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1、第一讲 原子结构和周期律上杭一中蓝永德高中化学奥赛培训教程一、原子结构和基本概念： 每一个质子带 电荷 相对质量约为 ，质子的数目决定 中子不带电，相对质量约为 围绕原子核作高速运动，每个电子带原子 电荷。 相对质量为一个质子（中子）的 。 最外层电子数目决定 。 原子核 核外电子质子（Z）中子(N)一个单位正电荷1元素的种类1一个单位负电荷1/1836元素的化学性质核电荷数质子数核外电子数=原子序数质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）质量数（A）=原子的相对原子量（Mr）1、核素，同位素，元素1、核素：具有具有一定数目一定数目质子质子和和一定数目一定数目中子中子的一种的一种原子。原子。核
2、素的符号表示：核素的符号表示：2、同位素： 质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同核素互称为同位素如：氢元素有三种核素: 氕 氘 氚1HHH11123分别表示为：H D T3、元素：具有相同具有相同质子数质子数( (核电荷数核电荷数) )的同一的同一类原子的总称类原子的总称如：如：8 O168O178O18氧元素的三种同位素三者关系:元素(同位素)核素核素 1）同位素的化学性质几乎相同。2）稳定核素在自然界中的含量（丰度）不变。3）同位素通过组合形成具有相同分子结构的单质或化合物分子。4、原子相对原子质量和元素相对原子质量Mr(原子相对原子量)单个原子的实际质量_12C原子的质量112 A（
3、质量数）Ar(元素相对原子质量) Mi aiM同位素相对原子质量（A）;a同位素自然界的含量（丰度）二、核外电子的运动状态1、 光和实物粒子的波粒二象性 1924年德国物理学家 L de Broglie (德布罗意)提出假设： 既然光是一种微粒又是一种波，那么静止质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性 1927年 (戴维逊)和 (盖末尔)获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证实了de Broglie的假设，从此科学家们开始接受实物粒子的波粒二象性。 电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子束电子枪结论：
4、 1.电子等实物粒子具有波粒二象性； 2.不能用经典物理的波和粒的概念来理解它的行为。 再次说明描述电子等微粒的运动规律只能用描述微粒运动规律的量子力学。2、 测不准原理测不准原理： 一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测量仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测定性。 xh/2 mv x位置偏差； x速度偏差； H(普朗克常数)=6.6261034JS3、几率的概念人们不可能同时准确的测定电子的运动速度和空间位置。不确定关系的建立，人们逐步摆脱经典力学的的局限，对电子等微粒采用统计方法，作出概率性判断，进一步建立微观运动方程-薛定谔方程。方程中的
5、解叫波函数（也叫原子轨道）是包含三个常数项n(主量子数)l(角量子数)m(磁量子数)和三个变量x,y,z的函数。氢原子的电子云图：1、一个小黑点代表电子曾经在此出现过一次。2、小黑点的疏密表示电子在核外空间单位体积内出现的概率的大小。电子轮廓图的制作S能级的原子轨道电子云轮廓图-原子轨道S能级的原子轨道是球形对称的.量子力学中描述电子运动的四个量子数1、主量子数（n）：确定电子运动能量时起头等主要作用。如氢原子中的电子能量完全由n决定。E=-13.6n2eV或不同的n值，对应于不同的电子层（能层）： 6 7K L M N O P Q低能（核近） 高能（核远）每层最多容纳2n2n 符号 最多电子
