高中化学竞赛原子结构和元素周期律

,单击此处编辑母版标题样式,原子结构与元素周期系,*,原子结构与元素周期系,1,原子结构与元素周期系,核外电子的运动状态,核外电子的排布和元素周期系,元素基本性质的周期性,原子结构与元素周期系,2,12,微观粒子的波粒二象性,一、 光和实物粒子的波粒二象性,1924,年德国物理学家,L de Broglie (,德布罗意,),提出假设：,既然光是一种微粒又是一种波，那么静止质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性,1927,年,C.J.Pavisson (,戴维逊,),和,L.H.Germer (,盖末尔,),获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证实了,de Broglie,的假设，从此科学家们开始接受实物粒子的二象性。,原子结构与元素周期系,3,感光屏幕,薄晶体片,衍射环纹,电子枪,电子束,电子衍射实验示意图,用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明,暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。,原子结构与元素周期系,4,结论,：,1.,电子等实物粒子具有 波粒 二象性；,2.,不能用经典物理的波和粒的概念来理解它的行为。,再次说明描述电子等微粒的运动规律只能用描述微粒运动规律的量子力学。,原子结构与元素周期系,5,二、 测不准原理和几率概念,测不准原理：,一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。,注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测量 仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测定性。,xh/2,mv,原子结构与元素周期系,6,13,波函数和原子轨道,薛定谔方程,波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态,轨道。 波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。,原子结构与元素周期系,7,波函数的意义,原子核外电子的一种运动状态,每一个波函数都有对应的能量,E,波函数,没有明确的直观的物理意义,但波函数绝对值的平方,|,2,却有明确的物理意义,原子结构与元素周期系,8,1,6,四个量子数,量子,数,物,理,意,义,取,值,范,围,主量子数,n,描述电子离核远近及能量高低,n=1,2,3,正整数,角量子数,l,描述原子轨道的形状及能量的高低,l=0,1,2,小于,n,的正整数,磁量子数,m,描述原子轨道在空间的伸展方向,自旋量子数,m,s,描述电子的自旋方向,m,s,=+1/2,-,1/2,2,m=0,+1,-,1,+2,l,原子结构与元素周期系,9,主量子数（,n,）,角量子数（,l,）,磁量子数（,m,）,轨道符号,轨道数,1,0,0,1s,1,2,0,0,2s,1,1,0,，,1,，,-1,2p,3,3,0,0,3s,1,1,0,，,1,，,-1,3p,3,2,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,3d,5,4,0,0,4s,1,1,0,，,1,，,-1,4p,3,2,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,4d,5,3,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,，,3,，,-3,4f,7,5,0,0,5s,1,1,0,，,1,，,-1,5p,3,2,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,5d,5,3,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,，,3,，,-3,5f,7,4,0,，,1,，,-1,，,2,，,-2,，,3,，,-3,+4, -4,5g,9,原子结构与元素周期系,10,原子结构与元素周期系,11,多电子原子近似能级图的特点：,近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，称为能级,1s,第一能级组,2s2p,第二能级组,3s3p,第三能级组,4s3d4p,第四能级组,5s4d5p,第五能级组,6s4f5d6p,第六能级组,7s5f6d7p,第七能级组,在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。,原子结构与元素周期系,12,在能级图中,:,所谓等价轨道是指其能量相同、成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。,角量子数,l,相同的能级，其能量由主量子 数,n,决定，,n,越大，能量越高。,主量子数,n,相同，角量子数,l,不同的能级，其能量随,l,的增大而升高。,主量子数,n,和角量子数,l,同时变化时，从图中可知，能级的能量变化情况是比较复杂的。,原子结构与元素周期系,13,核外电子层结构的原则,能量最低原理,堡里不相容原理,（奥地利科学家）,洪特（,Hund,）规则,（德国科学家）,原子结构与元素周期系,14,能量最低原理,多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道，这称为,能量最低原理,。