1、教学内容,7.1原子性质的周期性变化 7.2原子的电子壳层结构 7.3原子基态的电子组态,第七章 原子的壳层结构,2. 教学要求,（1）了解元素周期表的结构，掌握玻尔对元素周期表的物理解释。 （2）掌握电子填充原子壳层的原则：泡利原理和能量最小原理，理解并掌握原子的电子壳层结构，能正确写出原子基态的电子组态，并求出其基态的原子态符号。 （3）解释电子填充壳层时出现能级交错的原因。,重点 玻尔对元素周期表的解释 电子填充壳层的原则,难点 原子基态电子填充壳层的顺序 能级交错的原因。,7.1原子性质的周期性变化,一、元素周期表,二、元素性质的周期性变化,1869年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究发
2、现元素的性质随着原子量的递增而发生周期性变化，他把当时已发现的63种元素按原子量的递增顺序排成一 行，并将性质相似的元素排在一个列中，编成了元素周期表。,一、元素周期表,性质与原子量的递增次序有矛盾时，以元素性质为主如：,K(钾）和Ar（氩）；Co( 钴）和Ni(镍）；Te(蹄）和I(碘）均调换了位置,目前，最新统计结果，共发现114种元素，1994年底是111种。这114种元素中有92种是天然存在的，其于的是人工制造的。这些元素都被人们按照门捷列夫的方法填在了周期表的适当位置上，构成了我们现在使用的元素周期表。,Ga(镓），Sc(钪）， Ge(锗）18751886年间被陆续发现。后人又陆续发
3、现了许多新元素，相继填充到周期表中。,预言三种元素的存在，在表中留了空位，预言了它们的性质：,按周期表排列的元素，原子序数核外电子数质子数或原子核的电荷数。,共有七个周期，每个周期元素、8、8。,有过渡族元素和稀土元素。,竖的称为列或族，有个主族和个副族。,每个周期从金属元素开始到惰性气体为止。表中左下部大半是金属，右上半部分是非金属。,二、元素性质的周期性变化,按周期表排列的元素，其性质出现周期性的变化：,元素的化学性质出现周期性的变化。 元素的光谱性质出现周期性的变化。 元素的物理性质显示周期性的变化。,原子体积，体胀系数和压缩系数对Z的标绘也都显示出相仿的周期性的变化。,问 题：,为什么
4、元素性质按周期表顺序会出现出现周期性的变化？,为什么有过渡族元素和稀土元素？,这些问题都必须从原子结构去了解只有对原子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周期表。,为什么每个周期的元素为，,7.2 原子的电子壳层结构,一确定电子状态的量子数,二、原子中电子分布所遵从的基本原理,4. 自旋磁量子数 ms= 1/2,一确定电子状态的量子数,一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，可用四个量子数来确定。,主量子数 n=1.2.3 ,2. 轨道角动量量子数 =0，1，2，3 (n-1),轨道磁量子数 m =0, 1, 2, ， ,代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分。,代表轨道的形状和
5、轨道角动量（按量子力学理论，代表电子云的形状）且也与能量有关。,代表轨道在空间的可能取向，或轨道角动量在某一特殊方向（例如磁场方向的分 量（量子力学中代表电子云的伸展方向）。,代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。,二、原子中电子分布所遵从的基本原理,1.泡利不相容原理2.能量最低原理,推论:1. 一个原子中,n, ,m ,ms这四个量子数完全相同 的电子只能有一个。,2.具有相同量子数n, ,m 的电子最多能有两个 ,它们的第四个量子数ms分别为 。,这是一条实验规律,它的内容是:在同一个原子中,一个被(n, ,m,ms)四个量子数表征的态中只能有一个电子；或
6、者说, 同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也可以说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。,1.泡利不相容原理,具有相同量子数n 的电子最多有 个,子壳层： 在每一个主壳层中，具有相同角量子数的电子的集合称为一个子壳层。,因为对每一个 , m可取（2 +1）个值，而对每一个m , ms又可以取两个值。,壳层结构,主壳层：我们把原子中n相同的一切电子的集合称为一个主壳层。,表 各壳层可以容纳的最多电子数,2、能量最低原理,原子在正常状态时，每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是趋向占有最低能量的状态，以使原子系统的能量具有最小值。,能量最低原理的补充