6、数1 K 22 L 83 M 184 N 32 核外电子的能层排布：1、每层最多排2n2电子。2、电子由能量最低的能层开始排布。（能量最低原则）3、最外层最多容纳8电子，当K层为最外层时最多排2电子，次外层（倒数第2层）最多18电子，倒数第3层最多32电子。排布表示：原子结构或离子结构示意图2、角量子数（l）角量子数决定原子轨道（电子云）形状，多电子体时和主量子数一起决定电子能量。角量子数(l)的取值只能为小于n的非负整数。角量子数l ： l 的取值 0，1，2，3n1 对应着 s, p, d, f. (亚层) S,p,d,f轨道的形状S轨道：球形P轨道：纺锤形d轨道：十字花瓣形3、磁量子数（
7、m）磁量子数m:决定原子轨道的空间取向。某种形状的原子轨道可以在空间取不同的伸展方向这是原子的线状光谱在磁场中能分裂，显示细微的能量差别现象的出的结果。磁量子数m可以取值：m=0,m=1,m=2,M=3m=l共有（2l+1)个数值。当l=0,m=0时，s的电子云只有一种伸展方向：当l=1,m=0，m=1，p的电子云有三种伸展方向：当l=2,m=0，m=1 ，m=2，p的电子云有五种伸展方向：当l=3,m=0，m=1 ，m=2，m=3，f的电子云有七种伸展方向：具有相同l值的电子，运动状态的能量在没有外加磁场时是相同的。如l=1有px=py=pz称它们为简并状态（简并轨道）=4、自旋量子数（ms
8、）决定电子自旋运动的量子数。Ms=12在每一个轨道上电子可以取两种自旋相反的状态：用和表示。（注意：电子的自旋电子的自旋不同于地球的自转不同于地球的自转）主量子数（n）角量子数（l）磁量子数（m）轨道符号轨道数 1 001s1 2 002s1 10，1，-12p3 3 003s1 10，1，-13p3 20，1，-1，2，-23d5 4 004s1 10，1，-14p3 20，1，-1，2，-24d5 30，1，-1，2，-2，3，-34f7 5 005s1 10，1，-15p3 20，1，-1，2，-25d5 30，1，-1，2，-2，3，-35f7 40，1，-1，2，-2，3，-3,+4
9、, -4 5g 9三、核外电子的排布（亚层表示）鲍林多电子原子轨道能级图多电子原子近似能级图的特点：1、近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，称为能级组能级组 1s 1s 第一能级组第一能级组 2s2p 2s2p 第二能级组第二能级组 3s3p 3s3p 第三能级组第三能级组 4s3d4p 4s3d4p 第四能级组第四能级组 5s4d5p 5s4d5p 第五能级组第五能级组 6s4f5d6p 6s4f5d6p 第六能级组第六能级组 7s5f6d7p 7s5f6d7p 第七能级组第七能级组 在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量
10、在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。2、能级图中的表示原子轨道，如：s亚层只有一个轨道。并列的表示能量相同但空间取向不同的轨道叫简并轨道简并轨道也叫等价轨道等价轨道。等价轨道的数目称为简并度简并度。如：p亚层为三重简并，d轨道为五重简并。3、角量子数l相同能级，其能量由主量子数n决定，n越大能量越高。如：2p3p4p5p4、n相同，l不同时，l越大电子能量越高。如：4s4p4d4f这种现象叫能级分裂能级分裂现象。5、n和l同时变动时从图中可以看出，能级的能量次序是比较复杂的。如：4s3d4p5s4
11、d5p6s5f4d6pns(n-2)f(n-1)dnp这种现象叫能级交错能级交错现象。能级交错能级交错和能级分裂能级分裂现象都可以通过屏蔽效应屏蔽效应和钻穿效应钻穿效应来加以解释。屏蔽效应屏蔽效应和钻穿效应钻穿效应1、对于多电子原子而言，核外电子除了受原子核的吸引外，还受到其它电子的排斥。这种排斥力的存在实际上相当于减弱了原子核对外层电子的吸引。可以说内部电子屏蔽了原子核的部分正电荷对外层电子的吸引，即有效核电荷数减小。这种现象叫屏蔽效应。Z=ZsZ:有效核电荷数， Z：核电荷数 ，s：屏蔽常数（s和电子数多少，原子轨道大小与形状以及被屏蔽电子离核的远近和运动状态有关）2、某些外层电子如4s电
