第1章-原子结构与元素周期系

第1章原子结构和元素周期表Chapter1AtomicStructureandPeriodicTableofElements1.了解原子核外电子运动的基本特征、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念。2.了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范围。3.熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向。4.理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点。5.能从原子的电子层结构了解元素性质、原子半径、电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化。本章教学要求1-1道尔顿原子论1-2相对原子质量(原子量)1-3原子的起源和演化1-4原子结构的玻尔行星模型1-5核外电子运动的量子力学模型1-6基态原子的核外电子排布1-7元素周期表1-8元素周期性本章教学内容原子结构理论的发展简史古代希腊的原子理论道尔顿(J.Dalton)的原子理论---19世纪初卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型---19世纪末近代原子结构理论---氢原子光谱1-1道尔顿原子论古希腊原子论Democritus(460-370B.C)内容：宇宙由虚空和原子构成；每一种物质由一种原子构成；原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。道尔顿(J.Dalton)的原子理论——19世纪初道尔顿原子论要点：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。道尔顿原子论的试验基础是对化学物质的定量测定。18世纪中叶，一系列定量定律的发现：1785年拉瓦锡——质量守恒定律；1797年李希特——当量定律；1799年普鲁斯特——定比定律；1805年道尔顿——倍比定律。道尔顿原子论的重要贡献：①道尔顿提出了原子量的概念，并用实验测定了一些元素的相对原子质量。②道尔顿用符号来表示原子，是最早的元素符号。氧氢氮碳磷硫钾钡水一氧化氮二氧化硫甲烷氢氧化钾碳酸钡图1-2道尔顿的(简单)原子和复合原子(分子)图1-2中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训——要揭示科学的真理不能光凭想象，更不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济原则”，客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。思维经济原则：马赫主义的一条认识论原则，马赫在1872年提出，指人们在进行哲学思维时，必须遵循一条最简单、最省事、费力最小而又最能说明问题的原则。③为贝采里乌斯原子量和元素符号奠定了坚实的基础，极大地推动了化学的发展。贝采里乌斯原子量(1818和1826)元素道尔顿原子量（1810）贝采里乌斯原子量（1818）贝采里乌斯原子量（1826）当今相对原子质量（1997）O71616.02615.9994Cl35.4135.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731.43630.973761C5.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.32974.92160Pt100194.4194.753195.0781-2相对原子质量（原子量）1-2-1元素、原子序数和元素符号1-2-2核素、同位素和同位素丰度1-2-3原子的质量1-2-4元素的相对原子质量（原子量）1-2-1元素、原子序数和元素符号元素：具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）元素。原子序数：按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。元素符号：每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的1摩尔原子。1-2-2核素、同位素和同位素丰度核素：具有一定质子数和一定中子数的原子（的总称）。目前，已知的核素超过2000种。核素有两类：一类是稳定核素，它们的原子核是稳定的；另一类是放射性核素，它们的原子核不稳定，会自发释放出某些亚原子微粒（、等）而转变为另一种核素。例：衰变)He(424A2ZAZ核核核核4A2ZAZRfSg259104263106Ra22688Rn+He2228642alphaparticle衰变：又分为-，+及电子俘获三种：C146N+e1470-1particleTc9543Mo+e954201positronAr4018K+e40190-1在自然界，有的元素只有一种稳定核素（不计人造放射性同位素），称为单核素元素，有的元素有几种稳定核素（半衰期特别长的天然放射性同位素也常称作稳定核素），称为多核素元素。通常用元素符号左上、下角添加数字作为核素符号。核素符号左下角的数字是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。如16181O,H同位素：质子数相同中子数不同的原子（的总称）。具有相同核电荷数、不同中子数的核素属于同一种元素，在元素周期表里占据同一个位置，互称同位素。例：161718888123111O,O,O;H,H,H同量异位素：核子数（质量数）相同而质子数和中子数不同的原子（的总称）。同中素：具有一定中子数的原子（的总称）。稳定核素不稳定核素核素自然界的元素多核素元素某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。例如，氧的同位素丰度为：f（16O）=99.76%，f（17O）=0.04%f,（18O）=0.20%；同位素丰度：对单核素元素，如氟，同位素丰度为：f（19F）=100%。有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。1-2-3原子的质量以原子质量单位u为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。1u等于核素12C的原子质量的1/12。有的资料用amu或mu作为原子质量单位的符号，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为“道尔顿”（小写字首的dalton）。1u等于多少?取决于对核素12C的一个原子的质量的测定。