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1、1第一章第一章 原子结构原子结构原子结构：原子结构：主要研究核外电子运动状态主要研究核外电子运动状态。化学反应中，原子核不发生变化，只涉及核外电子运化学反应中，原子核不发生变化，只涉及核外电子运动状态的改变。动状态的改变。物质结构物质结构：研究研究原子、分子及晶体原子、分子及晶体的结构及其与的结构及其与物质性质的关系。物质性质的关系。 认识物质的基础认识物质的基础物质结构与医学：物质结构与医学：目前生命科学的研究已深入到分子目前生命科学的研究已深入到分子水平和电子水平，原子结构是现代水平和电子水平，原子结构是现代生物医学生物医学的重要基的重要基础。础。2 第一节第一节 氢原子结构的氢原子结构的
2、Bohr模型模型原子结构的研究方法：原子结构的研究方法：氢原子是最简单的原子，目前氢原子是最简单的原子，目前人们对它的认识非常透彻。因此，作为一种理想模型，人们对它的认识非常透彻。因此，作为一种理想模型，先从氢原子入手，然后通过对它某些修正，再推广到先从氢原子入手，然后通过对它某些修正，再推广到复杂原子。复杂原子。一、一、Bohr模型模型 的建立基础的建立基础 Rutherford E有核原子模型：有核原子模型： 实实 验验: 用用粒子流轰击金箔，决大多数粒子几乎粒子流轰击金箔，决大多数粒子几乎无阻碍地穿过，极少数粒子散射或反射。无阻碍地穿过，极少数粒子散射或反射。“行星系式行星系式”原子模型
3、：原子核好比太阳，电子好比原子模型：原子核好比太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。3Rutherford 的困惑：的困惑：（1）电子绕核旋转会辐射能量，在）电子绕核旋转会辐射能量，在10-10s内就会坠内就会坠入原子核。事实是电子作不停的运转。入原子核。事实是电子作不停的运转。（2）电子因辐射电磁波会得到连续光谱。事实是）电子因辐射电磁波会得到连续光谱。事实是得到了原子的线状光谱。得到了原子的线状光谱。4（一）氢原子光谱（一）氢原子光谱 人们肉眼能观察到的可见光的波长范围是人们肉眼能观察到的可见光的波长范围是400-760nm400-760
4、nm。当一束白光通过石英棱镜时，形成。当一束白光通过石英棱镜时，形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的彩色带状光谱，这种带状光谱称为的彩色带状光谱，这种带状光谱称为连续光谱连续光谱。5 气态原子被火花、电弧或其他方法激发气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生的光，经棱镜分光后，得到不连续的线状产生的光，经棱镜分光后，得到不连续的线状光谱，这种线状光谱称为光谱，这种线状光谱称为原子光谱原子光谱。 氢原子光谱是最简单的原子光谱。在抽成氢原子光谱是最简单的原子光谱。在抽成真空的光电管中充入稀薄纯氢气，并通过高压真空的光电管中充入稀薄纯氢气，并通过高
5、压放电所放出的光经棱镜分光后形成按波长次序放电所放出的光经棱镜分光后形成按波长次序排列的不连续的线状光谱。氢原子光谱在可见排列的不连续的线状光谱。氢原子光谱在可见光区有光区有4 4条比较明显的谱线，分别用条比较明显的谱线，分别用 H H，H H，H H，H H表示。表示。，67RH2.1810-18J ，n 称为主量子数（称为主量子数（principal quantum number），取整数值），取整数值 。 n =1时，电子能量最低，称为时，电子能量最低，称为基态（基态（ground state）。n 2时，时，电子能量较高，称为电子能量较高，称为激发态（激发态（excited state
6、） 在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量值在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量值E,称为称为能级（能级（energy level），），核外电子的能量为：核外电子的能量为：1. 能级假说：能级假说：原子中的电子沿固定轨道绕核运动，电原子中的电子沿固定轨道绕核运动，电子在轨道上运动时，不吸收也不辐射能量，称为子在轨道上运动时，不吸收也不辐射能量，称为“定定态态” （stationary state）； E = -RHn2n = 1, 2, 3, 4, .1913年，丹麦年，丹麦Bohr的的“定态原子模型定态原子模型” 82.能级间的跃迁：能级间的跃迁：当电子能量由一个能级改变为另一当电子能量
