第三章-物质结构基础知识-part2

13-2原子的核外电子排布根据光谱数据，归纳出核外电子排布遵循三个原理。“系统的能量愈低，愈稳定”是自然界的普遍规律。基态原子，是最稳定的系统，能量最低。最初认为：原子的核外电子按照原子轨道能级从低到高的顺序依次填充，即符合能量最低。实践证明：上述考虑是片面的。电子分布在什么轨道，并不完全由该轨道的能级高低决定，而是由整个原子的能量是否最低决定。1.能量最低原理：一、核外电子排布规律2〖能量最低原理〗基态多电子原子核外电子排布时，总是先占据能量最低的轨道，当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整个原子能量最低。核1234567高能量由低离核距离近远3•每一电子亚层最多容纳的电子数为：s2、p6、d10、f14•每一电子层最多能容纳的电子数为原子轨道的2倍，即2n2。2.Pauli不相容原理(exclusionprinciple)：由此可知：•一个原子中不允许有两个电子处于完全相同的状态。•在一个原子轨道上最多能容纳两个自旋方向相反的电子。〖Pauli不相容原理〗在同一个原子中不可能有四个量子数完全相同的2个电子同时存在。43．Hund规则:在简并轨道上，电子总是尽可能分占不同的轨道，且自旋平行，使原子的总能量最低。如：基态碳原子，6C轨道式〖Hund规则〗电子在能量相同的轨道（即简并轨道）上排布时，尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，因为这样的排布方式总能量最低。7N轨道式58O轨道式9F轨道式电子排布式：6C1s22s22p27N1s22s22p38O1s22s22p49F1s22s22p5注：复杂原子核外电子的排布要按照轨道能级顺序（图3-2）填入电子。6例如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s226Fe1s22s22p63s23p63d64s224Cr1s22s22p63s23p63d44s2实验测定：1s22s22p63s23p63d54s1?填入按能级顺序书写按电子层顺序价层电子29Cu1s22s22p63s23p63d94s2实验测定：1s22s22p63s23p63d104s1再如：7全充满：S2,p6,d10,f14半充满：S1,p3,d5,f7全空：S0,p0,d0,f0Hund规则特例:简并轨道全充满、半充满、或全空的状态都是能量较低的稳定状态。24Cr1s22s22p63s23p63d44s2实验测定：1s22s22p63s23p63d54s129Cu1s22s22p63s23p63d94s2实验测定：1s22s22p63s23p63d104s1比较：81939年泡林(L.Pauling)鲍林近似轨道能级图二、近似轨道能级图9能量1s2s2p3s3p4s4p3d5s5p4d6s6p5d4f组内能级间能量差小，能级组间能量差大每个代表一个原子轨道p三重简并d五重简并f七重简并7s7p6d5f10所有的原子轨道，共分成七个能级组第一组1s第二组2s2p第三组3s3p第四组4s3d4p第五组5s4d5p第六组6s4f5d6p第七组7s5f6d7p图中圆圈表示原子轨道，其位置的高低表示各轨道能级的相对高低，图中每一个方框中的几个轨道的能量是相近的，称为一个能级组。相邻能级组之间能量相差比较大。每个能级组(除第一能级组外)都是从s能级开始，于p能级终止。能级组数等于核外电子层数，并与周期表中周期数是一致的。11从泡林近似能级图可以看出：(1)同一原子中的同一电子层内，各亚层之间的能量次序为nsnpndnf(2)同一原子中的不同电子层内，相同类型亚层之间的能量次序为123;234ssspPp(3)同一原子中第三层以上的电子层中，不同类型的亚层之间，在能级组中常出现能级交错现象，如：434;545;6456sdpsdpsfdp高电子层中低亚层（如4s）的能量反而低于某些低电子层中高亚层（如3d)的能量这种现象称为能级交错。12对于鲍林近似能级图，需要注意以下两点：(1)它只有近似的意义，不可能完全反映出每个原子轨道能级的相对高低。