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2020/5/27,第4章物质结构基础,4.1原子结构理论的发展(自学),4.2原子结构的近代概念,4.3化学键和分子结构,4.4晶体结构,1,2020/5/27,本章的重要知识点：1、四个量子数；2、核外电子排布式；3、元素周期表；4、化学键（离子、金属、共价键杂化轨道）；5、分子间力和氢键；6、晶体类型（离子、分子、原子、金属晶体）。,2,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,式中:-波函数;E-电子的能量;V-原子核对电子的吸引能;m-电子的质量;h-普朗克常数;x、y、z为电子的空间坐标.,2,4.2.1核外电子的运动状态,1926年薛定谔提出了描述微观粒子运动的方程:,1.波函数,求解此方程可得到波函数.但欲求得合理的波函数,还需引入四个参数,即四个量子数.,3,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,2.四个量子数,(1)主量子数(n),主量子数用来描述电子离核远近及其能量高低.(“电子层”),n值:1、2、3、4、5、6、7正整数.n值的符号:K、L、M、N、O、P、Q,同一电子层:同一原子内,主量子数n相同的电子处于同一电子层中.,4,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,l值:012345l值符号:形状:,s,球形,当n值相同时,各亚层的能量相对高低为:nsnpndnf.,l取值:,n值确定后,l=0,1,(n-1)正整数.,p,d,f,g,h,哑铃形,花瓣形,(2)角量子数(l):n值相同时(同一电子层),电子云形状有所不同,能量稍有差别.角量子数用于描述电子云的不同形状.(“电子亚层”),同一亚层:主量子数n和角量子数l都相同的电子处于同一亚层中.例如:n=2,l=0状态的两个电子,就是2s亚层中的两个电子；n=2,l=1状态的两个电子,就是2p亚层中的两个电子.,例如:n=1,则l=0,表示第一电子层中的1s亚层；n=2,则l=0,1.表示第二电子层中的2s和2p亚层.n=3,则l=0,1,2.表示第三电子层中的3s、3p和3d亚层.,5,2020/5/27,(3)磁量子数(m),m取值:,当l值确定后,m=0,1,2l;即-l.0.+l,共(2l+1)个数值.表示该亚层有(2l+1)个原子轨道.,4.2原子结构的近代概念,如:l=0(s亚层)时,m=0,表明s亚层有1个原子轨道;l=1(p亚层)时,m=0,1,表明p亚层有3个原子轨道.,磁量子数用于描述原子轨道的空间伸展方向和个数,l=2(d亚层)时,m=0,1,2,表明d亚层有5个原子轨道;l=3(f亚层)时,m=0,1,2,3,表明f亚层有7个原子轨道.,l值相同的电子,具有确定的电子云形状,但可以有不同,的空间伸展方向,每一个空间伸展方向代表一个原子轨道.,6,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(4)自旋量子数(ms):自旋量子数用于描述原子轨道中电子的自旋状态.,电子的自旋状态有两种:顺时针方向和逆时针方向ms值只有2个：+1/2,-1/2.通常用“”“”表示.若两个电子自旋方向相同:或;若两个电子自旋方向相反:.自旋相反的两个电子互相吸引.,同一个原子轨道中,最多只能够容纳2个自旋方向相反的电子,这两个电子就称为成对电子。,描述电子的运动状态必须用四个量子数(n、l、m、ms).,7,2020/5/27,同一原子中,不可能存在运动状态(n、l、m、ms)完全相同的两个电子.或者说,每个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子.,4.2原子结构的近代概念,保里不相容原理:,即使两个电子处于同一电子层、同一亚层的同一个原子轨道中(n、l、m都相同),也必须自旋相反(ms不同).,8,2020/5/27,2n2281832,4.2原子结构的近代概念,电子层最大容量原理:每个电子层最多容纳的电子总数为2n2,磁量子数m0000000000(2l+1)个1111112223轨道数目:1131351357,角量子数l0010120123,主量子数n1234,9,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题1】指出n=2,l=1,m=0,ms=+1/2所表示的意义.,【例题2】当n=3时,l,m,ms可能的取值有那些?,解:当n=3时,l=0,1,2;m=0,1,2;ms=+1/2,-1/2.,解:它表示第2电子层p亚层中m=0的原子轨道上以(+1/2)为自旋特征的那个电子.,10,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题4】下列描述核外电子运动状态的四个量子数(n,l,m,ms)不合理的是那些?(),A.n=3,l=1,m=-1,ms=+1/2B.n=2,l=2,m=0,ms=+1/2C.n=3,l=1,m=-2,ms=-1/2D.n=4,l=2,m=-1,ms=+1/2,B,C,【例题3】写出下列各组量子数中缺少的量子数。(1)n=3,l=?,m=-2,ms=+1/2.(2)n=4,l=1,m=?,ms=?,解:(1)l=2;(2)m=0或1,-1;ms=+1/2或-1/2.,11,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题5】当主量子数n=4时,有几个能级(亚层)？各个能级有几个轨道？最多可容纳多少电子？,解:当n=4时:l=0,1,2,3,分别对应s,p,d,f四个能级(亚层)；每一能级的空间伸展方向数(轨道数2l+1)分别为1,3,5,7,总轨道数为16个,最多可容纳32个电子。,12,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,几率密度(概率密度);|2：电子在原子核外空间某处单位体积内出现的几率。,电子云:是几率密度分布的形象化表示,是|2的空间图像.,3.几率密度和电子云,电子云图象中通常以小黑点的疏密来表示电子出现的几率密度的相对大小。小黑点越密,表示电子在此处出现的几率密度越大.