7、由一个能级改变为另一个能级时，称为个能级时，称为跃迁（跃迁（transition）。电子跃迁时所吸）。电子跃迁时所吸收或辐射的光子的能量等于两能级差，即：收或辐射的光子的能量等于两能级差，即： 为光子的频率；为光子的频率； h为普朗克常数为普朗克常数（6.62610-34 Js）h = E2E1 =E1/ =RHhc1n12n221-谱线的波长：谱线的波长： 9玻尔的氢原子模型的优缺点玻尔的氢原子模型的优缺点 :优点：优点：成功运用了成功运用了量子化量子化观点；成功解释了观点；成功解释了氢原子氢原子光谱。光谱。缺点：缺点：没有完全摆脱经典力学，不能说明多电子原没有完全摆脱经典力学，不能说明多电
8、子原子结构，因此不能完全反映子结构，因此不能完全反映微观粒子微观粒子的全部特性和的全部特性和运动的规律。运动的规律。 因此因此Bohr理论被称为理论被称为旧量子论。旧量子论。 量子力学的现代概念是法国量子力学的现代概念是法国Broglie LV、德国、德国Heisenberg w和奥地利和奥地利Schrodinger E等创立的。等创立的。10 第二节第二节 氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型 1905年爱因斯坦根据光的干涉、衍射和光电效应，年爱因斯坦根据光的干涉、衍射和光电效应，提出了光具有波粒二象性。提出了光具有波粒二象性。 1924年法国物理学家年法国物理学家德布罗意德布罗
9、意(L.de Brogile) 在研究电子的运在研究电子的运动规律时，受光的波粒二象性的动规律时，受光的波粒二象性的启发，大胆提出：启发，大胆提出：提出了提出了“物质波物质波”公式，称为公式，称为德布罗意关系式德布罗意关系式： 电子等实物粒子电子等实物粒子(原子、质子、中子原子、质子、中子)不仅具有粒子性，也具有波动性。不仅具有粒子性，也具有波动性。一、微观粒子的波粒二象性一、微观粒子的波粒二象性 11 P为微粒的动量，为微粒的动量，m为微粒的质量为微粒的质量, 为微粒的运为微粒的运动速度动速度, h为普朗克常数为普朗克常数, 为微粒波的波长。为微粒波的波长。关系式的意义：关系式的意义：把微观
10、粒子的把微观粒子的粒子性粒子性p (m 、)和和波波动性动性统一起来。统一起来。 该假设三年后被多个实验所证实。如：该假设三年后被多个实验所证实。如：m hph 电子衍射实验电子衍射实验 19271927年年, ,美国的美国的DavissonDavisson和和GermerGermer证证明了明了电子束同电子束同X X射线一样具有波动性射线一样具有波动性。如下图：。如下图：12由该实验计算出的电子波的波长与由该实验计算出的电子波的波长与de Broglie关系式关系式计算出的波长一致。计算出的波长一致。13 衍射强度大衍射强度大的地方出现的机会的地方出现的机会多多，衍射强度小衍射强度小的地方出
11、现的机会的地方出现的机会少，少，电子波动性的微观解释：电子波动性的微观解释：大量电子行为的大量电子行为的统计结果统计结果。 如图：如图：电子波是电子波是概率波概率波, 反映了电子在反映了电子在空间区域出现的概率。空间区域出现的概率。14二、测不准原理二、测不准原理(Uncertainty Principle)xpxh/41927年海森堡提出著名的测不准原理年海森堡提出著名的测不准原理: 无法同时准确测定运动坐标和无法同时准确测定运动坐标和动量。它的坐标测得越准动量。它的坐标测得越准, , 其动其动量量( (速度速度) )就测得越不准；它的动就测得越不准；它的动量测得越准量测得越准, , 其坐标
12、就测得越不其坐标就测得越不准。准。无确定的运动轨道。无确定的运动轨道。 位置（坐标）和动量位置（坐标）和动量（速度）能同时准确测（速度）能同时准确测定定可预测运动轨道可预测运动轨道宏观物体宏观物体微观粒子微观粒子宏观物体与微观粒子运动特征比较宏观物体与微观粒子运动特征比较x 为为x方向坐标的测不准量方向坐标的测不准量(误差误差), px为为x方向方向的动量的测不准量的动量的测不准量, 两者互为倒数关系。两者互为倒数关系。15例例1、电子在原子中的运动速度约为电子在原子中的运动速度约为6 610106 6 m ms s-1-1，原子，原子半径约为半径约为1010-10 -10 m m，若速度误差
