原子结构元素周期律

主量子数有关
2021/3/2
1s 2s 2p 3s 3p 3d
27
屏蔽效应：有效核电荷、能级裂分 钻穿效应：能级交错现象、径向分布
2021/3/2
28
2、构造原理
基态
泡利不相容原理：
基态多电子原子
中不可能同时存
在4个量子数完
全相同的电子，
即，在一个轨道
里最多只能容纳
2个电子，它们
的自旋方向相反。
36
2021/3/2
37
2021/3/2
38
能量最低原理：基态原子是处于最低能量状态的原子。 能量最低原理认为，基态原子核外电子的排布力
求使整个原子的能量处于最低状态。
1s
2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 5s 5p 5d 6s 6p 6d 7s
构造原理
4f
5f
5g
2021/3/2
亚层
2021/3/2
11
3、磁量子数m
0, 1, 2, 3, . . . . . . l
表明角动量矢量在空间的取向、原子 轨道在核外空间的取向、与原子轨道 能量无关，简并，简并度
n, l, m 决定电子所在轨道离核的远
近、形状和伸展方向，即可以确定
一个原子轨道。
2021/3/2
12
2021/3/2
In Sn Sb T e I Xe Cs Ba
N d Pm Sm E u G d T b D y H o E r T m
L u H f T a W R e O s Ir Pt A u H g
A c T h Pa
T l Pb B i Po A t R n Fr R a
U N p Pu A m C m B k C f E s F m Md
1, 2, 3, 4, 5, 6, K, L, M, N, O, P,
能量的量子化 描述原子中电子出现概率最大区域离核的远近
2021/3/2
10
2、角量子数l 矢量 0, 1, 2, 3, 4, , (n – 1) s, p, d, f, g,
多电子原子中，电子的能量由 n 和 l 共同决定
质子 中子
带正电 荷
不带电 荷
原子序数 = 核电荷数 = 质子数 = 核外电子数
化学反应只改变核外电子的数目或运动状态
2021/3/2
7
1、电磁辐射的特点
光速c、 频率、赫兹、波长、振幅
2021/3/2
8
2021/3/2
9
§ 1.3 核外电子运动状态的描述
1、主量子数n
非零整数、决定电子的能量E
这样能量公式为：
(Z)2eV Z*2eV
E1.6 3 n2 1.6 3 n2
2021/3/2
22
2021/3/2
23
2021/3/2
24
钻穿效应
能级交错现象 径向分布
4s轨道3d轨道钻得深，可以更好地回避其它电子的屏蔽，所以 填充电子时先填充4s电子。
注：一旦填充上3d电子后3d电子的能量又比4s能量低，如铜。
45
“长式”周期表——每个周期占一个横排。这种三角形周 期表能直观地看到元素的周期发展，但不易考察纵列元 素（从上到下）的相互关系，而且由于太长，招致排版 和印刷的技术困难。
2021/3/2
46
IA
1
1H
氢
IIA
2 He
IIIA IVA VA VIA VIIA 氦
2
3 Li
锂
4 Be
铍
5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne
2021/3/2
25
2021/3/2
26
n, l, m 决定电子所在轨道离核的远近、形状 和伸展方向，即可以确定一个原子轨道。
表明角动量矢量在空间的取向、原子轨道在核外空 间的取向、与原子轨道能量无关，简并，简并度
n, l, m, ms 决定电子在核外空间的运动状态。
n = 1, l = 0, m = 0, ms = +1/2 or –1/2 氢原子或类氢原子的核外电子，其能量只与
2021/3/2
29
2021/3/2
30
价电子
2021/3/2
31
2021/3/2
32
2021/3/2
33
2021/3/2
34
洪特规则：基态多电子原子中同一能级的轨道能量相等，称 为简并轨道；基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、 单独地填入简并轨道。
2021/3/2
35
2021/3/2
42
3、电子结构和周期表
2021/3/2
1869年，俄国化学家门 捷列夫在总结对比当时 已知的60多种元素的性 质时发现化学元素之间 的本质联系：按原子量 递增把化学元素排成序 列，元素的性质发生周 期性的递变。这就是元 素周期律的最早表述。
43
H Li Be Na Mg K Ca Cu Zn Rb Sr Ag Cd Cs Ba Au Hg
2021/3/2
41
第五周期过渡金属原子的4d能级和5s能级的轨道能差别
较小，导致5s1构型比5s2构型的能量更低。第六周期，其
过渡金属的电子组态多数遵循构造原理，可归咎为6s能级
能量降低、稳定性增大，与这种现象相关的还有第6周期p
区元素的所谓“6s2惰性电子对效应”。
6s2惰性电子对效应：是因随核电荷增大，电子的速度
1s 2s 2p 3s 3p 3d
2021/3/2
20
§ 1.4 多 电子原子核外电子的排布
1、轨道能量
+
屏蔽效应
其余电子对所选定
的电子的排斥作用
，相当于降低了部
分核电荷（）对指
-
定电子的吸引力。
2021/3/2
—“屏蔽常数”或将原有核电荷抵消的部分。
Z-=Z* Z*—有效核电荷
21
斯莱特规则
他由光谱数据，归纳出一套估算屏蔽常数的方法： （1）先将电子按内外次序分组：ns，np一组；nd一组；
89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101Md 102 No 103 Lr
锕 钍 镤 铀镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 钔 锘 铹
2021/3/2
47
维尔纳长式周期表:是由诺贝尔奖得主维尔纳（Alfred Werner 1866-1919）首先倡导的，长式周期表是目前最通用 的元素周期表。它的结构如下：
13
2021/3/2
14
2021/3/2
15
2021/3/2
16
2021/3/2
17
2021/3/2
18
4、自旋量子数ms
½，电子自 旋的方向
n, l, m, ms 决定电子在核外空间的运动状态。
2021/3/2
19
5、氢原子的电子结构
n = 1, l = 0, m = 0, ms = +1/2 or –1/2 氢原子或类氢原子的核外电子，其能量只与 主量子数有关
贡献：成功解释了氢原子光谱，计算数值与光谱实 验完全一致。
局限性：不能解释多电子原子的光谱以及氢光谱的 精细结构。
原因：未能完全冲破经典力学的束缚，只是勉强加 进一些假定。
发展：玻尔理论被量子力学所代替。
2021/3/2
6
返回
§ 1.2 微观粒子运动的特殊性
原子
带正电 荷
核外电子 原子核
带负电 荷
2021/3/2
?