,原子结构与元素周期系,15,堡里不相容原理,一个电子的四个量子数为（,3,、,2,、,0,、,-1/2,）,另一个电子的四个量子数为（,3,、,2,、,0,、,+1/2,）,从保里原理可获得以下几个重要结论：,a),每一种运动状态的电子只能有一个。,b),由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。,c),因为,s,、,p,、,d,、,f,各分层中原子轨道数为,1,、,3,、,5,、,7,所以各分层中相应最多只能容纳,2,、,6,、,10,、,14,个电子。,d),每个电子层原子轨道的总数为,n,个，因此，各电子层中电子的最大容量为,2n,个。,原子结构与元素周期系,16,洪特（,Hund,）规则,电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占领能量相同的轨道。,例,:,7,N,2p,2s,1s,原子结构与元素周期系,17,作为洪特规则的特例，等价轨道：,全充满,p,6,、,d,10,、,f,14,半充满,p,3,、,d,5,、,f,7,全 空,p,0,、,d,0,、,f,0,的结构状态比较稳定,例：,19,号,K 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,4s,1,原子实结构式为,Ar4s,1,24,号,Cr Ar3d,5,4s,1,原子结构与元素周期系,18,原子的电子层,注意几个例外,:,24,号,Cr 3d,5,4s,1,29,号,Cu 3d,10,4s,1,40,号,Zr 4d,2,5s,2,41,号,Nb 4d,4,5s,1,42,号,Mo 4d,5,5s,1,43,号,Tc 4d,5,5s,2,44,号,Ru 4d,7,5s,1,45,号,Rh 4d,8,5s,1,46,号,Pd 4d,10,原子结构与元素周期系,19,原子的电子层结构与元素的分区,原子结构与元素周期系,20,核外电子的排布（原子的电子层结构）,1 H Hydrogen,氢,1s,1,*,2 He Helium,氦,1s,2,3 Li Lithium,锂,1s,2,2s,1,4 Be Beryllium,铍,1s,2,2s,2,5 B Boron,硼,1s,2,2s,2,2p,1,*,6 CCarbon,碳,1s,2,2s,2,2p,2,7 NNitrogen,氮,1s,2,2s,2,2p,3,8 OOxygen,氧,1s,2,2s,2,2p,4,9 FFluorine,氟,1s,2,2s,2,2p,5,10 NeNeon,氖,1s,2,2s,2,2p,6,原子,序数,电子轨道图,元素,符号,英文名称,中文,名称,电子结构式,原子结构与元素周期系,21,11 Na Sodium,钠,1s,2,2s,2,2p,6,3s,1,12 Mg Magnesium,镁,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,13 Al Aluminium,铝,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,1,14 Si Silicon,硅,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,2,15 P Phosphorus,磷,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,3,16 Si Sulfur,硫,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,4,17 Cl Chlorine,氯,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,5,18 Ar Argon,氩,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,原子,序数,元素,符号,英文名称,中文,名称,电子结构式,原子结构与元素周期系,22,*, Ar ,原子实，表示,Ar,的,电子结构式,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,。,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,4s,后排,3d,， 但,电子结构式中先写,3d,，,后写,4s,*,21 Sc Scandium,钪,Ar 3d,1,4s,2,22 Ti Titanium,钛,Ar 3d,2,4s,2,23 V Vanadium,钒,Ar 3d,3,4s,2,24,Cr,Chromium,铬,Ar,3d,5,4s,1,25 Mn Manganese,锰,Ar 3d,5,4s,2,26 Fe Iron,铁,Ar,3d,6,4s,2,27 Co Cobalt,钴,Ar,3d,7,4s,2,28 Ni Nickel,镍,Ar,3d,8,4s,2,*,19 K Potassium,钾,Ar 4s,1,20 Ca Calcium,钙,Ar 4s,2,原子结构与元素周期系,23,1,元素的周期,周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自,对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。