资源描述
1 具有波粒二象性的微粒，没有运动轨道，具有波粒二象性的微粒，没有运动轨道，只有在空间出现的几率分布（波的强度与粒子只有在空间出现的几率分布（波的强度与粒子出现的几率相联系），能量的改变量不连续出现的几率相联系），能量的改变量不连续（量子化），并满足测不准关系。其运动规律（量子化），并满足测不准关系。其运动规律需由量子力学来描述。需由量子力学来描述。2薛薛 定定 谔谔 方方 程程 奥地利科学家薛定谔奥地利科学家薛定谔(Erwin Schrdinger)在考在考虑实物微粒的波粒二象性的基础上，通过光学和力虑实物微粒的波粒二象性的基础上，通过光学和力学的对比，把微粒的运动用类似于表示光波动的运学的对比，把微粒的运动用类似于表示光波动的运动方程来描述，建立了薛定谔方程。动方程来描述，建立了薛定谔方程。 薛定锷方程是一个二阶偏微分方程，是描述微薛定锷方程是一个二阶偏微分方程，是描述微观粒子运动的基本方程。观粒子运动的基本方程。 “薛定谔方程薛定谔方程”的主要作用是描述物质的主要作用是描述物质波的运动问题，它为系统地、定量地处理波的运动问题，它为系统地、定量地处理原子结构问题提供了理论基础。原子结构问题提供了理论基础。“薛定谔薛定谔方程方程”的卓越贡献与牛顿运动方程在经典的卓越贡献与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似，为此薛定谔荣获了力学中的地位相似，为此薛定谔荣获了1933年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。30822222222VEhmzyx 量子力学中描述核外电子在空间运动的数量子力学中描述核外电子在空间运动的数 学函数式，即学函数式，即原子轨道原子轨道 (x, y, z) - 波函数波函数 E 轨道能量（动能与势能总和轨道能量（动能与势能总和 ）；）； V 势能势能 m 微粒质量；微粒质量； h 普朗克常数；普朗克常数； x, y, z 微粒的空间坐标微粒的空间坐标 4x=rsincony=rsinsinz=rcos(r,)=R(r)Y(,)或或(r,)=R(r)()() 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只要将只要将R(r)、()、()分别解出后即可得到分别解出后即可得到的具体表达式。的具体表达式。 R(r) 与自然数与自然数n（n=1，2，3）有关，）有关，主量子数主量子数 () 与与l（l=0，1，2，n-1，共，共n个）有关，个）有关，角量子数角量子数 () 与与m（m=0，1，2，l，共，共2l+1个）有关，个）有关，磁量子数磁量子数 当当n、l、m确定时，确定时，R(r)、()、()即有确定的数学表达式，即即有确定的数学表达式，即(r,) 有确定的的数学表达式。有确定的的数学表达式。5关于波函数关于波函数的几个注意问题的几个注意问题v波函数波函数 是包含是包含n，l，m三个量子数三个量子数 的空间三维坐标的空间三维坐标x，y，z的函数；的函数；v每一波函数每一波函数 对应一固定的能量对应一固定的能量E；v波函数波函数 ：代表电子的运动状态，：代表电子的运动状态， 但只是一种数学函数形式，从其但只是一种数学函数形式，从其 本身无法确定具体的物理含义；本身无法确定具体的物理含义；v| | 2：原子核外空间某处单位体积内电子出现的：原子核外空间某处单位体积内电子出现的几率，称为几率密度，其空间图像称之为电子云；几率，称为几率密度，其空间图像称之为电子云；v黑点密集的地方，黑点密集的地方， | | 2 的值大，几率密度大；反的值大，几率密度大；反之几率密度小。之几率密度小。 马克思马克思.波恩波恩 Max Born （1882-1970）6电子云的概念电子云的概念 假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。图，形象地称为电子云图。1s2s2 p7波函数和原子轨道波函数和原子轨道v波函数：近似理解为电子在核外空间出现的范围，波函数：近似理解为电子在核外空间出现的范围，习惯上将其称为原子轨道。所谓的原子轨道并不是习惯上将其称为原子轨道。所谓的原子轨道并不是电子运动的轨迹，它只代表电子的某种运动状态，电子运动的轨迹，它只代表电子的某种运动状态，是波函数的代名词。是波函数的代名词。v n：主层。主层。n=1，第一主层，用，第一主层，用K表示；表示；n=2，第二，第二层，用层，用L表示；以下为表示；以下为M、N、O、P、Q层。层。vl：分层（亚层，轨道）。分层（亚层，轨道）。l=0，用用s表示，即表示，即s轨道（轨道（s亚层）；亚层）；l=1，用，用p表示，即表示，即p轨道（轨道（p亚层）；亚层）； 以下以下依次为依次为d、f、g、h 。vm：轨道的简并数目，即能量相等的轨道的数目。轨道的简并数目，即能量相等的轨道的数目。 8量子数描述核外电子运动的可能状态量子数描述核外电子运动的可能状态 例： n = 1 l = 0， m = 0 1s n = 2 l = 0， m = 0 2s l = 1， m = 0 , 1 2p n = 3 l = 0， m = 0 3s l = 1 m = 0 , 1 3p l = 2 m = 0 , 1， 2 3d n = 4 ?9部分原子轨道与三个量子数的关系部分原子轨道与三个量子数的关系 nlm轨道名称 轨道数1001s12002s121-1，0，+12p33003s131-1，0，+13p332-2，-1，0，+1，+23d54004s141-1，0，+14p342-2，-1，0，+1，+24d543-3，-2，-1，0，+1，+2，+34f710 角度分布图角度分布图 经过计算，得到经过计算，得到 以及与其对应以及与其对应 Y ( ， ) 和和 | Y ( ， ) | 2 的数据。