13、为，若速度误差为1 1，电子的位置误，电子的位置误差差xx有多大？有多大？ 解：解： m s-1 0.01 = m s-1 .x px h/4 .x h/4 pxx h4 m6.626 10-34 kg m2 s-14 9.1 10-31kg 6 10-4 m .= 1 10-9 m =电子的位置误差比原子半径大电子的位置误差比原子半径大10倍，即位置确定极其倍，即位置确定极其不准确。不准确。16三、氢原子的波函数三、氢原子的波函数 1926年奥地利物理学家年奥地利物理学家Schrdinger提出了著提出了著名的名的薛定鄂方程，薛定鄂方程，它是在力场作用下微观粒子运动它是在力场作用下微观粒子运
14、动的波动方程。的波动方程。 氢原子核外的电子同样具有波粒氢原子核外的电子同样具有波粒二象性。它是在原子核静电引力作用二象性。它是在原子核静电引力作用下的运动，这种运动如何去描述呢下的运动，这种运动如何去描述呢? 求解求解Schrdinger方程十分复杂，我们只需理方程十分复杂，我们只需理解一些重要结论。解一些重要结论。0)(822222222VEhmzyx17从薛定鄂方程得到的结论：从薛定鄂方程得到的结论：(1)波函数波函数是是Schrodinger方程的解，它不是一个数值，方程的解，它不是一个数值，而是一个空间坐标的函数式。而是一个空间坐标的函数式。(2) 本身的物理意义不明确本身的物理意义
15、不明确, 但但 却有明确的物理却有明确的物理2 2意义。它表示在空间某处电子出现的意义。它表示在空间某处电子出现的概率密度概率密度，即在，即在该点周围微单位体积中电子出现的概率。该点周围微单位体积中电子出现的概率。2 2概率密度概率密度 常用几何图形直观的表示，形象称为常用几何图形直观的表示，形象称为电电子云（子云（electron cloud）（3）描述原子中单个电子运动状态的波函数描述原子中单个电子运动状态的波函数 称为称为原原子轨道（子轨道（atomic orbital）。原子轨道的大小指原子轨道的大小指电子出电子出现的概率在现的概率在99的空间区域的界面。的空间区域的界面。18(4)
16、解解Schrodinger方程可以获得一系列合理的解方程可以获得一系列合理的解及及其相应的能量其相应的能量E ，电子的能量是不连续的，电子的能量是不连续的(量子化量子化) 。 每一能量每一能量E 称为称为“定态定态”, 能量最小的称为能量最小的称为基态基态 ,其余其余的的称为称为激发态激发态。19（一）量子数（一）量子数(quantum number) 氢原子的氢原子的Schrdinger方程可以精确求解。能方程可以精确求解。能够精确求解的还有类氢离子，如够精确求解的还有类氢离子，如He+、Li 2+x= rsincosy =rsinsinz =rcosr =222zyx求解时需要坐标转换：求
17、解时需要坐标转换：(x, y, z) (r,) 直角坐标直角坐标球极坐标球极坐标变量关系：变量关系：OzxyP (x, y, z) Pr20 薛定鄂方程有很多解，但并非每个解都合理。薛定鄂方程有很多解，但并非每个解都合理。 要取得合理解，需引入三个参数要取得合理解，需引入三个参数 n、l、m，称为称为量子数量子数, 当三个量子数的取值和组合一定时，就有了一当三个量子数的取值和组合一定时，就有了一个确定的波函数个确定的波函数n、l、m(r,) 。1. 主量子数主量子数 n物理意义：物理意义：决定电子在核外空间出现的概率最大区域决定电子在核外空间出现的概率最大区域离核的远近。离核的远近。n越大越大
18、,表示电子离核的平均距离愈远，表示电子离核的平均距离愈远，n又叫电子层数又叫电子层数;决定电子能量高低的决定电子能量高低的主要因素主要因素。 n = 1, 2, 3 非零的任意正整数非零的任意正整数三个量子数的取值限制和物理意义：三个量子数的取值限制和物理意义：n1234电子层符号电子层符号KLMN21n越小越小, 电子出现概率最大的区域离核越近电子出现概率最大的区域离核越近,能量越低。能量越低。n越大越大, 电子出现概率最大的区域离核越远电子出现概率最大的区域离核越远,能量越高。能量越高。2. 轨道角动量量子数轨道角动量量子数 l l =0, 1, 2, 3 (n1) ， 共共n个数值。个数