,H,He,1,第一周期：,2,种元素,第一能级组：,2,个电子,1,个能级,1s 1,个,轨道,Be,Li,B,C,N,O,F,Ne,2,第二周期：,8,种元素,第二能级组：,8,个电子,2,个能级,2s 2p 4,个,轨道,(2),元素周期系,原子结构与元素周期系,24,Mg,Na,Al,Si,P,S,Cl,Ar,3,第三周期：,8,种元素,第三能级组：,8,个电子,2,个能级,3s 3p 4,个,轨道,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Br,Kr,4,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Rh,Pd,Ru,Ag,Cd,Sr,Rb,In,Sn,Sb,Te,I,Xe,5,第五周期：,18,种元素,第五能级组：,18,个电子,3,个能级,5s 4d 5p 9,个,轨道,第四周期：,18,种元素,第四能级组：,18,个电子,3,个能级,4s 3d 4p 9,个,轨道,原子结构与元素周期系,25,第七周期：,32,种元素,第七能级组：,32,个电子,4,个能级,7s 5f 6d 7p 16,个,轨道,Ba,Cs,6s,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,4f,La,Hf,Ta,W,Re,Ir,Pt,Os,Au,Hg,5d,Tl,Pb,Bi,Po,At,Rn,6p,第六周期：,32,种元素,第六能级组：,32,个电子,4,个能级,6s 4f 5d 6p 16,个,轨道,Ra,Fr,7s,Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr,5f,Ac,Rf,Db,Sg,Bh,Hs,Mt,Uun,Uuu,Uub,6d,7p,原子结构与元素周期系,26,原子的电子层结构与周期的关系,各周期元素的数目相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数,2,、,8,、,8,、,18,、,18,、,32,p,区从左上到右下的对角线为,B,、,Si,、,As,、,Te,、,At,，在此诸元素的右上方位是非金属，左下方位金属，对角线上及附近的元素是准金属，有些具有半导体的性质，周期表中约,4/5,的元素是金属。,原子结构与元素周期系,27,原子的电子层结构与族的关系,主族元素的族数（包括,ds,区）该元素原子的最外层电子数该族元素的最高化合价（除氧、氟外）,副族元素的族数,=,最高能级组中的电子总数,或 副族数（,s+d,）电子数,10,原子结构与元素周期系,28,副族元素的氧化态,均能呈现多种,原子结构与元素周期系,29,元素周期系的发展前景,原子结构与元素周期系,30,第三部分 元素基本性质的周期性,原子半径,电离能,元素的电负性,电子亲合势,原子结构与元素周期系,31,3,1,原子半径,A.,共价半径,同种元素的两个原子共价单键连接时，核间距的一半。,一般 单键半径,双键半径,叁键半径,B.,金属半径,紧密堆积的金属晶体中以金属键结合的同种原子核间距离的一半。,同一原子的金属半径要大于共价半径,10,15%,。,C.,范德华半径,非键和原子之间只靠分子间的作用力互相接近时，两原子的核间距的一半。,一般范德华半径最大（非键合），共价半径最小（轨道重叠），金属半径位中间（紧密堆积）,原子结构与元素周期系,32,原子半径在周期中的变化,在短周期中，从左往右随着核电荷数的增加，原子核对外层电子的吸引作用也相应地增强，使原子半径逐渐缩小。,在长周期中，自左向右原子半径缩小程度不大。,周期系中各相邻元素原子半径减少的平均幅度为：,非过渡金属（,）过渡元素（,0.05 pm,）内过渡元素（,0.01 pm,）,原子结构与元素周期系,33,（,1,） 原子半径在周期表中的变化,只有当,d,5,，,d,10,，,f,7,，,f,14,半充满和全充满时，层中电子的对称性较高，这时, 占主导地位，,原子半径,r,增大,。,核电荷数,Z,增大，对电子吸引力增大，使得原子半径,r,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,r,有增大的趋势。,以 为主。即同周期中从左向右原子半径减小。,(a),同周期中,从左向右，在原子序数增加的过程中，有两个因素在影响原子半径的变化,这是一对矛盾， 以哪方面为主？,原子结构与元素周期系,34,短周期的主族元素，以第,3,周期为例,Mg,Na,Al,Si,P,S,Cl,Ar,r/pm 154 136 118 117 110 104 99 154,长周期的过渡元素,，,以第,4,周期的第一过渡系列为例,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Sc Ni,，,8,个,元素，,r,减少,了,29,pm,。相邻元素之间，平均减少幅度,4 pm,许。,Na Cl,，,7,个,元素，,r,减少,了,55,pm,。相邻元素之间，平均减少幅度,10 pm,许。,Ar,为范德华半径， 所以比较大,。,r/pm 144 132 122 118 117 117 116 115 117 125,原子结构与元素周期系,35,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,Z*,增加得多。所以,r,减小的幅度大。,长周期,过渡元素，电子填加到次外,层轨道,，,对核的正电荷中和多,，,Z*,增加得少，所以,r,减小的幅度小。,短周期主族元素原子半径平均减少幅度,10 pm,，长周期的过渡元素平均减少幅度,4 pm,。造成这种不同的原因是什么？,Cu,，,Zn,为,d,10,结构，电子斥力大， 所以,r,不但没减小，反而有所增加。