化学原理3原子结构4PPT课件

元素的性质主要取决于原子的电子层结构，尤元素的性质主要取决于原子的电子层结构，尤其是价层电子结构，所以元素周期表明确地反其是价层电子结构，所以元素周期表明确地反映了元素的性质随原子序数的增加呈周期性的映了元素的性质随原子序数的增加呈周期性的变化规律。变化规律。第1页/共38页第2页/共38页第3页/共38页第4页/共38页第5页/共38页由于能级交错，第六周期电子排布顺序是：由于能级交错，第六周期电子排布顺序是： 6s1-24f1-14 5d1-10 6p1-6第七周期电子排布顺序是：第七周期电子排布顺序是： 7s1-2 5f1-14 6d1-10 未完未完 第六周期中，从第六周期中，从58号号71号号的的14个元素，其中最后个元素，其中最后一个电子填满一个电子填满 4f 轨道，这些元素和轨道，这些元素和La称为称为镧系元素镧系元素。 第七周期中，从第七周期中，从90号号103号号的的14个元素，其中最后个元素，其中最后一个电子填满一个电子填满 5f 轨道，这些元素和轨道，这些元素和Ac称为称为锕系元素锕系元素。 这两组元素的最后一个电子排布在这两组元素的最后一个电子排布在 (n-2)f 轨道，称轨道，称为为内过渡元素内过渡元素。第6页/共38页第7页/共38页f 区元素：区元素：金属金属，原子最外层的，原子最外层的 s 电子，次外层的电子，次外层的d电子，外电子，外数第三层的部分或全部数第三层的部分或全部f电子参与反应。例：电子参与反应。例：CeO2中中Ce原子原子失去失去2个个 6s 电子，电子，1个个 5d 电子和电子和1个个 4f 电子。电子。s 区元素：区元素：活泼金属活泼金属，易失去最外层，易失去最外层 s 亚层的亚层的1个或个或2个电子形个电子形成正离子。成正离子。p 区元素：区元素：稀有气体，非金属，半导体稀有气体，非金属，半导体，只有最外层的，只有最外层的 s和和 p 电子参与反应成键。电子参与反应成键。(8-N) 规则：族序号为规则：族序号为 N 的元素，其原子一般可提供的元素，其原子一般可提供 (8-N) 个电子与个电子与 (8-N) 个邻近原子形成具有个邻近原子形成具有 (8-N) 个共个共价键的分子。例价键的分子。例 VA 的白磷分子为的白磷分子为 P4，每个磷与另外，每个磷与另外 (8-5)3个个 P原子以共价单键连结。原子以共价单键连结。d 区元素：区元素：金属金属，原子最外层的，原子最外层的s电子，电子， 部分或全部次外层部分或全部次外层的的 d 电子参与反应。如：电子参与反应。如：Cr3+是是2个个 3d 电子和电子和1个个 4s 电子电子参与反应形成的。参与反应形成的。过渡元素：过渡元素：d区元素区元素 + ds区元素区元素第8页/共38页第9页/共38页 凡是最后一个电子填入凡是最后一个电子填入 ns 或或 np 轨道的都是轨道的都是主族元素，其价电子的总数等于其族数。主族元素，其价电子的总数等于其族数。例：例： 元素元素 S ，原子序数，原子序数16 核外电子排布核外电子排布：1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 价电子为价电子为 3s2 3p4 或写作或写作 Ne 3s2 3p4S 是主族元素，第六主族是主族元素，第六主族族数族数 = 最外层电子数最外层电子数 = 最高氧化数最高氧化数(O、F除外除外)第10页/共38页 IIIBVIIB族元素族元素 (d区区)：族数：族数 = 价电子价电子 (最外最外层和次外层电子层和次外层电子) 总数；总数； IB和和IIB族元素族元素 (ds区区) ：族数：族数 = 最外层电子数最外层电子数例：Mn，原子序数25电子构型： 1s2 2s22p6 3s23p6 3d5 4s2 Ar 3d54s2 VIIB族族 电子构型：1s22s22p63s23p64s23d104p64d105s2 Kr 4d105s2 IIB族族 凡最后一个电子填入凡最后一个电子填入 (n-1)d 或或 (n-2)f 轨道轨道上的元素都属于副族上的元素都属于副族 (过渡元素过渡元素)。 