《无机与分析化学基础》第三章：物质结构和元素周期律

第三章物质结构和元素周期律学习目标1.了解电子云和分子间作用力2.理解同位素、元素周期律、核外电子运动状态及化学键3.掌握原子组成、元素性质的递变规律及1～20号元素原子的核外电子排布19:46第一节原子结构一、原子组成原子是由居于原子中心带正电的原子核和带负电的核外电子构成。核电荷数（Z）=核内质子数=核外电子数质量数（A）＝质子数（Z）+中子数（N)19:46因此，只要知道上述三个数值中的任意两个，就可以推算出另一个数值来。例如，知道硫原子的核电荷数为16，质量数为32，则：硫原子的中子数＝32－16＝16归纳起来，见表3-119:46表3-1构成原子的粒子及其性质构成原子的粒子电子质子中子电性和电量1个电子带1个单位负电荷1个质子带1个单位正电荷不显电性质量/kg9.109×10－311.673×10－271.675×10－27相对质量1/1836（电子与质子质量之比）1.0071.00819:4619:46二、同位素我们已经知道，具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子总称为元素。表3-2氢元素三种不同原子的组成19:46不含中子的氢原子叫做氕；含1个中子的氢原子叫做氘，就是重氢；含2个中子的氢原子叫做氚，就是超重氢。为了便于区别，将氕记为1H，氘记为2H（或D），氚记为3H（或T）。元素符号的左下角记核电荷数，左上角记质量数。例如：普通水可以写成1H2O，分子量为18；重水写2H2O，分子量为20。11119:46符号同位素的原子量在自然界中各同位素原子所占百分比35Cl34.96975.7737Cl36.96624.23表3-3平均分子量计算34.969×75.77%＋36.966×24.23%＝35.453即氯的原子量为35.453。这正是元素的原子量常常不是整数而带有小数的原因。171719:46第二节原子核外电子的运动状态和电子排布电子是质量很小的带负电荷的微粒，它在原子这样大小的空间（直径约10-10m）内作高速的运动，它的运动跟普通物体运动有何不同？有何特殊规律？现在对这些问题做些初步的探讨。19:46一、电子云电子在核外空间一定范围内经常出现，就犹如一团带负电的云雾笼罩在原子核周围，人们形象的称之为电子云。19:46图3-1氢原子电子云示意图19:46图中小黑点比较密集的地方，就是电子出现几率大的地方，黑点疏的地方，就是电子出现少的地方。离核越近处密度越大，离核越远处密度越小。也就是说，在离核越近处，单位体积空间内电子出现的机会多，而离核越远处单位体积空间内电子出现的机会就少。19:46二、原子核外电子的运动状态电子能在核外一定区域内作高速运动，说明它们都具有一定的能量。实验证明，电子离核越近，能量越低；离核越远，能量越高。电子离核的远近，反映出电子能量的高低。电子在核外运动状态比较复杂，需要从四个方面来描述，即电子层、电子亚层、电子云的伸展方向和电子自旋状态。19:46（一）电子层根据原子核外电子能量的高低，将核外电子分层排布，能量低的在里层，能量高的在外层。电子层共分七层，由里向外依次称为第一电子层、第二电子层……第七电子层，习惯上常用K、L、M、N、O、P、Q等字母来表示。K层也就是第一层，以此类推。（二）电子亚层科学研究发现，在同一电子层中，电子的能量还稍有差别，根据这个差别，又可以把一个电子层分为一个或几个亚层，分别用s、p、d、f等符号表示。用n表示电子层数。（三）电子云的伸展方向（四）电子的自旋状态19:46三、原子核外电子的排布我们知道，核外电子分层排布是有一定规律的。1．各电子层最多可容纳的电子数目是2n2。2．最外层电子数目不超过8个(K层为最外层时不超过2个)。3．次外层电子数目不超过18个，倒数第三层电子数目不超过32个。知道原子的核外电子数和电子层排布以后，我们可以画出原子结构示意图。