根据这些数据可以画出两种角度分布图：的数据。根据这些数据可以画出两种角度分布图： 波函数的角度分布图和电子云的角度分布图。波函数的角度分布图和电子云的角度分布图。cos),(Y为角度部分为角度部分 。 则角度部分的几率密度为则角度部分的几率密度为 | Y ( ， ) | 2 = cos2 252,1,0) (2410azcos0a2rZre 为径向部分为径向部分 ，0a2Zrre R(r) * a0 玻尔半径，玻尔半径， R ，Y 以外部分为归一化常数。以外部分为归一化常数。（2 Pz 的波函数）11Z / cos cos2 0 1.00 1.00 15 0.97 0.93 30 0.87 0.75 45 0.71 0.50 60 0.50 0.25 90 0.00 0.00120 0.50 0.25135 0.71 0.50150 0.87 0.75165 0.97 0.93180 1.00 1.00波函数的角度分布图波函数的角度分布图12zy+pypzzx+zx+s各种波函数的角度分布图各种波函数的角度分布图zx+px13+yxdxy+zxdxz+zydyz+d x2y2yx+d z2zx14各种电子云的角度分布图各种电子云的角度分布图zxspzzx 电子云的角度分布图比波函数的角度分布图略电子云的角度分布图比波函数的角度分布图略“瘦瘦”些。电子云的角度分布图没有些。电子云的角度分布图没有 。dz2zxydx2y2xydxyx 作为波函数的符号，它表示原子轨道的对称性，作为波函数的符号，它表示原子轨道的对称性，因此在讨论化学键的形成时有重要作用。因此在讨论化学键的形成时有重要作用。 波函数的角度分布图有波函数的角度分布图有 。 这是根据解这是根据解析式算得的。它不表示电性的正负。析式算得的。它不表示电性的正负。15电子云的角度部分图示161718四四 个个 量量 子子 数数 的的 物物 理理 意意 义义 （1） 主量子数主量子数 n 取值取值 1， 2， 3， 4 n 为正整数为正整数 ( 自然数自然数 ) ， 光谱学上用光谱学上用 K，L，M，N 表示表示 。 意义意义 表示原子轨道的大小，核外电子离核的远近，或者说是电子所在的电子层数。 n 的数值大，电子距离原子核远， 则具有较高的能量。 主量子数主量子数 n 只能取只能取 1，2，3，4 等自然数，故能量只有不等自然数，故能量只有不连续的几种取值，即能量是量子化的。所以连续的几种取值，即能量是量子化的。所以 n 称为量子数。称为量子数。192、副（角）量子数（、副（角）量子数（l）含义：（含义：（1）在多电子原子中与）在多电子原子中与n 一起决定电子亚层的能量，一起决定电子亚层的能量，l 值值 越小，亚层能量越低。越小，亚层能量越低。如：如：E4sE4pE4dE4f （2）每一个）每一个l 值决定电子层中的一个亚层；值决定电子层中的一个亚层； （3）每一个）每一个l 值代表一种电子云或原子轨道的形状。值代表一种电子云或原子轨道的形状。 对于确定的主量子数对于确定的主量子数 n ，角量子数，角量子数 l 可以为可以为 0，1，2，3，4 ( n 1 ) ， 共共 n 个取值，个取值，光谱学上光谱学上依次用依次用 s，p，d，f， g 表示表示 。副量子数副量子数(l) : 0 1 2 3 （n-1）电子亚层符号电子亚层符号: s p d f 原子轨道（或亚层）：球形原子轨道（或亚层）：球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形20 n = 4， l 有有 4 种取值，即核外第四层有种取值，即核外第四层有 4 种形状不同的种形状不同的原子轨道：原子轨道： l = 0 表示表示 s 轨道，形状为球形，即轨道，形状为球形，即 4 s 轨道；轨道； l = 1 表示表示 p 轨道，形状为哑铃形，轨道，形状为哑铃形， 4 p 轨道；轨道； l = 2 表示表示 d 轨道，形状为花瓣形，轨道，形状为花瓣形， 4 d 轨道；轨道； l = 3 表示表示 f 轨道，形状更复杂，轨道，形状更复杂， 4 f 轨道。轨道。 如如 n = 3， 角量子数角量子数 l 可取可取 0， 1， 2 共三个值共三个值 依次表示为依次表示为 s， p， d 对应符号对应符号 3s，3p，3d 21（ 3 ） 磁量子数磁量子数 m 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 ，对于给定的，对于给定的 l ， m 可取：可取： 0， 1， 2， 3， ， l 。 共共 2 l + 1 个值。个值。 若若 l = 3，则，则 m = 0， 1， 2， 3， 共共 7 个值。个值。 m 决定原子轨道的空间取向。决定原子轨道的空间取向。 n 和和 l 一定的轨道，如一定的轨道，如 2 p 轨道轨道（ n = 2 ，l = 1 ）在空间有三种不同的取向。）在空间有三种不同的取向。22 每一种每一种 m 的取值，对应一种空间取向。的取值，对应一种空间取向。zyx m 的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不影的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不影响能量。响能量。3 种不同取向的种不同取向的 2 p 轨道能量相同。我们说这轨道能量相同。我们说这 3 个原子轨个原子轨道是能量简并轨道，或者说道是能量简并轨道，或者说 2 p 轨道是轨道是 3 重简并的。重简并的。 而而 3 d 则有则有 5 种不同的空间取向，种不同的空间取向， 3 d 轨道是轨道是 5 重简并的。重简并的。