最近的数据是：1u=1.660566（9）×10-24g核素的质量与12C的原子质量1/12之比称为核素的相对原子质量。核素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。1-2-4元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（长期以来称为原子量）。根据国际原子量与同位素丰度委员会1979年的定义，原子量是指一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩尔质量的1/12的比值。这个定义表明：元素的相对原子质量（原子量）是纯数。单核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的核素的相对原子质量。多核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。加权平均值加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用Ar代表多核素元素的相对原子质量，则：Ar=ΣfiMr,i式中：fi——同位素丰度；Mr,i——同位素相对原子质量国际原子量和同位素丰度委员会每两年公布一次最新的原子量。我国化学家，中国科学院院士张青莲先生是测定原子量的专家。至今，IUPAC的国际原子量委员会先后采纳了7个由张青莲先生的研究组提供的相对原子质量数据。1-3原子的起源和演化1宇宙之初2氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧3α过程、e过程4重元素的诞生5宇宙大爆炸理论的是非1-4原子结构的玻尔行星模型1-4-1氢原子光谱1-4-2玻尔理论“光谱”(spectrum)一词是牛顿根据太阳光通过三棱镜后得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫而提出的。1-4-1氢原子光谱自然界的连续光谱实验室的连续光谱红橙黄绿青蓝紫到1859年，德国海德堡大学的基尔霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱学的基础。光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就像“指纹”辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。HHeLiNaBaHgNe然而，直到20世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。氢原子光谱氢光谱在可见范围内有四根比较明显的谱线：一条红、一条青、一条蓝、一条紫，通常用H、H、H、Hδ来表示，它们的波长依次为656.2、486.1、434.0、410.2nm。氢原子光谱的特征：♦不连续光谱，即线状光谱；♦从H-Hδ频率有明显的规律性。1883年J.J.Balmer发现谱线的频率服从如下经验公式：364600422.nn后来，里德堡(J.R.Rydberg1854-1919)把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：)121(1~22nRH巴尔麦经验公式RH为里德堡常量,实验确定为1.09677×107m-1。TheallowedvaluesforninaboveequationNamen1n2LymanseriesBalmerseriesPaschenseriesBrackettseriesPfundseries123452,3,4,…3,4,5,…4,5,6,…5,6,7,…6,7,8,…对于氢原子的可见区的四条谱线：n=3红（H）n=4青（H）n=5蓝紫（H）n=6紫（Hδ）为什么是不连续的线状光谱？四条谱线为什么这样分布？爱因斯坦的光子学普朗克的量子化学氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型1913年，28岁的Bohr在的基础上，建立了Bohr理论1-4-2玻尔理论Bohr理论的主要内容1.行星模型假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。这是一种“类比”的科学思维方法。因此，玻尔的氢原子模型形象地称为行星模型。2.定态假设假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。据经典力学，电子在原子核的正电场里运行，应不断地释放能量，最后掉入原子核。如果这样，原子就会毁灭，客观世界就不复存在。因此，定态假设为解释原子能够稳定存在所必需。玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发态的概念至今仍然是说明核外电子运动状态的基础。3.量子化条件玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量（L=mvr，其中m电子质量，v电子线速度，r电子线性轨道的半径），只能按下式取值：Lnhn212345,,,,,n叫做量子数(quantumnumber),取1,2,3,…等正整数。轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约,图中示出的这些固定轨道,从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于1,2,3,4,5,6,7。根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53pm,这就是著名的玻尔半径。4.跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差，这就是跃迁规则。可以用下式来计算任一能级的能量，及从一个能级跃迁到另一个能级时放出光子的能量：J101792218n.E22211811101792nn.E解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱；对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释；说明了原子的稳定性；计算氢原子的电离能。玻尔理论的成功之处：玻尔理论的不足之处：不能解释氢原子光谱的精细结构；不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂；不能解释多电子原子的光谱。1-5氢原子结构(核外电子动)的量子力学模型1-5-1波粒二象性1-5-2德布罗意关系式1-5-3海森堡不确定原理1-5-4氢原子的量子力学模型1-5-1波粒二象性波的微粒性Plank的量子论Einstein的光子学说电子