无机化学--第11讲 原子结构与元素周期律(2).pdf

1 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 9.3 多电子原子的结构多电子原子的结构 9.3.1 屏蔽效应屏蔽效应 9.3.2 钻穿效应钻穿效应 9.3.3 近似能级图与近似能级公式近似能级图与近似能级公式 9.3.4 核外电子的排布规律核外电子的排布规律 中南大学化学化工学院中南大学化学化工学院 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级 多电子原子结构多电子原子结构 核外电子排布核外电子排布 ?轨道：轨道：与氢原子类似，其电子运动状态可描述 为 与氢原子类似，其电子运动状态可描述 为1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s ?能量：能量：与氢原子不同与氢原子不同, 能量不仅与能量不仅与n有关有关, 也与也与l 有关有关; 在外加场的作用下在外加场的作用下, 还与还与m有关 ?核外电子能级高低的解释：核外电子能级高低的解释：屏蔽与钻穿效应屏蔽与钻穿效应 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 （一）屏蔽效应（一）屏蔽效应 +2 e- e- He +2 e- He+ 2- e- 假想He 屏蔽效应：屏蔽效应：多电子间的相互排斥使核外电 子云抵消（屏蔽）一些核电荷的作用，有 效核电荷数 多电子间的相互排斥使核外电 子云抵消（屏蔽）一些核电荷的作用，有 效核电荷数Z下降（变为下降（变为Z*）。

为屏蔽常数屏蔽常数，可用可用Slater 经验规则算得经验规则算得 Z= Z*，Z* 有效核电荷数有效核电荷数 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 求算求算 的的Slater规则规则 ?外层电子对内层电子的屏蔽作用可以忽略不计 ?内层对外层电子的屏蔽作用较强，且离核越近的 内层电子的屏蔽作用越强，若其屏蔽作用的电子 数越多，总的屏蔽作用就越强 ?同层电子之间也有屏蔽，但比内层要弱 ?同层电子的角量子数不同时，所受的屏蔽还有强 弱之分，l小的受屏蔽较小，所以同层电子中l不 同的轨道，其能量有高低之分： Ens

?能级顺序与外层轨道电子的填充顺序是一致的， 因此近似能级图实际上是电子填充顺序图能级图实际上是电子填充顺序图 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 4. F. A. Cotton (F.A.科 顿 科 顿)原子轨道能级图原子轨道能级图 原子轨道的能量随原子 序数的增大而降低 原子轨道的能量随原子 序数的增大而降低 随着原子序数的增大， 原子轨道产生 随着原子序数的增大， 原子轨道产生能级交错 现象 能级交错 现象 轨道轨道接近排满时接近排满时，能级 变得简单 ，能级 变得简单 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 科顿教授简介科顿教授简介 1930年出生于美国费城，年出生于美国费城，1951年于公立年于公立Drexel大学和大学和 Temple大学获得学士学位大学获得学士学位1955年获得哈佛大学博 士学位，师从诺贝尔奖获得者 年获得哈佛大学博 士学位，师从诺贝尔奖获得者Geoffrey Wilkinson （杰弗里（杰弗里威尔金森）随即进入麻省理工学院担任 讲师 威尔金森）随即进入麻省理工学院担任 讲师1961年获得了正教授年获得了正教授1972 年到德克萨斯年到德克萨斯 A&M大学担大学担Robert A Welch教授，并成为教授，并成为Doherty- Welch杰出教授和分子结构及成键实验室主任。

杰出教授和分子结构及成键实验室主任37岁 被选为美国科学院院士，他同时拥有十个国家的二 十八个荣誉博士头衔， 是多个国家外籍院士（包括 中国科学院外籍院士） 岁 被选为美国科学院院士，他同时拥有十个国家的二 十八个荣誉博士头衔， 是多个国家外籍院士（包括 中国科学院外籍院士） Prof. Cotton ?他的研究几乎涉及无机化学的每个领域，尤其是金属元素化学，他也是酶结构化 学的先驱之一，他解出的葡萄球菌核酸酶的结构是最早确定的高精确度酶结构之 一然而他的最突出贡献是的金属 他的研究几乎涉及无机化学的每个领域，尤其是金属元素化学，他也是酶结构化 学的先驱之一，他解出的葡萄球菌核酸酶的结构是最早确定的高精确度酶结构之 一然而他的最突出贡献是的金属金属键领域，使我们对元素周期表中接近半数 元素的化学性质的认识有了彻底的转变 金属键领域，使我们对元素周期表中接近半数 元素的化学性质的认识有了彻底的转变 ?他的著作高等无机化学已经被十四个国家翻译并且有超过他的著作高等无机化学已经被十四个国家翻译并且有超过50万副本被印刷万副本被印刷, 群论在化学中的应用已被翻译成七种文字另外还有如金属原子间的多重 键等 群论在化学中的应用已被翻译成七种文字。