19、值。角量子数：角量子数： l =0, l = 1, l = 2, l = 3光谱学符号：光谱学符号： s, p, d, f又称又称副量子数副量子数, 简称简称角量子数角量子数。它的取值受。它的取值受n的限制的限制, 它它只能取小于只能取小于n的正整数和零，的正整数和零，如如n=2，l= 0 1 2s 2p n=3，l 0 1 2 3s 3p 3d 问有无问有无2d轨道？轨道？22 物理意义物理意义a: 决定原子轨道形状。决定原子轨道形状。S：球形对称：球形对称 p：双球形：双球形 d：梅花瓣形：梅花瓣形b:氢原子或类氢离子原子轨道的能量，只与氢原子或类氢离子原子轨道的能量，只与n有关，有关，与
20、与l无关无关。 多电子原子轨道的能量，与多电子原子轨道的能量，与n、l 有关。有关。n相同相同, l 不同的电子其能量不相等。即在同一电子层中，不同的电子其能量不相等。即在同一电子层中，电子还分为若干不同的电子还分为若干不同的能级能级(energy level)， l又称又称为为能级能级或或电子亚层电子亚层(subshell)。多电子原子：多电子原子：EnsEnpEndEnf233、磁量子数、磁量子数 m取值：取值： m=0,1,2 l 共共 (2 l1) 个个意义：意义：决定原子轨道在空间的伸展方向决定原子轨道在空间的伸展方向l0123m00,10,1,20,1, 2,3伸展方伸展方向数向数
21、135724 n=1 l=0 0 1s 球形球形 1 1,0,0 n l m 轨道轨道 形状形状 轨道数轨道数(n2) 波函数波函数 l=0 0 3s 球形球形 3,0,0n=3 l=1 0, 1 3p 哑铃形哑铃形 9 3,1,0、 3,1,-1 3,1,+1 、 3,2,0 l=2 0, 1, 2 3d 梅花瓣形梅花瓣形 3,2,-1 、 3,2,+1 3,2,+2、 3,2,-2 l=0 0 2s 球形球形 2,0,0 n=2 4 2,1,0、 l=1 0, 1 2p 哑铃形哑铃形 2,1,+1、2,1,-1 综上得出综上得出n n、l l、m m 的取值的一般规律：的取值的一般规律：2
22、5 三个量子数的组合决定一个原子轨道三个量子数的组合决定一个原子轨道, ,但要描述但要描述某电子的运动状态还需要某电子的运动状态还需要第四个量子数第四个量子数。4.自旋量子数自旋量子数 ms(spin quantum number)21sm表示，或用表示，或用和和表示。表示。 电子本身还有自旋运动，且有两种相反的方向，电子本身还有自旋运动，且有两种相反的方向，分别用分别用 自旋方向相同，叫自旋方向相同，叫平行自旋平行自旋；自旋方向相反叫；自旋方向相反叫反平行自旋反平行自旋。26 例例 (1) n = 3的原子轨道可有哪些角量子数和磁量子数？的原子轨道可有哪些角量子数和磁量子数？该电子层有多少个
23、原子轨道？该电子层有多少个原子轨道？(2) Na原子的最外层电原子的最外层电子处于子处于3s亚层，试用亚层，试用n、l、m、ms量子数来描述该电量子数来描述该电子的运动状态。子的运动状态。解解 (1) n = 3，l = 0，1，2； l = 0，m = 0； l = 1，m = -1，0，+1； l = 2，l = -2，-1，0，+1，+2；共有；共有9个原子轨道。个原子轨道。(2)该电子的运动状态：该电子的运动状态：n 、l 、m ， m s分别为：分别为：3，0，0，+1/2或或-1/2。 27（二）原子轨道的角度分布图（二）原子轨道的角度分布图(r,) = R(r)Y(,) 径向波函
24、数径向波函数 Rn,l(r) 与与 n 和和 l 两个量子数有关。两个量子数有关。角度波函数角度波函数Yl,m(,) 与与 l 和和 m 两个量子数有关。两个量子数有关。 cossin43sinsin43cos43414123223223222211BrpBrpBrpBrsBrsreAreAreAreAeAxyZ281. s轨道角度分布图轨道角度分布图根据根据s轨道的角度波函数轨道的角度波函数 作图：作图：2820. 4 41 1Y Ys s Yl,m( , )xz+xyzxyzYl,m( , )Yl,2m( , )s轨轨道道的的角角度度分分布布图图概率密度概率密度|Ys|2 的角度分布图形的