23 1925年，不到年，不到25岁的年轻大岁的年轻大学生乌伦贝克和高斯米特提出学生乌伦贝克和高斯米特提出电子自旋的大胆假设：电子自旋的大胆假设：电子不电子不是点电荷，它除了有轨道运动是点电荷，它除了有轨道运动以外，还有自旋运动。以外，还有自旋运动。24 （4） 自旋量子数自旋量子数 ms m s 的取值只有两个，的取值只有两个，+ 1/2 和和 - 1/2 。电子的自旋方式只有。电子的自旋方式只有两种，通常用两种，通常用 “ ” 和和 “ ” 表示。表示。所以所以 ms 也是量子化的。也是量子化的。 2h 因为电子有自旋，所以电子具有自旋角动量，而自旋角动量因为电子有自旋，所以电子具有自旋角动量，而自旋角动量沿沿外磁场方向上的分量，可用外磁场方向上的分量，可用 Ms 表示，且有如下关系式表示，且有如下关系式 Ms = ms 式中式中 ms 为自旋量子数。为自旋量子数。 所以，描述一个电子的运动状态，要用四个量子数：所以，描述一个电子的运动状态，要用四个量子数： n ， l ， m ， ms 同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。25 例：例： 用四个量子数描述用四个量子数描述 n= 4，l = 3 的所有电子的运动状态。的所有电子的运动状态。 解：解：l = 3 对应的有对应的有 m = 0， 1， 2， 3， 共共 7 个值。个值。即有即有 7 条轨道。每条轨道中容纳两个自旋量子数分别为条轨道。每条轨道中容纳两个自旋量子数分别为 + 1/2 和和 -1/2 的自旋方向相反的电子，所以有的自旋方向相反的电子，所以有 2 7 = 14 个运动状态不同的个运动状态不同的电子。分别用电子。分别用 n ，l ， m ， m s 描述如下：描述如下： n l m m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/2 4 3 3 1/2 n l m m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/2 4 3 3 1/2 26原子结构综合知识原子结构综合知识 主量子数n1234567电子层符号KLMNOPQ角量子数l00 10 1 20 1 2 3轨道符号ss ps p ds p d f轨道名称1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f轨道个数11 31 3 51 3 5 7每层轨道总数14916每层最多容纳电子数28183227自然自然：科学家首次拍摄到电子运动系列照片：科学家首次拍摄到电子运动系列照片 一个欧洲研究小组首次成功使用阿秒激光脉冲观测分子里的电子运动。相关一个欧洲研究小组首次成功使用阿秒激光脉冲观测分子里的电子运动。相关研究发表在研究发表在2010.6.10出版的出版的自然自然（Nature）杂志上。）杂志上。 为理解化学反应，科学家必须知道分子中电子的行为。但由于电子运动速度太快，一直以来，为理解化学反应，科学家必须知道分子中电子的行为。但由于电子运动速度太快，一直以来，观测电子始终遭遇技术瓶颈。现在，一个由多国成员组成的欧洲研究小组在阿秒激光脉冲的帮观测电子始终遭遇技术瓶颈。现在，一个由多国成员组成的欧洲研究小组在阿秒激光脉冲的帮助下攻克了这一难题。助下攻克了这一难题。 20世纪世纪80年代以来，科学家借助飞秒激光的帮助研究分子和原子（年代以来，科学家借助飞秒激光的帮助研究分子和原子（1飞秒飞秒=10-15秒秒）；然而，）；然而，飞秒激光可以追踪到原子和分子的运动，却跟不上电子的运动。而飞秒激光可以追踪到原子和分子的运动，却跟不上电子的运动。而1阿秒是阿秒是10-18秒秒， 在在1阿秒内阿秒内光只走不到百万分之一毫米，也只有阿秒级激光才能光只走不到百万分之一毫米，也只有阿秒级激光才能“赶上赶上”分子内的电子。为产生这样短的分子内的电子。为产生这样短的激光脉冲，物理学家付出了巨大的努力，直到激光脉冲，物理学家付出了巨大的努力，直到2001年，年， 研究人员才首次成功研发出脉冲长度为研究人员才首次成功研发出脉冲长度为250阿秒的激光脉冲。现在，科学家终于成功用阿秒激光拍摄出了分子内阿秒的激光脉冲。现在，科学家终于成功用阿秒激光拍摄出了分子内“电子运动电子运动”的系列照的系列照片。片。 物理学家们最先研究的是氢分子，这是两个质子和两个电子构成的最简单的分子结构。研究物理学家们最先研究的是氢分子，这是两个质子和两个电子构成的最简单的分子结构。研究人人 员先用一个阿秒激光脉冲照射氢分子，使一个电子从分子中删除，分子被电离；然后再用红员先用一个阿秒激光脉冲照射氢分子，使一个电子从分子中删除，分子被电离；然后再用红外激光束将其剪为两部分，这样就可以观察到两个部分的电荷分配情况。外激光束将其剪为两部分，这样就可以观察到两个部分的电荷分配情况。 因为缺少一个电子，因为缺少一个电子，剪切后一部分呈中性，另一部分带正电，剩余的电子也就包含在了中性部分里，这就给研究人剪切后一部分呈中性，另一部分带正电，剩余的电子也就包含在了中性部分里，这就给研究人员有针对性地观测电子运动提供了可能。参与研究员有针对性地观测电子运动提供了可能。参与研究 的马克斯的马克斯玻恩非线性光学和光谱短脉冲研究玻恩非线性光学和光谱短脉冲研究所（所（MBI）主任马克）主任马克弗拉肯教授说：弗拉肯教授说：“我们的实验首次证明，通过阿秒激光我们的确有了能够我们的实验首次证明，通过阿秒激光我们的确有了能够观察分子中电子运动观察分子中电子运动 的能力。的能力。” 尽管欧洲团队的阿秒激光实验给科学家们带来了惊喜，但为了能更好地阐明他们的测量，马尽管欧洲团队的阿秒激光实验给科学家们带来了惊喜，但为了能更好地阐明他们的测量，马德德 里大学的一个理论研究小组又加入了该项目。他们花了里大学的一个理论研究小组又加入了该项目。