12、子能钻到原子的内部空间而更靠近原子核，使能量得到降低，致使它的能量反比3d能量低，这种现象通常称之为钻穿效应钻穿效应。一般来说，当n大于3时外层电子由于角量子数l不同引起的能量差别相当大，致使:nd(n1)s (n=3,4,5,6); nf(n 2)s (n=4,5)核外电子排布的三个原则核外电子排布的三个原则1、能量最低原理。电子在轨道上的分布必须使整个原子的能量最低，这样体系最稳定。即电子的排布必须丛低能量得轨道排起。2、鲍林不相容原理。1925年鲍林在总结了大量实验结果后指出，在同一个原子中不允许两个电子的四个量子数完全相同，这就是著名的鲍林不相容原理。即在同一个原子轨道上最多只能只能容
13、纳容纳2 2个电子个电子，且自旋方向相反自旋方向相反。3、洪特规则： 洪特从光谱实验数据中总结出了一条规律：电子在简并轨道上分布简并轨道上分布时，将尽可能分占不同的分占不同的轨道轨道，且自旋方向相同自旋方向相同。洪特规则特例：当简并轨道全满或半满或全空时，整个原子的能量较低，亦较稳定。 全满：ns2 np6 nd10 nf14 全空： ns0 np0 nd0 nf0 半满： ns1 np3 nd5 nf7 核外电子的排布（原子的电子层结构）核外电子的排布（原子的电子层结构） 1 H Hydrogen 氢 1s1 * 2 He Helium氦 1s2 3 Li Lithium 锂 1s2 2s1
14、 4 Be Beryllium 铍 1s2 2s2 5 B Boron 硼 1s2 2s22p1* 6 CCarbon碳 1s2 2s22p2 7 NNitrogen氮 1s2 2s22p3 8 OOxygen氧 1s2 2s22p4 9 FFluorine氟 1s2 2s22p5 10 NeNeon氖 1s2 2s22p6原子序数电子轨道图元素符号 英文名称中文名称电子结构式 11 Na Sodium 钠 1s2 2s22p63s1 12 Mg Magnesium 镁 1s2 2s22p63s2 13 Al Aluminium 铝 1s2 2s22p63s23p1 14 Si Silicon
15、 硅 1s2 2s22p63s23p2 15 P Phosphorus 磷 1s2 2s22p63s23p3 16 Si Sulfur 硫 1s2 2s22p63s23p4 17 Cl Chlorine 氯 1s2 2s22p63s23p5 18 Ar Argon 氩 1s2 2s22p63s23p6原子序数元素符号英文名称中文名称电子结构式 * 19 K Potassium 钾 Ar 4s1 20 Ca Calcium 钙 Ar 4s2 * Ar 原子实原子实（核外电子满足稀有气体结构部分）， Ar 表 示 Ar 的电子结构式电子结构式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 。 原子实后面
16、是价层电子价层电子（原子的最高能级组轨道上的电子），即在化学反应中可能发生变化的电子。 * 虽先排 4s 后排 3d ， 但电子结构式中先写电子结构式中先写 3d，后写后写 4s * 21 Sc Scandium 钪 Ar 3d14s2 22 Ti Titanium 钛 Ar 3d24s2 23 V Vanadium 钒 Ar 3d34s2 24 Cr Chromium 铬 Ar 3d54s1 25 Mn Manganese 锰 Ar 3d54s2 26 Fe Iron 铁 Ar 3d64s2 27 Co Cobalt 钴 Ar 3d74s2 28 Ni Nickel 镍 Ar 3d84s2 原子的电子层 注意几个例外 :24号Cr 3d54s1 29号Cu 3d104s1 40号Zr 4d25s2 41号Nb 4d45s1 42号Mo 4d55s1 43号Tc 4d55s2 44号Ru 4d75s1 45号 Rh 4d85s1 46号Pd 4d10 1、原子的电子层结构与元素的分区 四、原子的电子层结构和元素周期表四、原子的电子层结构和元素周期表1）横七竖八（十八）横七：七个周期，含
