原子结构和元素周期表

*,第,1,章 原子结构和,元素周期表,Chapter 1,Atomic Structure,and Periodic,Table of Elements,1 初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒,二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念.,2 了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量,子数的物理意义、取值范围.,3 熟悉,s,、,p,、,d,原子轨道的形状和方向.,4 理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一,般规则和,s,、,p,、,d,、,f,区元素的原子结构特点.,5 会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电,离能、电子亲合能和电负性的周期性变化.,本章教学要求,1.1,道尔顿原子论,Dalton,atomic theory,1.2,相对原子质量,(,原子量,),relative,atomic weight,1.,4,氢原子结构的量子力学模型,the quantum mechanical model of,the structure of hydrogen atom,玻尔行星模型,Bohr model,1.,5,核外电子运动的量子力学模型,the wave mechanical model of,the structure of atom,1.6,基态原子的核外电子排布,ground-state electron configuration,1.7,元素周期表,the,periodic table of elements,1.8,元素周期性,atomic periodic,本章教学内容,1.,3,原子的起源和演化,the origin and evolvement,of atom,原子结构理论的发展简史,古代希腊的原子理论,道尔顿,(J.Dolton),的原子理论,-19,世纪初,卢瑟福,(E.Rutherford),的行星式原 子模型,-19,世纪末,近代原子结构理论,-,氢原子光谱,1.1 道尔顿原子论,1.1.1古希腊原子论,Democritus(460-370 B.C),内容,:,宇宙由虚空和原子构成,;,每一种物质由一种原子构成,;,原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。,道尔顿原子论要点：,每一种化学元素有一种原子；,同种原子质量相同，不同种原子质量不同；,原子不可再分；,一种原子不会转变为另一种原子；,化学反应只是改变了原子的结合方式，,使反应前的物质变成反应后的物质。,1.1.2 化学原子论,-,道尔顿原子论,原子是化学上最重要、使用最频繁的术语之一,原是希腊语中意为“不可再分”意思.随着科学的发展,道尔顿(,Dalton J,),于180,5,年提出了第一个现代原子论,但他接受了“不可再分”的概念.,1.1.3 道尔顿原子论的贡献,道尔顿用符号来表示原子,是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训,要揭示科学的真理不能光凭想象，更不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济原则”,客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。,道尔顿提出了原子量的概念，并用实验测定了一些元素的相对原子质量。,为贝采里乌斯原子量和元素符号奠定了坚实的基础，极大地推动了化学的发展。,贝采里乌斯原子量,(1818,和,1826),元素,道尔顿原子量,（,1810,）,贝采里乌斯原子量（,1818,）,贝采里乌斯原子量（,1826,）,现今相对原子质量（,1997,）,O,7,16,16.026,15.9994,Cl,35.41,35.470,35.4527,F,18.73,18.9984032,N,5,14.186,14.00674,S,13.0,32.2,32.239,32.066,P,9,62.7,31.436,30.973761,C,5.4,12.5,12.25,12.0107,H,1,0.99,1,1.00794,As,42,150.52,75.329,74.92160,Pt,100,194.4,194.753,195.078,1.2,相对原子质量（原子量）,1.2.1,元素 原子序数和元素符号,1.2.2,核素、同位素和同位素丰度,1.2.3,原子的质量,1.2.4,元素的相对原子质量（原子量）,元素、原子序数和元素符号,具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）元素。,按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。,每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的,1,摩尔原子。,核素、同位素和同位素丰度,核素,具有一定质子数和一定中子数的原子（的总称）。,元素,具有一定质子数的原子（的总称）。,同位素,质子数相同中子数不同的原子（的总称）。,同量异位素,核子数相同而质子数和中子数不同的原子（的总称）。,同中素,具有一定中子数的原子（的总称）。,不稳定核素,自然界的元素,核素,稳定核素,单核素元素,多核素元素,核素、同位素和同位素丰度,1.2.2,核素、同位素和同位素丰度,某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。,例如，氧的同位素丰度为：,f,（,16,O,）,=99.76%,f,（,17,O,）,=0.04%,f,（,18,O,）,=0.20%,；,而单核素元素，如氟，同位素丰度为,f,（,19,F,）,=100%,。,有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。,原子的质量,以原子质量单位,u,为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。,1u,等于核素,12,C,的原子质量的,1/12,。有的资料用,amu,或,mu,作为原子质量单位的符号，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为“道尔顿”（小写字首的,dalton,）。,1u,等于多少,?,取决于对核素,12,C,的一个原子的质量的测定。