他们花了150万小时万小时的电脑计算时间，带来了的电脑计算时间，带来了全新的发现。这些计算结果表明，该问题的复杂性远远大于以前的设全新的发现。这些计算结果表明，该问题的复杂性远远大于以前的设 想。研究人员表示：想。研究人员表示：“我我们还远没有解决问题，正如原先我们认为的，我们只打开一扇门，整个项目实际上会更加重要们还远没有解决问题，正如原先我们认为的，我们只打开一扇门，整个项目实际上会更加重要和有趣。和有趣。”28a, Photoexcitation of neutral hydrogen leads to the excitation of the Q1 (red) and Q2 (blue) doubly excited states and ionization to the 1sg and 2pu states, which can be followed by dissociation. R, internuclear distance; a.u., atomic unit Electron localization following attosecond molecular photoionizationG. Sansone,F. Kelkensberg,J. F. Prez-Torres,F. Morales,M. F. Kling,W. Siu,O. Ghafur,P. Johnsson,M. Swoboda, E. Benedetti,F. Ferrari,F. Lpine,J. L. Sanz-Vicario,S. Zherebtsov,I. Znakovskaya,A. LHuillier,M. Yu. Ivanov,M. Nisoli,F. Martn& M. J. J. Vrakking Nature,Volume:465,Pages:76376629a, Asymmetry caused by the interference of a wave packet launched in the 2pu state by direct EUV ionization or rapid ionization of the Q11u+ doubly-excited states by the infrared pulse and a wave packet in the 1sg state resulting from aut 30第三节第三节 多电子原子中电子的分布多电子原子中电子的分布 和元素周期系和元素周期系l多电子原子中电子的分布和核外电子分布式多电子原子中电子的分布和核外电子分布式 泡利（泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理 能量最低原理能量最低原理 洪特（洪特（Hund）规则）规则 全充满半充满规律全充满半充满规律l核外电子分布和元素周期系核外电子分布和元素周期系 311泡利不相容原理泡利不相容原理 Wolfgang Pauli190019581945年诺贝尔奖年诺贝尔奖1925年泡利根据实验结果提出：年泡利根据实验结果提出：v在同一个原子中不可能有四个量子在同一个原子中不可能有四个量子数完全相同的电子存在数完全相同的电子存在，这一规律，这一规律称为称为泡利不相容原理泡利不相容原理。v通俗地讲，通俗地讲，每一个原子轨道中最多每一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，而且这两个电只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方向必须相反子的自旋方向必须相反。32该原理解决了各层和各亚层所能容纳的电子数。该原理解决了各层和各亚层所能容纳的电子数。第一层第一层 n = 1 l = 0 m = 0 ms = 1/2第二层第二层 n = 2 l = 0 m = 0 ms = 1/2 l = 1 m = 0 ms = 1/2 m = 1 ms = 1/2 m = -1 ms = 1/2第三层可容纳第三层可容纳18个电子个电子332.能量最低原理能量最低原理 电子在原子轨道上的分布，总是电子在原子轨道上的分布，总是尽先排布尽先排布在能量最低的轨道中，然后依次排布在能量在能量最低的轨道中，然后依次排布在能量较高的轨道中，以便使整个原子的能量处于较高的轨道中，以便使整个原子的能量处于最低状态最低状态，这一规律称为，这一规律称为能量最低原理能量最低原理。34鲍林（鲍林（Pouling）近似能级图）近似能级图第一组第一组 1s第二组第二组 2s 2p第三组第三组 3s 3p第四组第四组 4s 3d 4p 第五组第五组 5s 4d 5p第六组第六组 6s 4f 5d 6p第七组第七组 7s 5f 6d 7p 其中除第一能级组只有其中除第一能级组只有一个能级外，其余各能级组一个能级外，其余各能级组均以均以 ns 开始，以开始，以 np 结束。结束。35莱纳斯莱纳斯鲍林鲍林（19011994），国际著名的理论化学家，国际著名的理论化学家，迄今为止惟一一位两次单独荣获诺贝尔奖的学者（迄今为止惟一一位两次单独荣获诺贝尔奖的学者（1954年的化学奖，年的化学奖，1962年的和平奖），被誉为年的和平奖），被誉为20世纪的科学世纪的科学怪杰怪杰 。36从鲍林近似能级图可以看出：从鲍林近似能级图可以看出：(1)角量子数相同时，轨道能级随主角量子数相同时，轨道能级随主量子数的增大而升高。如量子数的增大而升高。如1s2s3s；2p3p 4p；3d4d(2)主量子数相同时，轨道能级随角主量子数相同时，轨道能级随角量子数的增大而升高。如量子数的增大而升高。如4s4p4d 4f 。(3)主量子数和角量子数均不相同时，主量子数和角量子数均不相同时，有能级交错现象。有能级交错现象。 如如4s3d4p；5s4d5p；6s4f5d6p。