(2)它只能反映同一原子内各原子轨道能级的相对高低，不能用鲍林近似能级图来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。13科顿能级图Pauling的近似能级图并不能反映不同元素同一原子轨道在能量上的差异。实际上，对不同元素的同一原子轨道在能量上是有差异的。Cotton的能级图能很好地反映这一差异。141s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p1.02.02.73.03.74.04.44.75.05.45.76.06.16.46.7ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ288181832表3-3多电子原子能级组能级n+0.7l能级组组内电子数徐光宪的能级分组：n+0.7l整数相同者为一组2.每个周期所含元素的数目与能级组最多能容纳的电子数相同。1.每个能级组对应一个周期。可见：15+11281表示原子核内有11个质子弧线表示电子层数字表示该层所填充的电子数在原子中，核内质子数=核外电子数总和最外层原子结构示意图(高中已学的核外电子的排布式)16三.核外电子的排布和元素周期性表3-4(P36)列出了由光谱实验数据得到的原子序数1-36各元素基态原子中的电子排布情况。哪些元素的电子排布符合泡林近似能级图规律，哪些不符合？例如：其电子排布式为其电子排布式为2262112233sspsp22626102512233344sspspdsp根据上述三条规则，就可以确定大多数元素的基态原子中电子的排布情况。电子在核外的排布常称为电子层构型(简称电子构型)。13Al35Br17电子排布的书写要求（2）可用原子实（稀有气体元素符号）简写电子排布式。(1)按电子层的顺序写;47Ag[Kr]4d105s1(3)离子的电子排布式，是在基态原子的电子排布式基础上加上得到或失去的电子。47Ag1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s147Ag+[Kr]4d1047Ag+1s22s22p63s23p63d104s24p64d1018电子在核外排布的表示方法（三种）：由于参加化学反应的只是原子的外层电子。为了书写方便，常将内层电子用相应的稀有气体的电子层构型代替。如以上两例的电子排布也可简写成：(1)电子排布式按电子在原子核外各亚层中分布的情况，在亚层符号的右上角注明排列的电子数。例如：19K29Cu19K29Cu原子实原子实由原子核及内层电子组成。19(2)轨道表示式按电子在原子轨道中的分布情况，用一个圆圈或一个方格表示一个原子轨道(简并轨道的圆圈或方格连在一起)，用向上或向下箭头表示电子的自旋状态。例如：20(3)用量子数表示即按外层电子所处的状态用整套量子数表示。23([]33)15PNesp23s13,0,0,2则这2个电子用整套量子数表示为123,0，0，33p这3个电子用整套量子数表示为123,1，0,;3,1，1,3,1，-1，;121221试写出7、15、18、25号（锰）元素的简化电子排布式。随堂练习22当元素按照核电荷数递增的顺序排列时，电子构型呈周期性变化,元素性质呈现周期性变化。元素周期表(一)元素周期律元素性质周期性变化的规律称为元素周期律，反应元素周期律的图表形式称为元素周期表，亦称元素周期系。核外电子排布原子的最外层电子排布的周期性变化25（一）能级组与周期的关系第7周期预测有32种元素，现只有26种元素，故称为不完全周期。人工合成元素(104－112)将电子层数相同的元素排列成一个横行，称为一个周期。26我国科学家预言，元素周期表可能存在的上限在第8周期(119~168号)，大约在138号终止。各周期的元素数目与其相对应的能级组中的最大电子容量相一致。原子的最外层的主量子数与该元素所在的周期数相等。每一周期中的元素随着原子序数的递增，总是从活泼的碱金属开始(第1周期除外)，逐渐过渡到稀有气体为止。元素性质的周期性变化，是元素的原子核外电子排布周期性变化的必然结果。