Cd，原子序数48第11页/共38页 同一主族内，虽然不同元素的原子电子层同一主族内，虽然不同元素的原子电子层数是不同的，然而都有相同的外层电子数。数是不同的，然而都有相同的外层电子数。如如 IA 为为 ns1，VIIA 为为 ns2np5 同一副族内，各元素原子的电子层虽不同，同一副族内，各元素原子的电子层虽不同，但它们最外层的但它们最外层的 ns 和次外层和次外层 (n-1)d 能级上能级上的电子数的电子数之和之和相同。第相同。第 VIII族元素的原子族元素的原子结构没有这么明显的规律结构没有这么明显的规律。第12页/共38页例题：具有如下价电子的元素，它们属于哪例题：具有如下价电子的元素，它们属于哪一族或哪一种元素？一族或哪一种元素？1. 具有具有3个个p电子；电子；2. 3d轨道全满，轨道全满，4s轨道上有轨道上有2个电子；个电子；3. 有两个有两个n = 4、l = 0的电子，的电子，8个个n = 3、l = 2的电子。的电子。1. VA族元素族元素2. Zn (3d104s2)3. Ni (3d84s2)第13页/共38页 原子电子层结构的周期性变化，导致了原子电子层结构的周期性变化，导致了与原子结构有关的，与原子结构有关的，影响甚至决定元素的性影响甚至决定元素的性质质一些原子参数，如：原子半径、电离能、一些原子参数，如：原子半径、电离能、电子亲合能、电负性等性质出现显著的周期电子亲合能、电负性等性质出现显著的周期变化规律。变化规律。第14页/共38页 严格地讲，由于电子云没有边界，原子半严格地讲，由于电子云没有边界，原子半径也就无一定数。迄今所有的原子半径都是在径也就无一定数。迄今所有的原子半径都是在结合状态下测定的。结合状态下测定的。 适用于非金属元素，适用于非金属元素，测定同种元素的两个原测定同种元素的两个原子以共价单键连接时，子以共价单键连接时，它们核间距离的一半。它们核间距离的一半。共价半径共价半径第15页/共38页范德华半径范德华半径 当同种元素的两个原子只靠范德华力当同种元素的两个原子只靠范德华力 (分分子间作用力子间作用力) 相互吸引时，其核间距的一半，相互吸引时，其核间距的一半，称为范德华半径称为范德华半径(如如 He, Ar)。金属半径金属半径 适用于金属元素，在金适用于金属元素，在金属晶格中，相邻原子核间距属晶格中，相邻原子核间距离的一半。离的一半。第16页/共38页原子半径原子半径 (pm)Li123Be89Mg 136Na154Ca174K203Rb216Sr191Ba198Cs235Sc144Mo130Cr118Mn 117Tc127Re128Os126Ru125Fe117Co116Rh125Ir127Pt130Pd128Ni115Cu117Ag134Au134Hg144Cd148Zn125Ti132V122Nb134Y162Hf144Ta134W130Lu158Zr145B82C77N70O66F64Al118Si117P110 S104Cl99Ge122Ga126Tl148In144Br114As121Se117Sn140Sb141Te137I133Bi146Pb147 各周期末尾稀有气体的半径较大，是范德各周期末尾稀有气体的半径较大，是范德华半径所致。华半径所致。第17页/共38页 总趋势：总趋势：随着原子序数的增大，原子半径随着原子序数的增大，原子半径自左至右减小。自左至右减小。 解解 释释: 电子层数不变的情况下，有效核电电子层数不变的情况下，有效核电荷的增大导致核对外层电子的引力增大。荷的增大导致核对外层电子的引力增大。第18页/共38页主族元素：电子逐个填加在最外层，对原最外层上电子的屏主族元素：电子逐个填加在最外层，对原最外层上电子的屏蔽常数小，有效核电荷蔽常数小，有效核电荷 (Z*) 迅速增大。迅速增大。过渡元素：电子逐个填加在次外层，增加的电子对原来最外过渡元素：电子逐个填加在次外层，增加的电子对原来最外层上电子的屏蔽较强，有效核电荷增加较小。层上电子的屏蔽较强，有效核电荷增加较小。