37 鲍林能级图说明：鲍林能级图说明：（1）近似能级图是一归纳结果，不能完全反映情况，所以只有）近似能级图是一归纳结果，不能完全反映情况，所以只有近近似含义。似含义。（2）它原意是反映同一原子内各原子轨道间的相对高低，所以不）它原意是反映同一原子内各原子轨道间的相对高低，所以不能用它来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。能用它来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。（3）经进一步研究发现，近似能级图实际上只反映同一原子）经进一步研究发现，近似能级图实际上只反映同一原子外电外电子层子层中原子轨道能级的相对高低，而不一定能完全反映内电子层原中原子轨道能级的相对高低，而不一定能完全反映内电子层原子轨道能级的高低。子轨道能级的高低。（4）电子在某一轨道上的能量，实际与原子序数（核电荷）有关）电子在某一轨道上的能量，实际与原子序数（核电荷）有关。核电荷越多，对电子的吸引力越大。电子离核越近，使其所在较。核电荷越多，对电子的吸引力越大。电子离核越近，使其所在较高能量降得越低，轨道能级之间的相对高低，与近似能级图会有所高能量降得越低，轨道能级之间的相对高低，与近似能级图会有所不同。不同。38例：例： 1H：1s1； 3Li：1s22s1 ； 7N：1s22s22p3 ； 19K：1s22s22p63s23p64s1 ； 26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2； 35Br：1s22s22p63s23p63d104s24p5 393 3洪特规则洪特规则1s2s2pN原子原子1s22s22p3的轨道表示式：的轨道表示式：Friedrich Hermann Hund 1896 - 1997 洪特规则是电子在等价轨道上的排布规律。洪特规则是电子在等价轨道上的排布规律。 在简并轨道中，若电子不止一个，则它们尽可能分占不同的轨道，且在简并轨道中，若电子不止一个，则它们尽可能分占不同的轨道，且自旋平行自旋平行。这实际上也是能量最低原理的应用。因为这种情况下才能。这实际上也是能量最低原理的应用。因为这种情况下才能保证体系能量最低。保证体系能量最低。 40根据光谱实验得到的结果，可归纳出一个规律：根据光谱实验得到的结果，可归纳出一个规律： 等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，也即下列电子结构是比较稳定的：稳定的，也即下列电子结构是比较稳定的：v半充满半充满 p3、 d5 、 f7 v全充满全充满 p6 、 d10 、 f14v全全 空空 p0 、 d0 、 f04全充满半充满规律全充满半充满规律41因此，简并轨道全充满（如因此，简并轨道全充满（如 p6，d10、f 14和半充满（和半充满（如如p3、d5、f 7）或全空（）或全空（p0、d0、f 0）的状态都是能量较低的状态。）的状态都是能量较低的状态。这就造成这就造成24Cr的价层电子组态是的价层电子组态是3d54s1而而不是不是3d44s2，29Cu的价层电子组态是的价层电子组态是3d104s1，而不是，而不是3d94s2的原因。的原因。 42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43 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44 * Ar 原子实，表示原子实，表示 Ar 的的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3d，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 45 29 Cu Copper 铜铜 Ar 3d104s1 30 Zn Zinc 锌锌 Ar 3d104s2 31 Ga Gallium 镓镓 4s24p1 32 Ge Germanium 锗锗 4s24p2 33 As Arsenic 砷砷 4s24p3 34 Se Selenium 硒硒 4s24p4 35 Br Bromine 溴溴 4s24p5 36 Kr Krypton 氪氪 4s24p6 46离子的核外电子分布式离子的核外电子分布式Cl: 1s2 2s22p63s23p5； Cl-: 1s2 2s22p63s23p6; 3s23p6Ca: 1s2 2s22p63s23p6 4s2 ； Ca2+: 1s2 2s22p63s23p6; 3s23p6Cu: 1s2 2s22p63s23p6 3d104s1；Cu2+: 1s2 2s22p63s23p6 3d9; 3s23p6 3d9 Zn: 1s2 2s22p63s23p6 3d104s2；Zn2+: 1s2 2s22p63s23p6 3d10; 3s23p63d10 2电子构型：电子构型： Li+ / 1s28电子构型：电子构型： Cl- / 3s23p6 ; Na+ / 3s23p6 9-17电子构型：电子构型： Cu2+/ 3s23p63d9 ； Fe3+/ 3s23p63d5 18电子构型：电子构型： Zn2+/ 3s23p63d10 18+2电子构型：电子构型： Pb2+/ 5s25p65d106s2 ； Sn2+/ 4s24p64d105s2 失电子优先失去的是最外层电子失电子优先失去的是最外层电子47元素周期律元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。这个规律叫做元素周期律。