)S py px pzdxy dyz dxz dz2 dx2-y2 比较原子比较原子轨道轨道的角度分布图和的角度分布图和电子云电子云的角度分布图的角度分布图 电子云的角度分布图比原子轨道的角度分电子云的角度分布图比原子轨道的角度分 布图要瘦。布图要瘦。原子轨道角度分布图上有正负之分原子轨道角度分布图上有正负之分,电子电子云角度分布图上均为正值云角度分布图上均为正值.1 多电子原子的能级多电子原子的能级 3-2 核外电子的排布和元素周期律核外电子的排布和元素周期律 对于单电子体系，轨道的能量为对于单电子体系，轨道的能量为 即单电子体系中，轨道即单电子体系中，轨道(或轨道上的电子或轨道上的电子)的能量，只由主的能量，只由主量子数量子数 n 决定。决定。n 相同的轨道，能量相同，相同的轨道，能量相同，E 4s E 4p E 4d E 4f 多电子体系中，电子不仅受到原子核的作用，而且受到其余多电子体系中，电子不仅受到原子核的作用，而且受到其余电子的作用。故能量关系复杂。所以多电子体系中，能量不只由电子的作用。故能量关系复杂。所以多电子体系中，能量不只由主量子数主量子数 n 决定。决定。对于第二层的这一个电子，除了受到核对它的吸引对于第二层的这一个电子，除了受到核对它的吸引力，还受到第一层两个电子对它的斥力作用，这种力，还受到第一层两个电子对它的斥力作用，这种斥力实际上相当于减弱了原子核对外层电子的吸引斥力实际上相当于减弱了原子核对外层电子的吸引力，相当于使核的有效电荷减小。力，相当于使核的有效电荷减小。1.屏蔽效应屏蔽效应屏蔽效应：在多电子体系中，核外其他电子抵屏蔽效应：在多电子体系中，核外其他电子抵消部分核电荷，使被讨论的电子受到核的作用消部分核电荷，使被讨论的电子受到核的作用减小，这种作用称为其他电子对被讨论电子的减小，这种作用称为其他电子对被讨论电子的屏蔽效应。屏蔽效应。Z=Z*，Z*有效核电荷数有效核电荷数为屏蔽常数为屏蔽常数，可用，可用 Slater 经验规则算得经验规则算得n 相同的能级相同的能级,l 越大越大,E 越高越高(能级分裂能级分裂):E4sE4pE4dE4f2.钻穿效应钻穿效应轨道能量次序：3s3p3d 由于径向分布的原因，角由于径向分布的原因，角量子数量子数 l 小的电子钻穿到小的电子钻穿到核附近，回避其它电子屏核附近，回避其它电子屏蔽的能力较强，从而使自蔽的能力较强，从而使自身的能量降低。身的能量降低。这种作用称为这种作用称为钻穿效应钻穿效应。l 相同的能级相同的能级,n 越大越大,E 越高：越高：E2pE3pE4pE5pn 相同的能级相同的能级,l 越大越大,E 越高越高(能级分裂能级分裂):E4sE4pE4dE4fn和和l 均变动时均变动时,出现能级交错出现能级交错 E4s 金属半径金属半径 共价半径共价半径d原子半径大小的比较原子半径大小的比较MgNaAlSiPSCl r/pm 186 160 143 118 108 106 元素元素 短周期主族元素，电子填加到外层轨道，对核的正电荷中和短周期主族元素，电子填加到外层轨道，对核的正电荷中和少，有效核电荷少，有效核电荷 Z*增加得多。所以增加得多。所以 r 减小的幅度大。减小的幅度大。短周期半径变化（以第三周期为例子）短周期半径变化（以第三周期为例子）同周期的变化同周期的变化 长周期的过渡元素长周期的过渡元素，以第以第 4 周期的第一过渡系列为例周期的第一过渡系列为例ScTiVCrMnFeCoNiCuZn r/pm 162 147 134 128 127 126 125 124 128 134 长周期过渡元素，电子填加到次外长周期过渡元素，电子填加到次外层轨道层轨道，对核的正电荷对核的正电荷中和多中和多，Z*增加得少，所以增加得少，所以 r 减小的幅度小。减小的幅度小。超长周期的内过渡元素，原子半径的递减幅度将会更小。超长周期的内过渡元素，原子半径的递减幅度将会更小。超长周期的内过渡系，以镧系元素为例，半径数据如下超长周期的内过渡系，以镧系元素为例，半径数据如下LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu r/pm 177 176 176 176 176 194 174 r/pm 183 182 182 181 183 180 208 180 元素元素元素元素 15 种镧系元素，种镧系元素，r 共减小共减小 9 pm。电子填到内层。电子填到内层 (n2)f 轨道，屏蔽作用更大，轨道，屏蔽作用更大，Z*增加的幅度更小。所以增加的幅度更小。所以 r 减小减小的幅度很小。的幅度很小。将将 15 种镧系元素，原子半径共减小种镧系元素，原子半径共减小 9 pm 这一事实，称为这一事实，称为镧镧系收缩系收缩。镧系收缩镧系收缩对于镧系元素自身的影响，使得对于镧系元素自身的影响，使得 15 种镧系元素的种镧系元素的半径相近，性质相似，分离困难。半径相近，性质相似，分离困难。镧系收缩镧系收缩对于镧后元素的影响，使得第二、第三过渡系的同对于镧后元素的影响，使得第二、第三过渡系的同副族元素半径相近，如下表所示，性质相似，分离困难。副族元素半径相近，如下表所示，性质相似，分离困难。