每一个小黑点表示电子在核外空间出现的一次几率.,13,2020/5/27,s、p、d电子云示意图,4.2原子结构的近代概念,14,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,1.多电子原子轨道的能级,基本规律：各电子层能级相对高低:KLMNOPQ；如1s2s3s4s;同一原子同一电子层内各亚层能级相对高低:4s4p,nsnpndnf,能级交错.,各电子层能级的相对高低;,图中可看出:,ns(n-2)f(n-1)dnp,16,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,Pauli近似能级顺序图,能级组:(7s，5f，6d7p),(6s，4f，5d6p),(5s，4d，5p),(4s，3d，4p)，(3s，3p)，(2s，2p)，1s，,17,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,我国著名化学家北京大学徐光宪教授，根据光谱实验数据,对基态多电子原子轨道的能级高低提出一种定量的依据,即n+0.7l值愈大，轨道能级愈高,并把n+0.7l值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能级组。,根据徐光宪公式计算可以明确原子能级由低到高依次为:1s,(2s,2p)，(3s,3p)，(4s,3d,4p)，(5s,4d,5p)，(6s,4f，5d,6p)括号表示能级组。此顺序与鲍林近似能级顺序吻合。,18,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,2.原子核外电子排布的一般规律,(1)能量最低原理电子在核外进行排布时总是优先占据能量较低的轨道.(2)Pauli不相容原理每个原子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子.(3)Hund规则在每个亚层中,电子将尽可能分占不同的原子轨道,并且自旋方向平行.Hund特例当原子轨道处于全满、半满、全空时,原子较稳定.,如:2p3,即1s2s2p3s3p,如3d5,如3d10,如:1s2,19,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,3.核外电子排布式和外层电子构型,(1)核外电子排布式及书写:,电子排布式书写顺序为:1s22s22p63s23p63d64s2,24号Cr:按能级顺序为:1s22s22p63s23p64s13d5,电子排布式书写顺序为:1s22s22p63s23p63d54s1,依据:鲍林近似能级示意图、能量最低原理、泡利不兼容原理、洪特规则、洪特规则特例.,如:26号Fe:按能级顺序为:1s22s22p63s23p64s23d6,书写电子排布式时,将主量子数n相同的写在一起。,20,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,解:11号元素Na:1s22s22p63s1,【例题6】分别写出核电荷数为11、17和29的元素核外电子排布式.,29号元素Cu:1s22s22p63s23p63d104s1,17号元素Cl:1s22s22p63s23p5,21,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(2)外层电子构型:即外层电子排布式,也叫价层电子构型.,元素原子核外层电子排布式外层电子构型,主族元素-为最外层电子排布式.,Cl1s22s22p63s23p53s23p5,Ca1s22s22p63s23p64s24s2,Na1s22s22p63s13s1,各种元素的外层电子构型的规定:,22,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,副族元素-通常由最外层ns电子、次外层(n-1)d电子和倒数第三层(n-2)f电子的分布式所组成.,元素原子核外层电子排布式外层电子构型,Fe1s22s22p63s23p63d64s23d64s2,Cu1s22s22p63s23p63d104s13d104s1,Zn1s22s22p63s23p63d104s23d104s2,例如:(n-1)d电子+ns电子;,或(n-2)f电子+(n-1)d电子+ns电子。,23,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(3)离子的外层电子构型:,例如:电子排布式外层电子构型,Cl1s22s22p63s23p53s23p5,Cl-1s22s22p63s23p63s23p6,负离子-是原子得到电子所形成的.要在原子的外层电子构型上增加相应的电子.,24,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,例如:电子排布式外层电子构型,Na1s22s22p63s13s1,Na+1s22s22p62s22p6,Cu1s22s22p63s23p63d104s13d104s1,Cu+1s22s22p63s23p63d103s23p63d10,Cu2+1s22s22p63s23p63d93s23p63d9,原子失电子顺序:按核外电子排布式从外向内.,正离子-是原子失去电子所形成的.,25,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题7】写出下列原子或离子的核外电子排布式和外层电子构型.,原子或离子电子排布式外层电子构型,1s22s22p63s23p64s14s1,1s22s22p63s23p63s23p6,1s22s22p63s23p43s23p4,1s22s22p63s23p63s23p6,1s22s22p63s23p63d64s23d64s2,1s22s22p63s23p63d53s23p63d5,K,K+,S,S2-,Fe,Fe3+,26,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,4.元素周期表,元素的性质随着原子序数的递增呈现出周期性的变化规律,称为元素周期律.根据元素周期律和核外电子排布的周期性,可绘制各种各样的元素周期表.