25、角度分布图形, 即电子云图也是球形。即电子云图也是球形。Y Y值在任意方位角为常数，因而值在任意方位角为常数，因而s s轨道的角度分布图轨道的角度分布图是一是一球面球面，球面所在的球体就是球面所在的球体就是s轨道的图形轨道的图形。 记法：球形对称，恒为正值。记法：球形对称，恒为正值。29pz轨道的函数：轨道的函数： cosYZP43 求出变量求出变量和函数和函数Ypz的对应值：的对应值： 0 30 60 90 120 150 180 Ypz 0.489 0.423 0.244 0 -0.244 -0.423 -0.4892. p轨道角度分布图轨道角度分布图 30作图：作图：引出角度分别为引出角
26、度分别为0 、30、 60的射线；的射线；截取截取0.489、0.423 ；连接各截点；连接各截点；得得Ypz部分图形；部分图形；绕绕Z轴旋转轴旋转360；双球面立体图形。双球面立体图形。 运用这种方法可绘出所有角度波函数的图形运用这种方法可绘出所有角度波函数的图形xz+-pz节面节面31P轨道轨道记法：双球对称，相应轴向伸展，正轴为正，负记法：双球对称，相应轴向伸展，正轴为正，负轴为负。轴为负。32d d轨道轨道记法：记法：dxy, dyz, dxz沿各自坐标轴的夹角方向伸展，沿各自坐标轴的夹角方向伸展，坐标同号为正，异号为负。坐标同号为正，异号为负。33记法记法:dx2-y2：沿：沿x、y
27、轴伸展，轴伸展，x为正，为正，y轴为负。轴为负。dz2：上下两个正气球，中间一个负轮胎。：上下两个正气球，中间一个负轮胎。34 电子电子云图云图35 f 轨道（了解）轨道（了解）36 g 轨道轨道（了解）（了解）37 如，如，1s，2s，3s等等Y图都一样；图都一样；2px、3px、4px等等Y图都一样。图都一样。几点说明：几点说明： Yl，m与与n无关，只要无关，只要l、m相同，它们的角度分布图相同，它们的角度分布图是一样的是一样的 。 Y 图中各点只代表图中各点只代表Y 值随值随和和改变而变化的情况，并改变而变化的情况，并不代表电子离核远近的数值，不代表电子离核远近的数值，Y 与与r 无关
28、。无关。 原子轨道角度分布图中的正负号反映了电子的波动原子轨道角度分布图中的正负号反映了电子的波动性，类似于机械波中的波峰与波谷，当两个波相遇时，性，类似于机械波中的波峰与波谷，当两个波相遇时，同号则相互加强，异号则相互减弱甚至抵削。同号则相互加强，异号则相互减弱甚至抵削。电子云的角度分布图与原子轨道的角度分布图相似，电子云的角度分布图与原子轨道的角度分布图相似，但有两点区别但有两点区别A：Y2均为正值，均为正值，B：图形：图形“瘦瘦”。它。它表示在空间不同方位上电子出现的概率。表示在空间不同方位上电子出现的概率。38（三）径向分布函数图（三）径向分布函数图 2 =P/dV P = 2 dV=
29、 2 4 r2 dr 2(r,)=R2(r) Y2(,) P= 4 r2 R2(r)Y2(,) drD(r)= 4 r2 R2 (r)D(r)称为称为径向分布函数径向分布函数(radial distribution function) D(r) 的的意义意义：电子在一个以原子核为中心：电子在一个以原子核为中心,半径为半径为 r，微单位厚度为微单位厚度为dr的同心圆薄球壳夹层的同心圆薄球壳夹层(其体积为其体积为dv)内出内出现的现的概率概率。反映了氢原子核外电子出现的概率与距离。反映了氢原子核外电子出现的概率与距离 r 的关系。的关系。 rdr39以以D(r) 对对r 作图作图, 得氢原子各种状
30、态的径向分布函数图。得氢原子各种状态的径向分布函数图。40从径向分布函数图可以得出从径向分布函数图可以得出:氢原子氢原子1s电子的径电子的径向分布函数图向分布函数图1. 在基态氢原子在基态氢原子(1s轨道轨道)中电子出现概率的中电子出现概率的极大值极大值在在r =a0(波尔半径，波尔半径， a0 =52.9pm)的球面上。而概的球面上。而概率密度的极大值处在率密度的极大值处在核附核附近近。412.径向分布函数图中的峰数有径向分布函数图中的峰数有 (nl ) 个。个。1个峰（1-0）2个峰（2-0）3个峰（3-0）1个峰（2-1）2个峰（3-1）1个峰（3-2）4个峰（4-0） 氢原子各种状态的
31、径向分布函数图氢原子各种状态的径向分布函数图423. l 相同相同, n越小越小,主峰离核主峰离核越近越近; n越大越大, 主峰离核主峰离核越远越远；好像电子处于某一好像电子处于某一电子层电子层。 n =2 l =0 n =1 l =0 n =3 l =0 n =2 l =1 n =3 l =1434. n相同相同, l 越小越小, 第一个峰离核第一个峰离核越近越近 ;第一个峰第一个峰与核的与核的距离为距离为: ns np nd nf又可理解为：又可理解为： l越小越小的电子的电子“钻穿钻穿”到核附近的能力到核附近的能力大大 ，称为，称为钻穿效应，钻穿效应，大小顺序为：大小顺序为：nsnpnd