另外还有如金属原子间的多重 键等30多本专著他是有史以来唯一接受全部七项金奖的美国化学家多本专著他是有史以来唯一接受全部七项金奖的美国化学家 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 授聘仪式于2006年9月19日上午在中南大学化学楼114报告厅举行，中南大 学校长黄伯云院士向F. A. Cotton教授颁发中南大学名誉教授证书 授聘仪式于2006年9月19日上午在中南大学化学楼114报告厅举行，中南大 学校长黄伯云院士向F. A. Cotton教授颁发中南大学名誉教授证书 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 基态原子中电子填充顺序基态原子中电子填充顺序------斜线规则斜线规则 电子排布式书写规则电子排布式书写规则 ?应先按应先按Pauling近似能级图中 能级组的能量 Pauling近似能级图中 能级组的能量由小到大的顺序 书写，其 由小到大的顺序 书写，其每个能级组中的轨道 又按主量子数 每个能级组中的轨道 又按主量子数由小到大的顺序 书写，即： 由小到大的顺序 书写，即： ?1s2s2p3s3p3d4s4p4d5s5p 4f5d6s6p5f6d7s7p ?各基态原子中电子的填充顺 序再按斜线规则依次填入上述 轨道中，同时考虑下述的 各基态原子中电子的填充顺 序再按斜线规则依次填入上述 轨道中，同时考虑下述的核外 电子排布的三原理 核外 电子排布的三原理。

无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 最低能量原理最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整 个原子系统能量最低 使整 个原子系统能量最低 Pauli不相容原理不相容原理 每个原子轨道中最多容纳每个原子轨道中最多容纳两个自旋方向相反两个自旋方向相反的电 子 的电 子第第n层，轨道数层，轨道数=n2电子数电子数=2n2 Hund 规则规则 在在 n 和和 l 相同的等价轨道上排布的电子相同的等价轨道上排布的电子,将尽可能分 占 将尽可能分 占 m 值不同的轨道值不同的轨道, 且自旋平行且自旋平行 核外电子排布的三个原理核外电子排布的三个原理 Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d64s2 N：1s2 2s2 2p3 3 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 1562622 4s3d3p3s2p2s1s Cr 24：=Z 半充满全充满规则半充满全充满规则（补充规则）（补充规则）：： 当轨道处于全充满、半充满时，原子较稳定 11062622 4s3d3p3s2p2s1s Cu 29：=Z Na 1s22s22p63s1 K 1s22s22p63s23p64s1 ?原子芯：原子芯：最外电子层为8电子的结构通常是一种比 较稳定的结构稀有气体结构，通常把内层电子已 达到稀有气体结构的部分写成原子芯，并以稀有气 体的元素符号加方括号 表示 Ne 3s1 Ar 4s1 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 24Cr 29Cu 47Ag 80Hg 64Gd 57La 1s22s22p63s23p63d54s1或Ar3d54s1 Ar3d44s2 1s22s22p63s23p63d104s1Ar3d104s1 Kr4d105s1 Xe4f145d106s1 Xe4f75d16s2Xe4f86s2 Xe4f05d16s2 Xe4f16s2 (个别交叉现象个别交叉现象) 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 9.4 元素周期律元素周期律 9.4.1 原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表 9.4.2 Z*的周期性的周期性 9.4.3 原子半径的周期性原子半径的周期性 9.4.4 电离能的周期性电离能的周期性 9.4.5 电子亲和能的周期性电子亲和能的周期性 9.4.6 电负性的周期性电负性的周期性 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 原子的电子层结构和 元素周期系 元素性质的周期性 原子的电子层结构和 元素周期系 元素性质的周期性 元素周期律元素周期律 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构和元素周期系 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 原子的电子组态和元素周期表原子的电子组态和元素周期表 ?1869年，俄国年，俄国门捷列夫门捷列夫(Mendeleev) ?元素周期律：元素周期律：元素以及由它形成的单 质和化合物的性质随着原子序数（核电荷 数）的依次递增，呈现周期性变化 元素以及由它形成的单 质和化合物的性质随着原子序数（核电荷 数）的依次递增，呈现周期性变化 ?元素周期表：元素周期表： 周期号数周期号数等于电子层数等于电子层数 各周期元素的数目各周期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 等于相应能级组中 原子轨道所能容纳的电子总数 主族元素的族号数主族元素的族号数等于原子最外层电 子数 等于原子最外层电 子数 4 无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学 量子数，电子层，。