48三元素说（1829年，德国化学家贝莱纳） 锂3钠11钾 19钙20锶88钡137氯17溴35碘127硫16硒 79碲128锰55铬52铁5649六元素表（ 1864年，德国迈耶尔） 50八音律八音律 （1865年，英国人纽兰兹）年，英国人纽兰兹） H 1F8 Cl 15CoNi 22Br 29Pd 36I 42PtIr 50Li 2Na 9K 16Cu 23Rb 30Ag 37Cs 44Os 51B 3Mg 10Ca17Zn 24Sr 31Cd 38Ba V 45Hg 52Bo 4Al 11Cr19Y 25CeLa 33U 40Ta 46Tl 51C 5Si 12Ti 18 In 26Zr 32Sn 39W 47Pb 54N 6P 13Mn 20As 27DiMo 34 Sb 41Nb 48Bi 55O 7 S 14Fe 21Se 28Ro Ru 35Te 43Au 49Os 5651门捷列夫元素周期表门捷列夫元素周期表52535455565758596061626364656667686970717273747576盲人用元素周期表777879808182IUPAC 元素命名法基本规则元素命名法基本规则原则上，只有原则上，只有IUPAC拥有对新的元素命名的权利。拥有对新的元素命名的权利。 IUPAC元素系统命名法是一种元素系统命名法是一种序数命名法序数命名法。这种命名法采用这种命名法采用连结词根连结词根的方法为新元素命名（词根的方法为新元素命名（词根见表格），每个词根代表一个数字。这些词根来源于见表格），每个词根代表一个数字。这些词根来源于拉丁数字和希腊数字的英语拼写法。拉丁数字和希腊数字的英语拼写法。具体的使用方法是：具体的使用方法是： 参照表格，假如新发现的是元参照表格，假如新发现的是元素周期表中的第素周期表中的第217号元素号元素，那么，这个元素的名称，那么，这个元素的名称按规则应是：按规则应是：2-1-7(bi-un-sept)，在英语中，词尾，在英语中，词尾-ium代表代表“元素元素”的意思，所以在的意思，所以在bi-un-sept的后面应的后面应加上加上-ium，得到第，得到第217 号元素的名称是号元素的名称是Biunseptium（首字母要大写），它的元素符号就是（首字母要大写），它的元素符号就是“2-1-7”三个三个词根的首字母缩写，即词根的首字母缩写，即Bus。8384858687888990用于研究新物质的粒子加速器用于研究新物质的粒子加速器911 元素的周期元素的周期 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，对应一个周期。共有七个能级组， 所以共有七个周期。所以共有七个周期。HHe1 第一周期：第一周期： 2 种元素种元素 第一能级组：第一能级组： 2 个电子个电子 1 个能级个能级 1s 1 个轨道个轨道 BeLiBCNOFNe2 第二周期：第二周期： 8 种元素种元素 第二能级组：第二能级组： 8 个电子个电子 2 个能级个能级 2s 2p 4 个轨道个轨道 92MgNaAlSiPSCl Ar3 第三周期：第三周期： 8 种元素种元素 第三能级组：第三能级组： 8 个电子个电子 2 个能级个能级 3s 3p 4 个轨道个轨道 K Ca ScTiVCr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr4YZr Nb Mo TcRh PdRuAg CdSrRbIn Sn Sb TeIXe5 第五周期：第五周期： 18 种元素种元素 第五能级组：第五能级组： 18 个电子个电子 3 个能级个能级 5s 4d 5p 9 个轨道个轨道 第四周期：第四周期： 18 种元素种元素 第四能级组：第四能级组： 18 个电子个电子 3 个能级个能级 4s 3d 4p 9 个轨道个轨道 93 第七周期：第七周期： 32 种元素种元素 第七能级组：第七能级组：32 个电子个电子 4 个能级个能级 7s 5f 6d 7p 16 个轨道个轨道 BaCs6sCe Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu4fLa Hf Ta W ReIrPtOsAu Hg5dTl Pb Bi Po At Rn6p 第六周期：第六周期： 32 种元素种元素 第六能级组：第六能级组： 32 个电子个电子 4 个能级个能级 6s 4f 5d 6p 16 个轨道个轨道 RaFr7sTh PaU Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr5fAc Rf Db Sg Bh Hs Mt UunUuuUub6d7pUuoUusUuhUupUuqUut94长式周期表的主表从左到右可分为长式周期表的主表从左到右可分为s区，区，d区，区，ds区，区，p区区4个区，有的教科书把个区，有的教科书把ds区归入区归入d区；副表区；副表(镧系和镧系和锕系锕系)是是f 区元素。区元素。sddspf95 s 区元素区元素 包括包括 IA 族，族，IIA族，价层电子组态为族，价层电子组态为 n s 1 2 ，属于活泼金属。属于活泼金属。 p 区元素区元素 包括包括 IIIA 族，族，IVA 族，族，VA 族，族，VIA 族，族，VIIA 族，族， 0 族族 （ VIIIA族族 ），价层电子组态为），价层电子组态为 ns 2 np 1 6 ，右，右上方为非金属元素，左下方为金属元素上方为非金属元素，左下方为金属元素 。 s 区和区和 p 区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中 s 电子数与电子数与 p 电子电子数之和。若和数为数之和。若和数为 8 ，则为则为 0 族元素，也称为族元素，也称为 VIII A 族。族。 价层电子是指排在稀有气体原子实后面的电子，在化学反应价层电子是指排在稀有气体原子实后面的电子，在化学反应中能发生变化的基本是价层电子。