最近的数据是：,1u=1.660566,（,9,）,x10,-24,g,核素的质量与,12,C,的原子质量,1/12,之比称为核素的相对原子质量。核素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。,元素的相对原子质量（原子量）,元素的相对原子质量（长期以来称为原子量）。根据国际原子量与同位素丰度委员会,1979,年的定义，,原子量,是指一种元素的,1,摩尔质量对核素,12,C,的,1,摩尔质量的,1/12,的比值。这个定义表明：,元素的相对原子质量（原子量）是纯数。,单核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的核素的相对原子质量。,多核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的天然同位素相对原子质量的,加权平均值,。,加权平均值,加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用,A,r,代表多核素元素的相对原子质量，则：,Ar=,f,iMr,i,式中：,f,i,同位素丰度；,Mr,i,同位素相对原子质量,1.3,原子的起源和演化,(,自学,),1,宇宙之初,2,氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧,3,过程、,e,过程,4,重元素的诞生,5,宇宙大爆炸理论的是非,1.,4,氢原子结构的量子力学模型：波尔模型,(,the,quantum mechanical model of the structure,of hydrogen atom,Bohr model,),自然界的连续光谱,1.4.1,氢原子光谱,实验室的连续光谱,1.,4,氢原子结构的量子力学模型：波尔模型,(,the,quantum mechanical model of the structure,of hydrogen atom,Bohr model,),不连续的、线状的，是很有规律的.,氢原子光谱特征:,与日光经过棱镜后得到的七色连续光谱不同,原子受高温火焰、电弧等激发时,发射出来的是,不连续的线状光谱,.,每种元素的原子,都有其特征波长的光谱线,它们是现代光谱分析的基础,.,氢原子的发射光谱,是,所有原子发射光谱中最简单的,，发出紫外和可见光。,氢原子光谱由五组线系组成,即紫外区的莱曼,(,Lyman,),系,可见区的巴尔麦,(,Balmer,),系,红外区的帕邢,(,Paschen,),系、布莱克特,(,Brackett,),系和芬得,(,Pfund,),系,.,任何一条谱线的波数,(,wave number,),都满足简单的经验关系式,:,式中,v,为波数的符号,它定义为波长的倒数,单位常用,cm,-1,;,R,H,为里德伯常量,实验确定为,1.09,6 7710,7,m,-1,;,n,2,大于,n,1,二者都是不大的正整数,.,各线系,n,的允许值见下表,：,The allowed values for,n,in above equation,Name,n,1,n,2,Lyman series,Balmer series,Paschen series,Brackett series,Pfund series,1,2,3,4,5,2,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,例如：对于,Balmer,线系的处理,n,=3,红,（,H,）,n,=4,青,（,H,）,n,=5,蓝紫,（,H,）,n,=6,紫,（,H,）,氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子.在氢原子内，这个电子核外是怎样运动的？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程.,爱因斯坦的光子学说,普朗克的量子化学说,氢原子的光谱实验,卢瑟福的有核模型,1913,年，,28,岁的,Bohr,在,的基础上，建立了,Bohr,理论.,波粒二象性,1.4.2,玻尔理论,Bohr,理论,的主要内容,年轻的丹麦物理学家玻尔,(,Bohr N,，,1885-1962,),于,1913,年提出的氢原子结构的量子力学模型,是,基于下述,3,条假定：,关于固定轨道的概念,.,玻尔模型认为,电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动,.因此，玻尔的氢原子模型可以形象地称为,行星模型,。,固定轨道是指符合一定条件的轨道,这个条件是,电子的轨道角动量,L,只能等于,h/(2),的整数倍：,式中,m,和,v,分别代表电子的质量和速度,r,为轨道半径,h,为普朗克常量,n,叫做量子数,(,quantum number,),取,1,2,3,等正整数,.,轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约,图,中,示出的这些固定轨道,从距核最近的一条轨道算起,n,值分别等于,1,2,3,4,5,6,7.,根据假定条件算得,n=,1,时允许轨道的半径为,53,pm,这就是著名的,玻尔半径,.,关于轨道能量量子化的概念,.,电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化,.,即原子只能处于上述条件所限定的几个能态,不可能存在其他能态,.,指除基态以外的其余定态,.,各激发态的能量随,n,值增大而增,高,.,电子,只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态,.,定态,(,stationary state,),：,所有这些允许能态之统称.,核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量,.,基态,(,ground state,):,n,值为,1,的定态.,通常电子保持在能量最低的这一基态,.,基态是能量最低即最稳定的状态,.,激发态,(,excited states,):,玻尔模型认为,只有当电子从较高能态,(,E,2,),向较低能态,(,E,1,),跃迁时,原子才能以光子的形式放出能量,(,即,定态轨道上运动的电子不放出能量,),光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差,.,根据普朗克关系式,该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：,关于能量的吸收和发射,.,E=E,2,E,1,=,h,如果电子由能量为,E,1,的轨道跃至能量为,E,2,的轨道,显然应