图3-2是1-18号元素的原子结构示意图。其中圆圈表示原子的原子核及核内质子数，弧线表示电子层，弧线上面的数字表示该电子层的电子数。19:4619:46在化学中，元素的性质一般是指它的金属性或非金属性。元素的金属性，通常是指它的原子有失去电子而成为阳离子的趋势。元素的非金属性，通常是指它的原子有得到电子而成为阴离子的趋势。四、原子结构与元素性质的关系19:46第三节元素周期律和元素周期表（一）核外电子排布的周期性（二）原子半径的周期性变化（三）元素主要化合价的周期性变化一、元素周期律19:46通过以上事实，我们可以归纳出一条规律：元素的性质随着元素原子序数（核电荷数）的递增而呈现周期性变化的规律称为元素周期律。元素的性质呈周期性变化是元素原子的核外电子排布呈周期性变化的必然结果。19:46（一）元素周期表的结构1.周期元素周期表中有7个横行，也就是7个周期，依次用1、2、3、4、5、6、7来表示。周期的序数就是该周期中元素原子具有的电子层数，同周期中的元素电子层数相同。2．族元素周期表中共有18个纵行，分16个族，其中有7个主族、7个副族、1个第Ⅷ族和1个0族。二、元素周期表19:46（二）元素周期表中元素性质的递变规律1．同周期中元素性质的递变规律在同一周期中各元素，电子层数相同，从左到右，最外层电子数目逐渐增多，原子半径依次减小，所以，随着核电荷数的递增，原子核对最外层电子的吸引力依次增强，原子失去电子的能力逐渐减弱，得到电子的能力逐渐增强，元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。2．同一主族中元素性质的递变规律在同一主族中的各元素，原子最外层电子数目相同，从上到下，原子的电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的吸引力逐渐减小。所以元素的原子失去电子的能力逐渐增强，得到电子的能力逐渐减弱，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。19:46第四节化学键分子中相邻原子（或离子）之间强烈的相互作用称为化学键。19:46表3-5化学键类型化学键类型离子键共价键金属键概念阴阳离子间通过静电引力所形成的化学键原子间通过共用电子对所形成的化学键金属阳离子与自由电子间通过相互作用而形成的化学键成键微粒阴阳离子原子金属阳离子与自由电子成键性质静电作用共用电子对电性作用形成条件活泼金属元素和活泼非金属元素非金属与非金属元素金属内部实例NaCl、MgOHCl、H2Fe、Na19:46一、离子键由阴、阳离子间通过静电引力作用所形成的化学键叫做离子键。19:46二、共价键原子间通过共用电子对所形成的化学键，叫做共价键。氢分子的生成可用电子式表示为：H.＋.H→H:H氯化氢分子的形成可表示为：19:46在化学上常用一根短线表示一对共用电子，因此，氢分子又可表示为：H—H且形成的价键为共价单键氯分子、氧分子和氮分子的形成跟氢分子相似，可分别表示为：Cl－Cl共价单键N≡N共价叁键19:46水分子、氨分子和二氧化碳的形成与氯化氢相似，可分别表示为：ON∕＼∕∣＼O=C=OHHHHH19:46第五节分子间作用力一、分子的极性（一）非极性分子（二）极性分子19:46二、分子间作用力自然界千万种物质的存在离不开分子内力（化学键）和分子间力，化学键决定微观物质的本质，分子间力决定宏观物质的存在。分子间力可分为范德华力和氢键等。（一）范德华力（二）氢键OHH……OHH∕＼＼∕∕＼＼∕HH……OHH……O19:46凡是和非金属性很强、半径很小的元素原子(F、O、N)形成共价键的氢原子，还可以再和这类元素的另一个原子相结合，这种结合力叫做氢键。氢键通常用虚线“……”表示,。氢键，不是化学键，而是分子间一种特殊作用力，其键能介于范德华力和化学键之间，它们的键能比例大约为：范德华力氢键化学键1：10：10019:46