内过渡元素：电子逐个填加在倒数第三层，增加的电子对原内过渡元素：电子逐个填加在倒数第三层，增加的电子对原来最外层上电子的屏蔽很强，有效核电荷增加甚小。来最外层上电子的屏蔽很强，有效核电荷增加甚小。主族元素主族元素 过渡元素过渡元素 内过渡元素内过渡元素相邻元素原子半径的减小幅度：相邻元素原子半径的减小幅度：l主族元素：主族元素： 从左向右，逐渐减小，其中短周期：平从左向右，逐渐减小，其中短周期：平均幅度均幅度10 pm。l过渡元素：过渡元素：半径减小的幅度较为缓慢，平均幅度半径减小的幅度较为缓慢，平均幅度 4 pm，全充满时，原子半径略有增加。，全充满时，原子半径略有增加。l内过渡元素：内过渡元素：半径减小的幅度更为缓慢，镧系半径减小的幅度更为缓慢，镧系15个个元素平均减小元素平均减小 1 pm。第19页/共38页主族元素的原子半径变化趋势主族元素的原子半径变化趋势第20页/共38页镧系收缩效应镧系收缩效应从从 La 到到 Lu，15个元素共减小个元素共减小11pm。1. 内部效应：镧系中相邻元素的半径十分接近，用内部效应：镧系中相邻元素的半径十分接近，用普通的化学方法将很难分离。普通的化学方法将很难分离。2. 外部效应：使第外部效应：使第5、6两周期的同族过渡元素性质两周期的同族过渡元素性质极为相似，往往导致在自然界共生，而且相互分极为相似，往往导致在自然界共生，而且相互分离不易。离不易。1. 同族元素原子半径自上而下增大：电子层依次增加，同族元素原子半径自上而下增大：电子层依次增加，有效核电荷的影响退居次要地位。有效核电荷的影响退居次要地位。2. 第第6周期过渡元素周期过渡元素 (如如Hf、Ta) 的原子半径与第的原子半径与第5周周期同族元素期同族元素 (如如Zr、Nb) 相比几乎没有增大，这是相比几乎没有增大，这是镧系收缩的重要效应之一。镧系收缩的重要效应之一。第21页/共38页 1 mol 基态的气态原子失去基态的气态原子失去1个电子成为个电子成为+1价价气态离子所需的能量，为该元素气态离子所需的能量，为该元素第一电离能第一电离能( I1 )。 从从1 mol的的+1价气态离子再失去一个电子成价气态离子再失去一个电子成为为+2价气态离子所吸收的能量，为该元素的价气态离子所吸收的能量，为该元素的第第二电离能二电离能( I2 )，依此类推。，依此类推。同一元素的原子：同一元素的原子： I1 I2 I3 I4 -112-1223-13Li(g)Li (g) 520.2 kJ molLi (g)Li(g) 7298.1 kJ molLi(g)Li (g) 11815 kJ mole Ie Ie I第22页/共38页同族总趋势：同族总趋势： 主族元素自上至下减小，与原子半径增大的趋主族元素自上至下减小，与原子半径增大的趋 势一致。势一致。同周期总趋势：同周期总趋势： 自左至右增大，与原子半径减小的趋势一致。自左至右增大，与原子半径减小的趋势一致。第23页/共38页影响电离能大小的因素：影响电离能大小的因素：1. 与原子的核电荷数、原子半径有关与原子的核电荷数、原子半径有关同一周期，自左向右，电子层数相同，核电荷数增加，半同一周期，自左向右，电子层数相同，核电荷数增加，半径减小，最外层电子数逐个增多，电离能随之增大。径减小，最外层电子数逐个增多，电离能随之增大。IA 的的 I1 最小，稀有气体的最小，稀有气体的 I1 最大。最大。过渡元素，由于电子加到次外层，有效核电荷增加不多，过渡元素，由于电子加到次外层，有效核电荷增加不多，原子半径减小缓慢，电离能仅略有增加。原子半径减小缓慢，电离能仅略有增加。在同一主族中，从上到下，最外层电子数相同，电子层数在同一主族中，从上到下，最外层电子数相同，电子层数增加，半径增大，电离能也随之减小。增加，半径增大，电离能也随之减小。2. 与电子的构型有关与电子的构型有关 半充满、全充满的轨道具有较稳定的结构，半充满、全充满的轨道具有较稳定的结构，因此具有较大的电离能。因此具有较大的电离能。