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第1章 原子结构与元素周期系.doc

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    • 第1章 原子结构与元素周期系教学要求 1.掌握近代理论在解决核外电子运动状态问题上的重要结论:电子云概念,四个量子数的意义,s、p、d原子 轨道和电子云分布的图象2.了解屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能级的影响,熟练掌握核外电子的排布3.从原子结构与元素周期系的关系,了解元素某些性质的周期性教学时数 8学时1-1 道尔顿原子论 (自学)1-2 相对原子质量(原子量)1-2-1 元素、原子序数和元素符号十九世纪原子分子论建立后,人们认识到一切物质都是由原子通过不同的方式结合而构成的在氧气、氧化镁、水、二氧化硫、碳酸钙等性质各不相同的物质中都合有相同的氧原子,于是元素的概念被定义为:“ 同种的原于叫元素”元素是在原子水平上表示物质组分的化学分类名称原子核组成的奥秘被揭开以后,人们通过科学实验发现:同种元素的原子核里所含的质子数目是一样的,但中子数却可以不同如自然界中氧元素的原子有99.759%是由8个质子和8个中于组成的 816O),有0.037 %是由8个质子和9个中子组成的( 817O),0.204%是由8个质 子和10个中子组成的( 818O)因为中于数不同,所以同一元素可以有原子质量不同的几种原子,但决定元素化学性质的主要因素不是原于质量而是核外电子数,核外电子数又决定于核内的质子数即核电荷数,所以质子数相同的一类原子,共化学性质基本是相同的。

      根据现代化学的观念,元素是原子核里质子数(即核电荷数)相同的一类原子的总称这样,人们就进一步了解了元素的本质,元素就是以核电荷为标准, 对原子进行分类的,也就是说,原子的核 电荷是决定元素内在联 系的关键迄今为止,人们已经发现的化学元素有109种(但第108号元素尚待最后认定),它们组成了目前已知的大约五百万种不同物质宇宙万物都是由这些元素的原子构成的 1-2-2 核素、同位素和同位素丰度具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子称为核素 例如原子核里有6个质子和6个中子的碳原子,它们的质量数是12,称碳—12核素或写为 12C核素原于核里有 6个质子和7个中子的碳原子 质量数为13,称 13C核素氧元素有三种核素: 16O、17O、18O核素具有多种核素的元素称多核素元素氧元素等都是多核素元素,天然存在的钠元素,只有质子数为11,中于数 为12的一种钠原子 1123Na,即钠元素只有 23Na一种核素,这样的元素称单一核素元素 质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称同位素即多核素元素中的不同核素互称同位素同种元素的不同核素,质子数相同,在周期表中占同一位置,这就是同位素的原意。

      1-2-3 原子的 质量同位素发现以后,人们认识到每种元素都有一定数目(一种或一种以上)的核素某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量,简称原子质量1973年国际计量局公布了原子质量的单位,规定一个 12C核素原子质量的1/12为“ 统一的原子 质量 单 位” ,用 “u”表示 (有的资料中写为“amu”, “mu”)因此,12C的原子 质 量等于12u通过质谱仪可以测定各核素的原子质量及其在自然界的丰度,据此就可以计算出元素的平均原子质量如汞的平均原子质量为200.6u根据相对原子质量的定义,某元素一个原子的平均质量(即平均原子质量)对 12C原子质量的1/12之比 1-2-4 元素的相 对原子质量国际原子量与同位素丰度委员会给原子量下的最新定义(1979年)是:一种元素的相对原子质量是该元素1摩尔质量对核素 12C的1 摩尔质量1/12的比值由于1mol任何元素都含有相同的原子数,因此,相 对原子质量也就是一种元素的一个原于的平均质量对 12C核素一个原子的质量的 1/12之比所 谓一个原子的平均质量,是 对一种元素含有多种天然同位素说的,平均质量可由这些同位素的原子质量和丰度来计算。