32、nf 这是电子这是电子波动性波动性的反映的反映, 虽有虽有电子层电子层的概念，但外层的概念，但外层电子可以电子可以在内层出现在内层出现。44第三节第三节多电子原子的结构多电子原子的结构多电子原子：核外有两个或两个以上电子的原子称多电子原子：核外有两个或两个以上电子的原子称为多电子原子。为多电子原子。一、多电子原子能级一、多电子原子能级（一）多电子原子的能级（一）多电子原子的能级单电子原子的能级单电子原子的能级EnS=EnP=End=EnfE1sE2s=E2PE3S=E3P=E3dJnZE18221018. 245 多电子原子的能量：多电子原子的能量：1 1、屏蔽效应：、屏蔽效应：在多电子原子中
33、，其它电子对某电子在多电子原子中，其它电子对某电子有排斥作用，相当于其它电子屏蔽住原子核，抵消有排斥作用，相当于其它电子屏蔽住原子核，抵消了部分核电荷对该电子的吸引了部分核电荷对该电子的吸引, , 这种现象称为屏蔽这种现象称为屏蔽效应。效应。JnzEi18221018. 2)(Z Z：核电荷数，：核电荷数，Z=Z-Z=Z-：有效核电荷，：有效核电荷，：屏：屏蔽常数蔽常数JnzEH18221018. 2462、屏蔽常数的影响因素、屏蔽常数的影响因素（1）外层电子对内层电子的屏蔽作用可以不考虑。）外层电子对内层电子的屏蔽作用可以不考虑。0（2）内层电子对外层电子有屏蔽。次外层）内层电子对外层电子有
34、屏蔽。次外层 (n-1层层)电子对外层电子对外层(n层层)电子屏蔽作用较强，电子屏蔽作用较强，0.85 ，第，第（n-2）层及更内层电子对第）层及更内层电子对第n层电子的屏蔽常数均层电子的屏蔽常数均为为=1.00。（3）同层电子之间也有屏蔽作用，但比内层电子）同层电子之间也有屏蔽作用，但比内层电子的屏蔽作用弱。的屏蔽作用弱。 0.35, 两个两个1s之间之间0.30 。 由以上可知，屏蔽作用主要来自内层电子，由以上可知，屏蔽作用主要来自内层电子，因此得出：因此得出：47n相同时：相同时： l 越小的电子越小的电子,钻穿能力愈强钻穿能力愈强; 离核愈近离核愈近, 它它受到其它电子对它的屏蔽作用就
35、愈弱受到其它电子对它的屏蔽作用就愈弱,能量就愈低。能量就愈低。 故：故： EnsEnpEndEnfl相同时：相同时：n愈大的电子受到的屏蔽作用愈强，能量愈愈大的电子受到的屏蔽作用愈强，能量愈高。高。 E1sE2sE3sE4s E3dE4dE5dE6d 若若n、l 均不同，情况较复杂，目前无一般规律可循，均不同，情况较复杂，目前无一般规律可循，有时有有时有能级交错能级交错现象：现象：例如：例如： E3dE4s， E4fE6s。 48美国化学家鲍林根据实验，给出了原子轨道的近似能级顺序：美国化学家鲍林根据实验，给出了原子轨道的近似能级顺序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
36、 5p 6s 49二、二、 原子的核外电子排布原子的核外电子排布（一）（一）Pauli不相容原理不相容原理（1925年，奥地利物理学家年，奥地利物理学家Pauli W）在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子存在。子存在。电子层电子层n1234轨道数轨道数149 16容纳电子数容纳电子数 28 18 32结论：结论：n层有层有n2个原子轨道，可以容纳个原子轨道，可以容纳2n2个电子个电子 50（二）能量最低原理（二）能量最低原理电子排布时，总是最先占据能量最低的轨道，电子排布时，总是最先占据能量最低的轨道，只有当低能量轨道占满以后，才进入能量较
37、高的轨只有当低能量轨道占满以后，才进入能量较高的轨道。道。例题：写出例题：写出19号号K和和21号号Sc的电子组态。的电子组态。19号号K 1s22s22p63s23p64s121号号Sc 1s22s22p63s23p64s23d1应写成：应写成：1s22s22p63s23p63d14s2注意：电子的填充顺序与原子的电子组态的不同，注意：电子的填充顺序与原子的电子组态的不同，电子组态中，相同主量子数的轨道应排在一起。电子组态中，相同主量子数的轨道应排在一起。51例题：例题：写出写出24号号Cr的电子组态的电子组态。1s22s22p63s23p63d44s2 ( )1s22s22p63s23p6