中能发生变化的基本是价层电子。96 d 区元素区元素 包括包括 III B 族，族，IV B 族，族，V B 族，族，VI B 族，族，VII B 族，族，VIII 族族 。价层电子组态一般为。价层电子组态一般为 ( n1 ) d 1 8 ns 2 ，为，为过渡金属。过渡金属。( n1 ) d 中的电子由不充满向充满过渡。第中的电子由不充满向充满过渡。第 4，5，6 周期的过渡元素分别称为第一，第二，第三过渡系列元素。周期的过渡元素分别称为第一，第二，第三过渡系列元素。 d 区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中 ( n1 ) d 的电子数与的电子数与 ns 的电子数之和；若和数大于或等于的电子数之和；若和数大于或等于 8，则为，则为 VIII 族元素族元素 。 ds 区元素价层电子组态为区元素价层电子组态为 ( n1 ) d 10 ns 1 2 。 有时将有时将 d 区和区和 ds 区定义为过渡金属区定义为过渡金属 。 ds 区元素的族数，等于价层电子中区元素的族数，等于价层电子中 ns 的电子数的电子数 。 f 区元素区元素 价层电子组态为价层电子组态为 ( n2 ) f 0 14 ( n1 ) d 0 2 ns 2 ，包括包括镧系和镧系和锕系锕系元素，元素，称为内过渡元素。称为内过渡元素。 ( n2 ) f 中的电子由不中的电子由不充满向充满过渡。充满向充满过渡。有时认为有时认为 f 区元素属于区元素属于 III B 族族 。97（五）元素周期系与核外电子分布的关系（五）元素周期系与核外电子分布的关系 1、周期、周期 如何根据核外电子分布确定元素在周期表中的周期数如何根据核外电子分布确定元素在周期表中的周期数?方法是：方法是：按填充顺序，最后一个电子填入的能级组序号，为该元素的周期数按填充顺序，最后一个电子填入的能级组序号，为该元素的周期数。 如如:35Br Ar3d104s24p5 ； 47Ag Kr4d105s1 显然：各周期内所含的元素种数与相应能级组内轨道所能容纳显然：各周期内所含的元素种数与相应能级组内轨道所能容纳的电子数相等。的电子数相等。 982、元素周期系中元素的分区：、元素周期系中元素的分区：根据元素原子价层电子构型的不同，可以把周期表中的元素所在根据元素原子价层电子构型的不同，可以把周期表中的元素所在位置分成位置分成s.p.d.ds和和f五个区。五个区。3、族（主族、副族）：、族（主族、副族）：按传统习惯，周期系分为按传统习惯，周期系分为7个主族（个主族（A），），7个副族（个副族（B）及第）及第族族，零族。，零族。 99确定方法：按电子填充顺序，最后一个电子进入的情况决定，有确定方法：按电子填充顺序，最后一个电子进入的情况决定，有如下具体情况：如下具体情况：(1)进入ns(ns 122其中1s 除外) ，为、A A(2)进入np 615为npAAnp2(含1s ） 为零族元素(3)进入(n-1)d(n-1)d(n-1)d(n-1)d156810为BB为B、 BB为族数=(n-1)d+ns电子总数族数=(ns+np)电子总数族数=ns的电子数(4)进入(n-2)f 5fAc系元素4fLa系元素B属s区元素属p区元素属d区元素属ds区元素属f区元素说明：说明：1986年年IUPAC推荐了族的新表示法，即每一纵行为一族推荐了族的新表示法，即每一纵行为一族共共18族，考虑到族，考虑到“族族”的旧表示法仍有许多优势，所以我们仍的旧表示法仍有许多优势，所以我们仍用这种旧表示法。用这种旧表示法。100 第四节第四节 原子性质的周期性原子性质的周期性 原子的电子层结构随核电荷的递增呈现周期性变化，影响到原原子的电子层结构随核电荷的递增呈现周期性变化，影响到原子的某些性质，如原子半径、电离能、电子亲合能和电负性等，也子的某些性质，如原子半径、电离能、电子亲合能和电负性等，也呈周期性变化。呈周期性变化。（一）原子半径（一）原子半径 原子没有鲜明的界面，所以原子半径是根据原子存在的不同形原子没有鲜明的界面，所以原子半径是根据原子存在的不同形式来定义，常用的有以下三种：式来定义，常用的有以下三种：（1）共价半径共价半径：两相同原子形成共价键时，其核间距的一半，：两相同原子形成共价键时，其核间距的一半，称原子的共价半径，如称原子的共价半径，如ClCl核间距为核间距为198pm，rCl=99pm 。有共价。有共价单键、双键、叁键。未说明时，通常指共价单键半径。单键、双键、叁键。未说明时，通常指共价单键半径。（2）金属半径金属半径：金属单质的晶体中，两相邻金属原子核间距离：金属单质的晶体中，两相邻金属原子核间距离的一半，称金属原子的金属半径，如的一半，称金属原子的金属半径，如dCu-Cu=256pm，rCu=128pm。 （3）范德华半径范德华半径：在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如：在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半，称该原子的范德华半径。如稀有气体相邻两原子核间距的一半，称该原子的范德华半径。如dNe-Ne=320pm , rNe=160pm。101原子半径变化规律：原子半径变化规律：（1）周期：）周期：主族主族：由左向右，随核电荷的增加，原子共价半径：由左向右，随核电荷的增加，原子共价半径的变化趋势总的是减少的。的变化趋势总的是减少的。d区区：由左向右，随核电荷的增加，原子半径会略有减少，从：由左向右，随核电荷的增加，原子半径会略有减少，从IB起略有增大。起略有增大。这是由于这是由于(n1)d轨道的充满，较为显著地抵消核电荷对外层轨道的充满，较为显著地抵消核电荷对外层ns电子的引力。电子的引力。