      相对原子质量用符号Ar(E)表示,A代表原子质量,下标r表示相对,E代表某元素如氯元素的相对原子质量等于35.453,可表示 为Ar(Cl)=35.453,它表示1mol氯原子的 质 量是核素 12C的1摩尔质量1/12的35.453倍亦即1个氯原子的平均质量是 12C原子质量1/12的 35.453倍可 见相对原子质量仅是一种相对比值,它没有单位 1-3 原子的起源和演化(自学)1-4 原子结构的玻尔行星模型1-4-1 氢原子光谱 不连续的线状光谱1-4-2 玻尔 理论(1)行星模型 (2)定态假设(3)量子化条件 (4)跃迁规则 1-5 氢原子结构(核外电子运动)的量子力学模型1-5-1波粒二象性1. 光的波粒二象性对于光:P = mc = h / c = h /  对于微观粒子: = h / P = h /m 2. 微粒的波粒二象性1-5-2德布 罗 意关系式P = h / = h / m1-5-3海森堡不确定原理微观粒子,不能同时准确测量其位置和动量测不准关系式: Δx·Δp≥ h /(4π ) Δx-粒子的位置不确定量 Δp-粒子的动 量不确定量 1-5-4氢 原子的量子力学模型1.电子云2.电子的自旋3.核外电子的可能运动状态4.4个量子数(1) 主量子数 n,n = 1, 2, 3…正整数,它决定电子离核的远近和能级。

      (2) 角量子数l,l = 0, 1, 2, 3…n-1,以s, p,d,f 对应的能级表示亚层,它决定了原子轨道或电子云的形状 (3) 磁量子数m,原子轨道在空间的不同取向, m = 0, 1, 2, 3...l,一种取向相当于一个轨道,共可取2l + 1个数 值m值反应了波函数(原子轨道)或电子云在空间的伸展方向 (4)自旋量子数m s,ms = ±1/2, 表示同一轨道中电子的二种自旋状 态5.描述核外电子空间运动状态的波函数及其图象1-6基态原子电子组态(电子排布)1-6-1构造原理(1)泡利原理每个原子轨道至多只能容纳两个电子;而且,这两个电子自旋方向必须相反或者是说,在同一个原于中,不可能有两个电子处于完全相同的状态,即原子中两个 电子所处状态的四个量子数不可能完全相同2)洪特规则在n和l相同的简并轨道上分布的电子,将尽可能分占不同的轨道,且自旋平行3)能量最低原理就是电子在原子轨道上的分布,要尽可能的使电子的能量为最低1-6-2基 态原子 电子组态1-7元素周期系1-7-1 元素周期律、元素周期系及元素周期表 1-7-2元素周期表维尔纳长式周期表(见p50)1-7-3元素原子 电子层结构与元素在周期表中的位置的关系 2原子的电子层结构与元素的周期 (1) 周期数==电子层数==最外电子层的主量子数n。

      (2) 各周期元素的数目 ==相应能级组中原子轨道所能容 纳的电子总数 2 原子的电子层结构与元素的族 元素周期表中共有16个族:7个A族(主族)和7个B族(副族),还有1个零族和1个第Ⅷ族3原子的电子层结构与元素的分区根据原子的电子层结构的特征,可以把周期表中的元素所在的位置分为五个区1) s区元素,最外 电子层结构是ns 1和ns 2,包括 IA、IIA族元素 (2) p区元素,最外电子层结构是ns 2 np1-6,从第 ⅢA 族到第0族元素 (3) d区元素,电子层结构是(n-1)d 1-9ns1-2, 从第ⅢB族到第Ⅷ类元素 (4) ds区元素, 电子层结构是(n-1)d 10ns1和(n-1) d10 ns2,包括第IB、 IIB族 (5) f区元素, 电子层结构是( n-2)f 0-14 (n-1)d 0-2ns2,包括镧系和锕系元素1-8元素周期性1-8-1原子半径原子的大小以原子半径来表示,在讨论原子半径的变化规律时,我们采用的是原子的共价半径,但稀有气体的原子半径只能用范德华半径代替1 同周期原子半径的变化主族元素,同一周期,从左到右随着原子序数的增加,核电荷数在增大,原子半径在逐渐缩小。