38、3d54s1 ()（三）（三）Hund规则规则简并规道：简并规道：原子中能量相同的轨道，称为等价轨道原子中能量相同的轨道，称为等价轨道又称简并规道。又称简并规道。3个个 p 轨道：轨道： px，py， pz5个个 d 轨道：轨道：dxy， dxy， dxz， dx2-y2，dz27个个 f 轨道：轨道：52（1）在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，）在简并轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向平行。且自旋方向平行。轨道表示式：轨道表示式：以小方格表示原子轨道的电子排布式以小方格表示原子轨道的电子排布式.例如：例如：N原子组态是原子组态是1s22s22p3，轨道表示式为？，轨道表示式为
39、？1s2s2p7N6C1s2s2pC： 1s22s22p2轨道表示式为轨道表示式为53（2）简并轨道全满、半满、全空时原子能量较低）简并轨道全满、半满、全空时原子能量较低全满：全满：p6、d10、f14半满：半满：p3、d5、f7全空：全空：p0、d0、f0练习：写出练习：写出24号号Cr的电子组态。的电子组态。1s22s22p63s23p63d5 4s1 例题，写出例题，写出22 、25号元素的电子组态。号元素的电子组态。 22号：号：1s22s22p63s23p63d24s2 25号：号：1s22s22p63s23p63d54s2。54（四）价层电子组态（四）价层电子组态化学反应所涉及到的
40、轨道叫价层轨道，价层化学反应所涉及到的轨道叫价层轨道，价层轨道上的电子叫价层电子，包括：轨道上的电子叫价层电子，包括： 主族元素：主族元素： ns + np 副族元素：（副族元素：（n-2）f + (n-1)d + ns+ np+ nd例题，写出例题，写出22 、25号元素的价层电子组态。号元素的价层电子组态。22号：号：3d24s225号：号：3d54s2 用原子实表示电子组态，可表示为用原子实表示电子组态，可表示为稀有气体稀有气体价层电子。价层电子。55第四节第四节 原子的电子组态与元素周期表原子的电子组态与元素周期表56一、周期一、周期1 1、周期的划分、周期的划分根据电子层数划分：根据
41、电子层数划分：周期数周期数= =电子层数电子层数 基态中性原子具有的电子层数等于该元素所基态中性原子具有的电子层数等于该元素所处的周期数。处的周期数。57周期数和周周期数和周期名称期名称 起止元素起止元素 元素元素个数个数 本周期内各亚层电子填本周期内各亚层电子填充次序充次序 第一周期第一周期 1H2He 2 1s1-2第二周期第二周期 3Li10Ne 8 2s1-22p1-6 第三周期第三周期 11Na18Ar 8 3s1-23p1-6 第四周期第四周期 19K36Kr 18 4s1-23d1-104p1-6 第五周期第五周期 37Rb54Xe 18 5s1-24d1-105p1-6 第六周
42、期第六周期 55Cs86Rn 32 6s1-24f1-145d1-106p1-6 第七周期第七周期 87Fr未完未完 7s1-25f1-146d1-7 58周期表中把性质相似的归为一族周期表中把性质相似的归为一族(竖行竖行)；分主族和；分主族和副族，是根据相似的电子组态划分的。副族，是根据相似的电子组态划分的。二、族二、族 主族主族(A)：8个，个，AA, A族又叫族又叫0族。它们的族。它们的内层电子全充满，最后一个电子填入内层电子全充满，最后一个电子填入ns或或np亚层。亚层。 价层电子数价层电子数 = 族序数族序数 = 最外层电子数最外层电子数副族副族(B)：8个，个，B B，均为金属元素
43、。最后，均为金属元素。最后一个电子填入一个电子填入(n1)d或或(n2) f亚层。也称亚层。也称过渡元过渡元素素, 其中镧系和锕系又称其中镧系和锕系又称内过渡元素。内过渡元素。591、对于对于(n1)d电子未充满的元素，电子未充满的元素， B B族序数等于族序数等于(n1)d和和ns电子数之和。电子数之和。如如: Sc ，Ar3d14s2 应属于应属于B族。族。2、对于对于(n-1)d电子已充满的元素，电子已充满的元素，B和和B。 族序数等于最外层电子数族序数等于最外层电子数 如，如，Cd ， Kr4d105s2 应属于应属于B族。族。3、镧系和锕系元素均属于镧系和锕系元素均属于B族。族。4、