第24页/共38页 1 mol 的基态气态原子，得到电子生成的基态气态原子，得到电子生成 -1 价气态负离子时所放出的能量，称为该元素的价气态负离子时所放出的能量，称为该元素的第一电子亲合能第一电子亲合能 (E1)。-11-11-11F(g)F (g) 328 kJ molCl(g)Cl (g) 349 kJ molO(g)O (g) 141 kJ moleEeEeEX(g)X (g)e第25页/共38页 元素元素 1 mol 的的-1 价气态负离子，得到电子价气态负离子，得到电子生成生成 -2 价气态负离子时所放出的能量，称为该价气态负离子时所放出的能量，称为该元素的元素的第二电子亲合能第二电子亲合能 E2。 一般元素的第二亲合能为负值一般元素的第二亲合能为负值 (即此过程为即此过程为吸收能量吸收能量)，因为负离子在得到电子需要吸收能，因为负离子在得到电子需要吸收能量来克服电子之间的排斥力。量来克服电子之间的排斥力。-2X (g)X(g)e-2-11O (g)O (g) 844.2 kJ moleE 第26页/共38页电子亲合能的大小反映了原子得到电子的难易：电子亲合能的大小反映了原子得到电子的难易： 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，核对电小，核对电子引力大，结合电子释放的能量多，电子亲合能子引力大，结合电子释放的能量多，电子亲合能 E 大。电子亲合能越大，原子得到电子变成负离子的大。电子亲合能越大，原子得到电子变成负离子的倾向越大，非金属性也越强。倾向越大，非金属性也越强。第27页/共38页 元素的电负性是指原子在分子中对成键电元素的电负性是指原子在分子中对成键电子吸引力子吸引力相对相对大小的量度。大小的量度。 鲍林鲍林(pauling)电负性：电负性： 1932年，年，Pauling首先提出用电负性表示首先提出用电负性表示一个元素的原子在分子中吸引电子的能力，并一个元素的原子在分子中吸引电子的能力，并规定规定 F 的电负性约为的电负性约为4.0，其它元素与，其它元素与 F 相比，相比，得出相应的数据。得出相应的数据。第28页/共38页 一般地说，金属元素的电负性在一般地说，金属元素的电负性在2.0 以以下，非金属元素的电负性在下，非金属元素的电负性在2.0 以上。以上。第29页/共38页 同一周期中，从左到右元素的电负性增大，同一周期中，从左到右元素的电负性增大，元素的非金属性变强。同一主族中，从上到下元素的非金属性变强。同一主族中，从上到下元素的电负性减小，副族元素电负性没有明显元素的电负性减小，副族元素电负性没有明显的变化。的变化。第30页/共38页马利肯马利肯(Muliken)法：法：M1()2IEI、E：分别为元素：分别为元素 M 的电离能和电子亲合能的电离能和电子亲合能计算公式：计算公式：ALiA1.0()()IEIE第31页/共38页思考与回顾思考与回顾 两种原子的电子组态为两种原子的电子组态为 He2s1 和和 He2s2，加入的电子进入加入的电子进入 Li 的的 2s 轨道，但对轨道，但对 Be 而言必须而言必须进入进入 2p 轨道，核对轨道，核对 2p 轨道上的电子束缚较松。轨道上的电子束缚较松。1、解释、解释 S 的第一电离能为什么小于的第一电离能为什么小于 P。P：Ne3s23px13py13pz1 S：Ne3s23px23py13pz1 S原子的电子有两个处于同一个原子的电子有两个处于同一个3p轨道，紧轨道，紧密的接近引起强烈排斥，使核电荷更多被抵消。密的接近引起强烈排斥，使核电荷更多被抵消。2、解释、解释 Cl 的第一电离能为什么小于的第一电离能为什么小于 F。3、解释、解释 Be 的核电荷大于的核电荷大于Li，但电子亲和势却较小。，但电子亲和势却较小。4、解释、解释 N 的电子亲和势小于的电子亲和势小于 C 的原因。的原因。第32页/共38页思考题思考题1、解释氢原子为什么是线状光谱？、解释氢原子为什么是线状光谱？Bohr 理论对氢原理论对氢原子光谱的解释，理论的意义和局限性。子光谱的解释，理论的意义和局限性。