最常用的是长式周期表.,27,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,长式周期表,28,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(1)周期与能级组:,周期表的横行元素称为周期.,周期表共有7个周期:3个短周期,3个长周期,1个不完全周期.,周期数=最高电子层数=最高能级组数各周期所含元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数.,29,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,各周期元素与相应能级组的关系,周期能级组能级最多容纳电子总数元素数目,111s222s2p333s3p444s3d4p555s4d5p666s4f5d6p777s5f6d(未完),22,88,88,1818,1818,3232,尚未布满23(未完),30,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(2)元素的分区:长式周期表可分为s区，d区，ds区，p区,f区共5个区.,ns12,ns2np16,(n-1)d18ns2,(n-1)d10ns12,(n-2)f114(n-1)d01ns2,31,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,(3)元素的分族:18个纵行,16个族.,主族:主族的族序数=最外层电子数(即ns+np电子总数),副族:IB、B族:由(n-1)d10ns1-2中ns电子数目决定；BB族:由(n-1)dxnsy的电子总数决定(x+y=37).第VIII族:由(n-1)dxnsy的电子总数决定(x+y=810).,7个主族:IA,A,A,A,A,A,A;7个副族:IB,B,B,B,B,B,B;1个第VIII族:第8-10列;1个零族:第18列。,如Al的外层电子构型为:3s23p1,位于周期表中第三周期,A族.,32,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,主族元素,副族元素,零族,ns12,ns2np16,(n-1)d10s12,s区,p区,d区,ds区,f区,(n-1)d18ns2,(n-2)f114(n-1)d01ns2,33,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题8】原子序数为35的元素的原子核外电子分布式为,外层电子构型为,位于周期表中第周期,第族,区,其-1价离子的核外电子分布式为,外层电子构型为.,1s22s22p63s23p63d104s24p5,4s24p5,1s22s22p63s23p63d104s24p6,4s24p6,p,四,A,34,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题9】某元素的+2价阳离子的核外电子分布式为,则该元素原子的核外电子分布式为,外层电子构型为,位于周期表中第周期,第族,区,元素符号为.,1s22s22p63s23p6,1s22s22p63s23p64s2,4s2,四,A,s,Ca,35,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,【例题10】原子序数为30的元素的原子核外电子分布式为,外层电子构型为,位于周期表中第周期,第族区,元素符号为,其+2价离子的核外电子分布式为,外层电子构型为.,1s22s22p63s23p63d104s2,3d104s2,1s22s22p63s23p63d10,Zn,ds,四,B,3s23p63d10,36,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,（3）元素性质的周期性,最高氧化数的周期性:,同一周期从AA,主族元素的最高氧化数依次为+1+7.,氧化数是用来表示原子在化合物中的化合状态.如果原子在化合时失去或偏移了一个电子,就形成了一个正氧化数(+1).(化合价)最高氧化数就是该元素原子在形成化合物时所能失去的最高电子数.,同一周期从BB,副族元素的最高氧化数依次为+2+7,其它副族规律性不强.,37,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,气态原子失去一个电子成为气态+1价离子所需的能量叫做元素的第一电离能(I1);气态+1价离子再失去一个电子成为气态+2价离子所需的能量称为第二电离能(I2)依此类推,且I1I2.,电离能的周期性:,38,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,规律：,同一周期从左到右,第一电离能逐渐增大,非金属性增强,金属性减弱.同一主族元素,从上到下,第一电离能逐渐减少,金属性增强,非金属性减弱.,39,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,气态原子结合一个电子形成气态-1价离子时所放出的能量称为第一电子亲合能(E1)；气态-1价离子再得到一个电子形成气态-2价离子所放出的能量称为第二电子亲合能(E2)。,同一周期从左至右,放出热量逐渐增多,第一电子亲合能的代数值越负,表明该元素越容易得到电子,非金属性越强.,电子亲和能的周期性:,同一主族从上至下,放出能量逐渐减少,非金属性减弱,金属性越强。,40,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,电负性:是指原子在分子中把电子吸向自己的本领.,电负性越大,原子吸引电子能力越强,非金属性越强;电负性越小,原子吸引电子能力越弱,金属性越强.,1932年,美国化学家鲍林提出电负性的概念,用来确定化合物中的原子对电子吸引能力的相对大小.,电负性可以通过多种实验的和理论的方法来建立标度。最经典的电负性标度是鲍林标度。指定氟的电负性为4.0,作为确定其他元素电负性的相对标准。一般,金属的电负性小于2.0,非金属的电负性大于2.0.,元素电负性的周期性:,41,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,副族元素,主族元素,同一周期元素,从左到右,电负性增大,金属性减弱,非金属性增强;,同一主族元素,从上到下,电负性减小,金属性增强,非金属性减弱.,42,2020/5/27,4.2原子结构的近代概念,作业:P128:6题;7题.,
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