元素元素 Zr Nb Mo Tc Rur/pm 160 146 139 136 134元素元素 Hf Ta W Re Osr/pm 159 146 139 137 135同族的原子半径同族的原子半径 元素元素 Li Na K Rb Cs r pm 152 186 232 248 265 同族中，从上到下，有两种因素影响同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径原子半径的变化的变化 a 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；b 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。在这一对矛盾的因素中，在这一对矛盾的因素中，b 起主导作用。所以同族中，从起主导作用。所以同族中，从上到下，上到下，原子半径原子半径增大。增大。3-2 电离能电离能M(g)M+(g)+e-I 1基态原子基态原子正一价气正一价气态离子态离子第一电离能第一电离能M+(g)M2+(g)+e-I 2第二电离能第二电离能正一价气正一价气态离子态离子正二价气正二价气态离子态离子某元素某元素 1 mol 基态气态原子，失去最高能级的基态气态原子，失去最高能级的 1 mol 电子，电子，形成形成 1 mol 气态离子气态离子 M+所吸收的能量，叫这种元素的第所吸收的能量，叫这种元素的第一电离能，一电离能，电离能随原子序数的增加呈现出周期性的变化电离能随原子序数的增加呈现出周期性的变化第一电离能的变化规律第一电离能的变化规律同一周期：同一周期：左左右，右，I1升高，金属性减弱；升高，金属性减弱；稀有气体达稳定结构，稀有气体达稳定结构，I1很大很大。同一族：同一族：主族：主族：上上下，下，I1降低，金属性增强；降低，金属性增强；副族：副族：除除B外，上外，上下，下，I1升高，金属性减弱。升高，金属性减弱。变化特例：变化特例：N、P、As、Sb、Be、Mg、Ca电离能较大电离能较大 半满、全满，稳定；半满、全满，稳定；B和和O、Al和和S比同周期中期左边的元素比同周期中期左边的元素I1小小 电离能与价态之间的关系电离能与价态之间的关系3-3 电子亲和能电子亲和能定义：定义：1 mol 某元素的基态气态原子，得到某元素的基态气态原子，得到 1 mol 电子，电子，形成气态负离子形成气态负离子 M 时所放出的能量，叫该元素的第一时所放出的能量，叫该元素的第一电电子亲和能子亲和能。用。用 E1 表示。表示。M(g)+e-M-(g)E 1 第一电子亲和能第一电子亲和能 M-(g)+e-M 2-(g)E 2 第二电子亲和能第二电子亲和能同周期变化规律：同周期变化规律：若原子的核电荷若原子的核电荷 Z 大，原子半径大，原子半径 r 小，核对电子引力大，结小，核对电子引力大，结合电子后释放的能量多，于是电子亲和能合电子后释放的能量多，于是电子亲和能 E 大。大。其中氮元素的其中氮元素的电子亲和能电子亲和能尚不能确定。也有计算结果表明，尚不能确定。也有计算结果表明，氮元素的氮元素的 E为负值为负值。因为。因为 N 的电子结构为的电子结构为 He 2s2 2p3，2p 轨轨道半充满道半充满，比较稳定比较稳定。故。故 N 原子原子不易得电子不易得电子，如果得到电子如果得到电子，非非但不释放能量但不释放能量，反而要吸收能量反而要吸收能量。同周期元素从左向右，电子亲和能同周期元素从左向右，电子亲和能 E 增大。增大。元素元素 B C N O F E/kJmol 1 27 122 141 328 元素元素 F Cl Br I E/kJmol 1 328 349 325 295 同主族元素从上到下同主族元素从上到下电子亲和能电子亲和能逐渐变小。逐渐变小。但但 F 元素反常元素反常。因为因为 F 的原子的原子半径半径非常非常小小，电子云密度大电子云密度大，排斥外来电子排斥外来电子，不易与之结合不易与之结合，所以所以 E 反而比较小反而比较小。同同F元素，元素，O 元素比同族的元素比同族的 S 元素和元素和 Se 元素甚至元素甚至 Te 元素的元素的电子亲合能电子亲合能小。小。4-4 元素的电负性元素的电负性定义：定义：电负性表示一种元素的原子在分子中吸引电子的能力。电负性表示一种元素的原子在分子中吸引电子的能力。电负性经常用电负性经常用 （西）（西）表示。表示。有有100多种规定和计算方法，常用有三种：多种规定和计算方法，常用有三种：1932年鲍林年鲍林(Pauling)规定氟的电负性约为规定氟的电负性约为 4.0，其它元素与氟，其它元素与氟相比，得出相应数据。相比，得出相应数据。1957年阿来年阿来-罗周罗周(Allred-Rochow)：1934年密立根年密立根(Mulliken)提出电负性的概念提出电负性的概念 同周期中，自左向右，电负性变大，元素的非金属性增强。同周期中，自左向右，电负性变大，元素的非金属性增强。同族中，自上而下，电负性变小，元素的金属性增强。同族中，自上而下，电负性变小，元素的金属性增强。Li Be B C N O F 电负性电负性 0.98 1.57 2.04 2.55 3.04 3.44 3.98 F Cl Br I 电负性电负性 3.98 3.16 2.96 2.66 周期表中，右上角的周期表中，右上角的 F 元素电负性最大，左下角的元素电负性最大，左下角的 Cs 元素元素电负性最小。电负性最小。结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日