44、B族族: 有三个纵行，最后一个电子填充在有三个纵行，最后一个电子填充在(n-1)d亚层上亚层上, 价层电子构型是价层电子构型是(n-1)d6 10ns0,1,2 ,价电子总数价电子总数是是810。副族元素族序数与价层电子的关系：副族元素族序数与价层电子的关系：60s区元素：区元素： ns12, IA、IIA。p区元素：区元素：ns2np16，IIIAVIIA、0族（族（He, s2）。）。d区元素：区元素：(n-1)d19ns12 (Pd,4d10)，IIIBVIIIB族。族。 性质特征：性质特征：有多种氧化值，易形成配合物。有多种氧化值，易形成配合物。ds 区元素区元素: (n-1)d10n
45、s12, IB、IIB; 性质特征：性质特征：有多种氧化值。有多种氧化值。 三、周期表分区三、周期表分区 据价层电子组态的特征，将周期表分为据价层电子组态的特征，将周期表分为5个区个区：f 区元素：区元素： (n-2)f0-14 ns2或或(n-2)f014(n-1)d02ns2 (钍钍Th: 6d27s2)， 性质特征：性质特征：有多种氧化值。有多种氧化值。 61 0 62例：已知某元素的原子序数为例：已知某元素的原子序数为25，试写出该元素，试写出该元素原子的电子排布式，并指出该元素在周期表中所原子的电子排布式，并指出该元素在周期表中所属周期、族和区。属周期、族和区。 解：解： 1s22s
46、22p63s23p6 3d54s2 或或 Ar 3d54s2 n=4, 属于第四周期属于第四周期 最外层电子数最外层电子数+次外层次外层d电子数电子数 = 7 为为VIIB族族 3d电子未充满，应属于电子未充满，应属于d 区元素。区元素。63一、原子半径一、原子半径共价半径：共价半径：两个相同的原子以共价单键结合时两个原两个相同的原子以共价单键结合时两个原子核间距离的一半称为共价半径，用子核间距离的一半称为共价半径，用rcrc表示。表示。Van der WaalsVan der Waals半径半径: :指在分子晶体中，相邻分子间指在分子晶体中，相邻分子间两个非键合原子核距离的一半。两个非键合原
47、子核距离的一半。金属半径：金属半径：金属单质的晶体中，相邻两个原子核间距金属单质的晶体中，相邻两个原子核间距离的一半称为金属半径。离的一半称为金属半径。 三种半径中，共价半径和金属半径比三种半径中，共价半径和金属半径比Van der Van der WaalsWaals半径小，半径小，p155p155，图，图7-137-13 同一周期从左倒右，主族元素的原子半径逐渐减同一周期从左倒右，主族元素的原子半径逐渐减小；同一主族从上到下，原子半径逐渐增加。小；同一主族从上到下，原子半径逐渐增加。 第五节第五节 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性64电负性：电负性：原子在分子中吸引电子能力的相对大
48、小。原子在分子中吸引电子能力的相对大小。元素的电负性也呈周期性变化。元素的电负性也呈周期性变化。同周期，从左到右电负性渐增，同周期，从左到右电负性渐增，同主族，从上到下，电负性渐减。同主族，从上到下，电负性渐减。电离能：电离能：气态原子失去一个电子，变成一个气态正气态原子失去一个电子，变成一个气态正一价离子所需吸收的最低能量，叫第一电离能。一价离子所需吸收的最低能量，叫第一电离能。图图7-14 。电子亲和能：电子亲和能：一个气态的基态的原子与一个电子结一个气态的基态的原子与一个电子结合形成一个气态的负一价离子所放出的能量，叫第合形成一个气态的负一价离子所放出的能量，叫第一电子亲和能。亲和能的变
49、化规律和电离能类似。一电子亲和能。亲和能的变化规律和电离能类似。二、几个相关概念：二、几个相关概念：65主要内容主要内容 1 1、掌握四个量子数的名称、取值和意义。、掌握四个量子数的名称、取值和意义。 2 2、原子轨道的角度分布函数和原子轨道的角度分布、原子轨道的角度分布函数和原子轨道的角度分布 图，电子云的角度波函数和角度波函数图。图，电子云的角度波函数和角度波函数图。3 3、熟悉原子轨道、波函数、概率密度和电子云等概念。、熟悉原子轨道、波函数、概率密度和电子云等概念。 4 4、掌握多电子原子的能级，原子的电子组态和排布、掌握多电子原子的能级，原子的电子组态和排布 规律。元素周期表和元素性质的周期性变化规律。元素周期表和元素性质的周期性变化 规律。规律。