f区区：内过渡元素，由于电子增加在：内过渡元素，由于电子增加在(n2)f轨道，半径减小的幅轨道，半径减小的幅度比度比d区更小，从区更小，从La到到Lu共经过共经过15种元素，原子半径仅收缩了种元素，原子半径仅收缩了12pm左右，左右，La系收缩影响很大，使系收缩影响很大，使La后第六周期元素与上周期同后第六周期元素与上周期同族元素半径接近。族元素半径接近。（2）族：）族：主族主族，从上到下，从上到下，r显著增大。显著增大。副族副族除除Sc副族外从上副族外从上到下一般略增大，第五、六周期元素半径接近。到下一般略增大，第五、六周期元素半径接近。r对性质的影响对性质的影响：r越大，越易失电子；越大，越易失电子；r越小，越易吸电子。但越小，越易吸电子。但必须注意，难失电子不一定易得电子，如稀有气体，得失电子都不必须注意，难失电子不一定易得电子，如稀有气体，得失电子都不易（即还与电子层结构有关）。易（即还与电子层结构有关）。102原子半径103104105 (二）电离能（二）电离能（I）和电子亲合能（）和电子亲合能（EA）：）：I衡量失电子难易；衡量失电子难易；EA得电子难易得电子难易1、电离能（、电离能（I）气态原子失电子变成气态阳离子（即电离）克服核电荷的引力所需要的能量，单气态原子失电子变成气态阳离子（即电离）克服核电荷的引力所需要的能量，单位：位：kJmol-1。从基态（能量最低状态）中性气态原子失去从基态（能量最低状态）中性气态原子失去1个电子形成气态个电子形成气态“+1”氧化值阳离子氧化值阳离子所须能量，称所须能量，称I1。依次类似有。依次类似有I2等。等。 如：如： Mg(g)-e-Mg+(g) I1=H1=783kJmol-1 Mg+(g)-e-Mg2+(g) I2=H2=1451kJmol-1显然显然I值越大，失电子越难，因此可用于衡量失电子难易。值越大，失电子越难，因此可用于衡量失电子难易。I的变化规律：的变化规律：（1）周期：）周期：主族主族，从左到右，从左到右，I1渐增大；渐增大；过渡元素族过渡元素族，不十分规律；，不十分规律；（2）族：）族：主族主族，从上到下，从上到下，I1渐减少（原子半径增大）；渐减少（原子半径增大）；过渡元素过渡元素略增大（核电略增大（核电荷起较显著作用，荷起较显著作用，r增加不多）。增加不多）。注意注意：I只能衡量气态原子失电子变为气态离子的难易，至于金属在溶液中发生化只能衡量气态原子失电子变为气态离子的难易，至于金属在溶液中发生化学反应形成阳离子的影响，应根据电极电势来估量。学反应形成阳离子的影响，应根据电极电势来估量。106HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFe CoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaCePrNdPmSm EuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcThPaU3711151923HBeNNeAlSKTiMnNiGaSeRbZrTcPdInTeCsCePmGdHoYbTaOsAuPbAtRaPa电离能/ e V电离能/ e V107 2、电子亲合能（、电子亲合能（EA） 基态的中性气态原子得到一个电子形成气态基态的中性气态原子得到一个电子形成气态-1氧化值阴离子所氧化值阴离子所放出的能量，称原子的放出的能量，称原子的EA1 。 如如 O(g)+e-O-(g) = -141kJmol-1 一般为负值，因电子落入中性原子的核场里，势能降低，体一般为负值，因电子落入中性原子的核场里，势能降低，体系能量减小，唯稀有气体（系能量减小，唯稀有气体（ns2np6）和）和IIA原子（原子（ns2）最外电子亚）最外电子亚层已全充满，需加合一个电子，环境必须对外做功，即体系吸收能层已全充满，需加合一个电子，环境必须对外做功，即体系吸收能量，此时，量，此时， 为正值，因环境要对体系做功。为正值，因环境要对体系做功。所有所有EA2都均为正值。都均为正值。 显然，显然， 代数值越小，原子越易得电子。代数值越小，原子越易得电子。变化规律变化规律：无论是周期或族中，主族元素的：无论是周期或族中，主族元素的 的代数值一般都是的代数值一般都是随着原子半径减小而减小的。随着原子半径减小而减小的。同周期从左到右同周期从左到右 总的是（代数值总的是（代数值）减小的（因）减小的（因r减小）。主族从上到下，减小）。主族从上到下， 总的趋势是增大的（用总的趋势是增大的（用r增大）。增大）。注意：注意：I和和 仅表示孤立气态原子或离子得失电子的能力。仅表示孤立气态原子或离子得失电子的能力。)()(2gOegO1AE1AE1AE1AE1AE1AE1AE1AE17802molkJEA108109（三）电负性（三）电负性（ ）：）：分子中元素原子吸引电子的能力分子中元素原子吸引电子的能力 某原子难失电子，不一定易得电子，为了能比较全面地描述不某原子难失电子，不一定易得电子，为了能比较全面地描述不同元素原子在分子中对成键电子吸引的能力，鲍林提出了电负性的同元素原子在分子中对成键电子吸引的能力，鲍林提出了电负性的概念。他指定概念。他指定(F)=4.0，然后通过计算得到其它元素原子，然后通过计算得到其它元素原子值。电负值。电负性性()越大，表示它的原子在分子中吸引成键电子的能力键强。越大，表示它的原子在分子中吸引成键电子的能力键强。变化规律：变化规律：（1）同周期：从左到右，）同周期：从左到右，渐增大。渐增大。 （2）同族：主族：从上到下，）同族：主族：从上到下， 渐减小；渐减小； 副族：从上到下：副族：从上到下：IIIB-VB，渐减小；渐减小； IB-IIB，变大。变大。说明
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