2、微粒运动的特点及其实验证据。、微粒运动的特点及其实验证据。3、利用、利用 de Broglie 关系式计算物质波的波长关系式计算物质波的波长4、如何理解、如何理解 “s 电子云是球形对称的电子云是球形对称的”。5、“氢原子的氢原子的1s 电子于核外出现的概率最大的地方在电子于核外出现的概率最大的地方在离核离核52.9 pm 的球壳上，所以的球壳上，所以1s电子云的界面图的半径电子云的界面图的半径也是也是52.9 pm”，这句话对么？，这句话对么？(1)子弹质量子弹质量10 g，速度，速度1000 m/s(2)电子质量电子质量9.1 10-31 kg，运动速度，运动速度5.9 105 m/s第33页/共38页6、为什么说、为什么说 p 轨道有方向性，轨道有方向性，d 轨道是否有方向性。轨道是否有方向性。7、量子力学如何描述原子中电子的运动状态？一个原子、量子力学如何描述原子中电子的运动状态？一个原子轨道要用哪几个量子数来描述？各量子数的物理意义和轨道要用哪几个量子数来描述？各量子数的物理意义和其取值的要求。量子力学的原子轨道与其取值的要求。量子力学的原子轨道与 Bohr 原子轨道原子轨道的区别是什么？的区别是什么？8、以、以2p (n = 2，l = 1) 为例，为例，(1) 指出波函数指出波函数 (2,1) 的径的径向分布函数向分布函数 D(r) 概率密度、电子云界面图等概念有何概率密度、电子云界面图等概念有何区别？区别？(2) 原子轨道角度分布和电子云角度分布的含义原子轨道角度分布和电子云角度分布的含义的不同。其图象的区别在哪里？的不同。其图象的区别在哪里？9、Cotton 原子轨道能级图与原子轨道能级图与 Pauling 近似能级图的区别。近似能级图的区别。10、什么是钻穿效应、屏蔽效应？如何解释原子的、什么是钻穿效应、屏蔽效应？如何解释原子的 M 电电子层最多可容纳子层最多可容纳18个电子，但第三周期只有个电子，但第三周期只有8中元素。中元素。第34页/共38页11、构造原理的主要内容。、构造原理的主要内容。12、主族元素和过渡元素的原子半径随原子序数的增加，、主族元素和过渡元素的原子半径随原子序数的增加，在周期表中由上到下和由左到右呈什么规律？当原子失去在周期表中由上到下和由左到右呈什么规律？当原子失去电子变成正离子和得电子变成负离子时，半径分别有什么电子变成正离子和得电子变成负离子时，半径分别有什么变化？变化？13、F-离子与离子与 Ne 原子都具有原子都具有8个价电子，它们的电离能有个价电子，它们的电离能有无区别？无区别？14、解释为什么、解释为什么 H 的第一电离能比的第一电离能比Na第一电离能大得多。第一电离能大得多。15、电子亲和能为什么有正有负？、电子亲和能为什么有正有负？第35页/共38页16、判断正误、判断正误(1) 价电子层排布为价电子层排布为ns1的元素都是碱金属元素的元素都是碱金属元素(2) 第第VIII族元素的价电子层排布为族元素的价电子层排布为(n-1)d6ns2(3) 第一过渡系元素的原子填充电子时是先填第一过渡系元素的原子填充电子时是先填3d然后然后4s，所以，所以失去电子时，也是按这个次序失去电子时，也是按这个次序(4) 因为镧系收缩，第六周期元素的原子半径全比第五周期同因为镧系收缩，第六周期元素的原子半径全比第五周期同族元素半径小族元素半径小(5) O(g) + e- O-(g)， O- (g) + e- O2-(g) 都是放热过程都是放热过程(6) 氟是最活泼的非金属元素，故其电子亲和能有最大的负值氟是最活泼的非金属元素，故其电子亲和能有最大的负值(7) 金属原子的电离能定义是以固态为始态。金属原子的电离能定义是以固态为始态。1717、衡量原子中吸引电子能力大小是否可用电离能表示？应该、衡量原子中吸引电子能力大小是否可用电离能表示？应该用什么表示，为什么？用什么表示，为什么？第36页/共38页作业作业 无机化学无机化学 ：118页页14第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页