27元素周期表的结构周期短周期长周期第1周期：2种元素第2周期：8种元素第3周期：8种元素第4周期：18种元素第5周期：18种元素第6周期：32种元素不完全周期第7周期：26种元素镧57La–镥71Lu共15种元素称镧系元素锕89Ac–铹103Lr共15种元素称锕系元素周期序数=电子层数＝最外层电子的主量子数（横向）28把最外层电子数相同的元素按电子层数递增的顺序从上到下排成纵行，称为同一族。分主族和副族，是根据相似的电子构型划分的。(二)价层电子构型与族主族(A)：8个，ⅠA～ⅧA,ⅧA族又叫0族。它们的内层电子全充满，最后一个电子填入ns或np亚层。价层电子数=族序数=最外层电子数副族(B)：8个，ⅠB～ⅧB，均为金属元素。最后一个电子填入(n－1)d或(n－2)f亚层。也称过渡元素,其中镧系和锕系又称内过渡元素。29元素主要化合价的周期性变化301、对于(n－1)d电子未充满的元素，ⅢB～ⅦB族序数等于(n－1)d和ns电子数之和。如:Sc，[Ar]3d14s2应属于ⅢB族。2、对于(n-1)d电子已充满的元素，ⅠB和ⅡB。族序数等于最外层电子数如，Cd，[Kr]4d105s2应属于ⅡB族。3、镧系和锕系元素均属于ⅢB族。4、ⅧB族:有三个纵行，最后一个电子填充在(n-1)d亚层上,价层电子构型是(n-1)d6-10ns0-2.副族元素族序数与价层电子的关系：31s区元素：ns1~2,IA、IIA。p区元素：ns2np1~6，IIIA~VIIA、0族（He,s2）。d区元素：(n-1)d1~9ns1~2(Pd,4d10)，IIIB~VIIIB族。性质特征：有多种氧化价态，易形成配合物。ds区元素:(n-1)d10ns1~2,IB、IIB;性质特征：有多种氧化价态。(三)元素的分区据价层电子组态的特征，将周期表分为5个区：f区元素：(n-2)f0-14ns2或(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2(钍Th:6d27s2)，性质特征：有多种氧化价态。32033例：已知某元素的原子序数为25，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属周期、族和区。解：1s22s22p63s23p63d54s2或[Ar]3d54s2n=4,属于第四周期∵最外层电子数+次外层d电子数=7∴为VIIB族3d电子未充满，应属于d区元素。343536棱台型元素周期表37扇形元素周期表38立式周期表39螺旋型周期表40展示电子排布的周期表41在多电子体系中，核外其它电子抵消部分核电荷，有效核电荷降低，使被讨论的电子受到的核的作用变小。这种作用称为其它电子对被讨论电子的屏蔽效应。Z*=Z－，为屏蔽常数。可见，屏蔽常数可理解为被抵消的那部分核电荷。1.有效核电荷Z*3-3元素性质的周期性42意义及规律元素原子序数增加时，原子的有效核电荷Z*呈现周期性的变化：同一周期：短周期：从左到右，Z*显著增加。长周期：从左到右，前半部分有Z*增加不多，后半部分显著增加。同一族：从上到下，Z*增加，但不显著。43有效核电荷数的周期性变化示意图44由该图可以看出：①有效核电荷随原子序数的增加而增加，并呈周期性变化。②同一周期的主族元素，从左到右随原子序数的增加，Z*有明显的增加；而副族元素Z*增加不明显。造成这种差别的原因是前者的同层电子间屏蔽作用减弱；而后者的内层电子对外层电子的屏蔽作用较强。③同族元素由上到下，虽然核电荷数增加得较多，但上、下相邻两元素的原子依次增加一个电子内层，使屏蔽作用增大，结果有效核电荷数增加不明显。452.原子半径(r)由于电子在原子核外的运动是概率分布的，没有明显的界限，所以原子的大小无法直接测定。通常所说的原子半径，是通过实验测得的相邻两个原子的原子核之间的距离(核间距)，核间距被形象地认为是该两原子的半径之和。根据原子之间成键的类型不同，将原子半径分为三种：46198pm←360pm→180pm99pm氯原子的共价半径氯原子的范德华半径金属半径是指某一元素的两个原子以共价键结合时，两核间距的一半。范德华半径是指分子晶体中紧邻的两个非键