40
洪特规则特例：半满规则、全满规则、全空
24 Cr [Ar] 3d5 4s1； 42 Mo [Kr] 4d5 5s1 74 W [Xe] 5d4 6s2
29 Cu [Ar] 3d10 4s1； 47 Ag [Kr] 4d10 5s1 79 Au [Xe] 5d10 6s1
考察周期表可发现，第5周期有较多副族元素的电子 组态不符合构造原理，多数具有5s1的最外层构型,尤其是 钯(4d105s0)，是最特殊的例子。
钫 镭 Ac-Lr 钅卢 钅杜 钅喜 钅波 钅黑 钅麦 Uun Uuu Uub
114 116 118
镧系 锕系
57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69Tm 70 Yb 71 Lu
镧铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽镝 钬 铒 铥 镱镥
6 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn
铯 钡 La-Lu 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡
7 87 Fr 88 Ra 89-103 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 111 112
原子结构与元素周期律
1 近代原子结构理论的确立 2 微观粒子运动的特殊性 3 核外电子运动状态的描述 4 多电子原子核外电子的排布 5 元素基本性质的周期性
2021/3/2
1
1 近代原子结构理论的确立
一、 道尔顿原子论
1805年
1. 每一种化学元素有一种原子； 2. 同种原子质量相同； 3. 原子不可再分; 4. 一种原子不会转变为另一种原子; 5. 化学反应只是改变了原子的结合方式。
Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub
113 114 115 116 117 118 119 120
1s 2s 2p 3s 3p 4s
3d
4p 5s 4d 5p 6s
4f Yb
5d
6p
7s 5f No 6d
7p
8s
2021/3/2
宝塔式或滴水钟式周 期表。这种周期表的 优点是能够十分清楚 地看到元素周期系是 如何由于核外电子能 级的增多而螺旋性发 展的，但它们的每个 横列不是一个周期， 纵列元素的相互关系 也不容易看清。
39
随核电荷数递增,电子每一次从填入ns能级开始到填满np 能级,称为建立一个周期，于是有：
周期: ns开始→np结束 同周期元素的数目
第一周期：1s
2
第二周期：2s，2p
8
第三周期：3s，3p
8
第四周期：4s，3d，4p
18
第五周期：5s，4d，5p
18
第六周期：6s，4f，5d，6p
32
第七周期：7s，5f，5d，...
nf一 组，如：1 s；2s，2p；3s，3p；3d；4s，4p；4d；4f；5s， 5p；5d；5f。
（2）外组电子对内组电子的屏蔽作用 = 0； （3）同一组， = 0.35 (但1s， = 0.3)； （4）对ns，np，(n-1) 组的 = 0.85；更内的各组 = 1； （5）对nd、nf的内组电子 =1。
钾钙 钪钛 钒 铬锰铁钴镍 铜 锌镓锗砷硒 溴氪
5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe
铷 锶 钇 锆铌 钼 锝 钌 铑钯银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙
2021/3/2
门捷列夫短式周期表
B
C
N
O
F
Al
Si
P
S
Cl
Sc
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTi
V
Cr Mn FeCoNi
Ga Ge As Se Br
Y
Zr
Nb Mo Tc RuRhP
d
In
Sn Sb Te
I
La
Hf
Ta
W
Re OsIrPt
Tl Pb Bi
44
Sc Y L a C e Pr
H He Li Be B C N O F Ne N a Mg A l Si P S C l A r K Ca T i V C r Mn F e C o N i C u Z n G a G e A s Se B r K r R b Sr Z r N b Mo T c R u R h Pd A g C d
2021/3/2
2
二、 氢原子光谱
2021/3/2
氢原子光谱装置示意图
3
三、 玻尔理论
玻尔理论的产生： • 1911年，卢瑟福提出原子结构的含核模型。
由经典电磁学理论，电子辐射能量连续，原子光谱应连 续。
氢原子光谱实验
玻尔的原子结构理论，简称玻尔理论
2021/3/2
4
玻尔理论: 1. 电子只能沿一定能量的轨道运动，自身没 有能量的变化； 2. 轨道的能量是不连续的，轨道不同，能级 不同； 3. 电子只有从一个轨道跃迁到另一轨道时， 才有能量的吸收或放出。
硼 碳 氮氧 氟 氖
3
11 Na
钠
12 Mg
镁
IIIB
IVB
VB
VIB VIIB
VIII
13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar
IB IIB 铝 硅 磷 硫 氯 氩
4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr
明显增大，这种效应对6s电子的影响尤为显著，这是由于
6s电子相对于5d电子有更强的钻穿效应，受到原子核的有
效吸引更大。
这种效应致使核外电子向原子核紧缩，整个原子的能量
下降。6s2惰性电子对效应对第六周期元素许多性质也有明
显影响，如原子半径、过渡后元素的低价稳定性、汞在常
温下呈液态等等。
2021/3/2