      但最后到稀有气体时,原子半径突然变大, 这主要是因为稀有气体的原子半径不是共价半径,而是范德华半径副族元素原子半径变化与主族的趋势基本一致,原子半径逐渐缩小,但有例外2同族元素原子半径的变化在主族元素区内,从上往下,尽管核电荷数增多,但由于电子层数增多的因素起主导作用,因此原子半径显著增大副族元素区内,从上到下,原子半径一般只是稍有增大其中第5与第6周期的同族元素之间原子半径非常接近,这主要是镧系收缩所造成的结果1-8-2电 离能元素的第一电离势越小,表示它越容易失去电子,即该元素的金属性越强因此,元素的第一电离势是该元素金属活泼性的一种衡量尺度电离势的大小,主要取决于原子核电荷、原子半径和原子的电子层结构由上 图可见元素第一电离势的周期性变化1、在每一周期中,在曲线各最高点的是稀有气体元素,它的原子具有 稳定的8电子结构,所以它的电离势最高而在曲 线各最低点的是碱金属元素,它们的电离势在同一周期中是最低的,表明它们是最活泼的金属元素各周期其它元素的电离势则介于这两者之间在同一周期中由左至右,随着原子序数增加、核电荷增多、原子半径变小,原子核对外层电子的引力变大,元素的 电离 势变大元素的金属性慢慢减弱,由活泼的金属元素过渡到非金属元素。

      2、在每一族中自上而下,元素 电子层数不同,但最外层电子数相同,随着原子半径增大,电离势变小,金属性增强在ⅠA族中最下方的铯有最小的第一电离势,它是周期系中最活泼的金属元素而稀有气体氦则有最大的第一电离势3、某些元素其电离势比同周期中相邻元素的高,是由于它具有全充满或半充满的电子层结构,稳定性较高1-8-3电 子亲合能当元素处于基态的气态原子得到一个电子成为负一价阴离子时所放出的能量,称为该元素的电子亲合势元素的电子亲合势越大,表示它的原子越容易获得电子,非金属性也就越强活泼的非金属元素一般都具有较高的电子亲合势由于电子亲合势的测定比较困难,目前元素的电子亲合势数据不如电离势数据完整,但从上面已有的数据仍不难看出,活 泼的非金属具有较高的电子亲合势,而金属元素的电子亲合势都比较小,说明金属在通常情况下难于获得电子形成负价阴离子在周期中由左向右,元素的电子亲合势随原子半径的减小而增大,在族中自上而下随原子半径的增大而减小但由上表可知,ⅥA和 ⅦA族的头一个元素(氧和氟)的电子亲合势并非最大,而分 别比第二个元素(硫和氧)的电子亲合势要小这一反常现象是由于氧、氟原子半径最小,电子密度最大,电子间排斥力很强,以致当加合一个电子形成负离子时,放出的能量减小。

      1-8-4电负 性元素的电离势和电子亲合势都是只从一个方面反映了某原子得失电子的能力,只从电离势或电子亲合势的大小来衡量金属、非金属的活泼性是有一定局限性的实际上元素在形成化合物时,有的元素的原子既难于失去电子,又难于获得电子,如碳、氢元素等因此在原子相互化合 时,必须把该原子失去 电子的难易程度和结合电子的难易程度统一起来考虑因此把原子在分子中吸引电子的能力叫做元素的电负性由上表可见元素的电负性呈现周期性变化在同一周期中,从左到右,随着原子序数增大,电负性递增,元素的非金属性逐渐增强在同一主族中,从上到下电负性递减,元素的非金属性依次减弱副族元素的电负性没有明显的变化规律在周期表中,右上方氟的电负性最大,非金属性最 强,左下方 铯的电负性最小,金属性最强一般来说,金属元素的电负性在~2.0 以下,非金属元素的电负性在~2.0以上根据元素电负性的大小,可以衡量元素的金属性和非金属性的强弱,但 应注意,元素的金属性和非金属性之间并没有严格的界限1-8-5 氧化态元素的氧化数与原子的价层电子构型或者说与价电子数有关1、主族元素的氧化数在主族元素原子中,仅最外层的电子(即价电子)能参与成键,因此主族元素(氧、氟除外)的最高氧化数等于其原子的全部价电子数,还等于相应的族数。

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