,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,r/pm 144 132 122 118 117 117 116 115 117 125,试设想超长周期的内过渡元素，会是怎样的情况。,原子结构与元素周期系,36,(c),同族中,同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变化趋势, 核电荷,Z,增加许多，对电子吸引力增大， 使,r,减小；, 核外电子增多，增加一个电子层，使,r,增大。,主族元素,Li 123 pm,Na 154 pm,K 203 pm,Rb 216 pm,Cs 235 pm,r,增大,在这一对矛盾中， 起主导作用。同族中，从上到下，原子半径增大。,原子结构与元素周期系,37,副族元素,Ti V Cr,r/pm 132 122 118,Zr Nb Mo,145 134 130,Hf Ta W,144 134 130,第二过渡系列比第一过渡系列原子半径,r,增大,12,13 pm,。,第三过渡系列和第二过渡系列原子半径,r,相近或相等,。这是镧系收缩的影响结果。,原子结构与元素周期系,38,原子半径在族中变化,在同一主族中，从上到下，随着核电荷数增加，元素原子的电子层数增多，原子半径增大。,副族元素的元素半径变化不明显，特别是第五、六周期的元素的原子半径非常相近。这主要是由于镧系收缩所造成的结果。,原子结构与元素周期系,39,离子半径,在离子晶体中，正负离子间的吸引作用和排斥作用达平衡时，使正、负离子间保持着一定的平衡距离，这个距离叫核间距，结晶学上常以符号,d,表示。,离子半径大致有如下的变化规律：,在周期表各主族元素中，由于自上而下电子层依次增多，所以具有相同电荷数的同族离子的半径依次增大。例如,Li,+,Na,+,K,+,Rb,+,Cs,+,F,Cl,Br,Mg,2+,Al,3+,若同一元素能形成几种不同电荷的正离子时，则高价离子的半径小于低价离子的半径。例如,r,Fe,3+,(60 pm),r,Fe,2+,(75 pm),负离子的半径较大，正离子的半径较小。,周期表中处于相邻族的左上方和右上方斜对角线上的正离子半径近似相等。 例如,Li,(60pm),Mg,2,(65 pm),Sc,3,(81pm),Zr,4,(80pm),Na,+,(95pm),Ca,2+,(99pm),原子结构与元素周期系,41,3,2,电离能,定义：从气态的基态原子中移去一个电子所需的最低能量，用焓的改变量来表示,从气态的一价正离子中移去一个电子的焓的改变量,元素的第一电离势越小，表示它越容易失去电子，即该元素的金属性越强。,原子结构与元素周期系,42,原子结构与元素周期系,43,影响因素,原子核电荷,（同一周期）即电子层数相同，核电荷数越多、半径越小、核对外层电子引力越大、越不易失去电子，电离势越大。,原子半径,（同族元素）原子半径越大、原子核对外层电子的引力越小，越容易失去电子，电离势越小。,电子层结构,稳定的,8,电子结构（同周期末层）电离势最大。,原子结构与元素周期系,44,变化规律,同一主族元素，从上向下，随着原子半径的增大，元素的第一电离势依次减小。,在同一周期中元素的第一电离势从左到右总趋势上依次增大，金属性减弱。,原子结构与元素周期系,45,3,3,电子亲合势,电子亲合能 电子亲合能,(Y),是指气态的基态原子获得一个电子成为一价负离子所放出的能量：,具有最大电子亲合能为,Cl,原子 ，卤素的电子亲合能最大 ，和卤素相邻的氧族元素，电子亲合能也较大 。金（,Au,）对具有最高的电子亲合能值,原子结构与元素周期系,46,在周期、族中的变化规律,电子亲合能随原子半径的减少而增大。因为半径减小，原子核对电子的引力增大。在周期中是按由左向右的方向增大，在族中是按由上向下的方向减少。,反常现象,是由于第二周期的氧、氟原子半径很小，电子云密集程度很大，电子间排斥力很强，以致当原子结合一个电子形成负离子时，由于电子间的相互排斥作用致使放出的能量减少。而第三周期的硫、氯原子半径较大，并且有空的,d,轨可以容纳电子，电子间的相互作用显著就减小，因而当原子结合电子形成负离子时放出的能量,最大,。,原子结构与元素周期系,47,3,4,元素的电负性,L,Pauling,定义电负性为,“,在一个分子中，一个原子将电子吸引到它自身的能力,”,。,原子结构与元素周期系,48,两种原子所形成的异核键键能和两种同核键键能的平均值之间的差别，提出元素的电负性定量标度数据，称为电负性的,Pauling,标度,P,。,原子结构与元素周期系,49,在同一周期中，从左到右电负性递增，元素的非金属性逐渐增强；在同一主族中，从上到下电负性递减，元素的非金属性减弱,右上方氟的电负性最大，非金属性最强， 左下方铯的电负性最小，金属性最强。,原子结构与元素周期系,50,在同一周期中，从左到右电负性递增，元素的非金属性逐渐增强；在同一主族中，从上到下电负性递减，元素的非金属性减弱,有上方氟的电负性最大，非金属最强，左下方铯的电负性最小，金属性最强。,原子结构与元素周期系,51,若将,Xe,和,F,、,O,比较，,Xe,电负性较低，可以形成氧化物和氟化物，,Xe,和,C,的电负性相近，在合适的条件下可以形成共价键,原子结构与元素周期系,52,原子性质的周期性变化规律,原子性质,从左到右,从上到下,原子半径,减小,增大，第五、六周期接近（镧系收缩）,电离能,增大，全满半满结构稍大,减小，过渡元素略增，多处不规律,电子亲和能,增大,减小，但,O,F,并非本族中最大值，这是由于半径小，内层电子排斥所致,电负性,增大,减小，,A,例外，副族不明显,原子结构与元素周期系,53,性质,从左到右,从上到下,单质的金属性,减弱,增强,元素的氧化值,主族元素及,B,B,元素的最高氧化值族号数,氢氧化物的酸碱性,酸性增强,碱性增强,