7、 (1)在同一子壳层中（相同）的电子排布 时，将首先占据磁量子数m 不同的状态、且使自旋平行。 (2)同一子壳层中当电子数为半满、全满、全空时能量最低。,（2 ） 考虑内层电子对原子核的屏蔽作用：E是的函数： 减小 ，Z*增加，所以，同一主壳层中 （n相同而不同）E(ns)E(np)E(nd)E(nf),（1） 原子能量的主要部 分： ，n 越小，能量越低。,（3 ） 当n， 都不相同时，同时考虑 n 和 Z* 的影响，则出现能级交错现象。既 n大小的能级，低于 n 小 大的能级。,原子中各状态能量高低次序,推论：,E（4s） E（3d） E（4p） E（5s） E（4d） E（5p） E（6
8、s） E（4f）E（5d） E（6p）,通常，当n3时，由n，决定的状态，可由经验公式： （n+0.7 ）值的大小来判断能级的高低 （n+0.7 ）值大的能级较高 （n+0.7 ）值小的能级较低,进一步考虑了电子填充后的系统的总能量应该最低，实际填充壳层的顺序如图所示。,7.3原子基态的电子组态,第一周期 第二周期 第三周期 第四周期 第五周期 第六周期 第七周期 总结,第一周期1.H 2.He,原子处于基态时，核外电子的排布情况,第二周期,3.Li 4.Be 5.B 6.C 7.N 8.O 9.F 10.Ne,1s22s1,1s22s2,1s22s22p1,1s,2s,2p,1s22s22p
9、2,1s22s22p3,1s22s22p4,1s22s22p5,1s22s22p6,11.Na 1s22p63s1 12.Mg 1s22p63s213.Al 1s22p63s23p114.si 1s22p63s23p215.P 1s22p63s23p316.S 1s22p63s23p417.Cl 1s22p63s23p518.Ar 1s22p63s23p6,因为3d空着,所以第三周期只有8个元素而不是18个元素,第三周期,第四周期 :,从 K 开始填充4s 因为能级交错现象,E4sE3dE4p 所以K开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第四周期。,特 点 :,各元素的原子都占有四个主壳层。 到
10、第36号元素Kr为止填满4p支壳层。 共有18个元素。,通过等电子系光谱的比较，可以清楚地看到，第19号电子为什么放弃3d而进入4s轨道。,基本思想：取19号元素K及类K离子进行研究，即,它们具有相同的结构，即原子实（核与18个核外电子构成）加1个价电子；不同的是核电荷数不同,K和类K离子的光谱项可表示为,Z是原子实的有效电荷数，它已经将轨道贯穿和原子实的极化效应都包含在内。,对于 之间；对于 之间； 对于 之间,故可将 Z统一表示为,其中是屏蔽常数。,对于等电子系，当n取定后， 与Z成线性关系，对于给定的n，作出 直线 ，得到莫塞莱(Moseley)图，,由莫塞莱图可以判定能级的高低，从而确
11、定电子的填充次序。,由图可见，n=3 和 n=4 的两条直线交Z=2021，所以对于19，20号元素,21号之后元素,由此可见：19，20号元素最外层电子只能先填 4s轨道；而21号之后的元素才开始进入3d轨道。除第三周期外，后面的各个周期也都存在这类似的情况，前一周期的壳层未填满，而又进入下一壳层，这都是由能量最小原理决定的.,特 点 : 各元素的原子都占有五个主壳层，多出一组 填充4d支壳层的10个元素。到氙(Z= 54)元素为止填满5p支壳层。 共有18个元素。,第五周期 :,从元素铷(Ru,Z=37) 开始填充 又因为能级交错现象,(4d支壳层10个,4f支壳层14个空着).在N壳层留
12、下24个空位,而开始填充第五壳层，所以Rn开始了第五个主壳层的填充,也就开始了第五周期。,各元素的原子都占有六个主壳层。 比第4,第5周期多出一组填充4f支壳层的14个元素，称为稀土族元素或称为镧系元素，到氙(Z= 86) Rn元素为止填满6p支壳层共有32个元素。,第六周期 :,从元素铯(Cs,Z=55) 开始填充。 又因为能级交错现象,(4f支壳层.5d等支壳层空着, 始了第六个主壳层的填充,也就开始了第六周期，所以 铯是第六周期的第一个元素。,特 点 :,各元素的原子都占有七个主壳层。 多出一组填充5f支壳层的14个元素，称为锕系元素。,第七周期 :,从元素钫(Fr,Z=87) 开始填充
13、,又因为能级交错现象,5f支壳层14个空着，所以在O壳层留下14个空位。6d支壳层10个空着，在P 壳层留下10个空位。 所以Fr开始了第七个主壳层的填充,也就开始了第七周期。,特 点 :,各原子的电子组态，原子态和相应的电离能列表如下。,5.4 原子基态光谱项的确定,一、基本原则,二 、 确定原子基态光谱项的简易方法,(1) 满壳层的电子不考虑 (2)考虑泡利原理 (3)考虑能量最低原理 (4)考虑洪特定则,一、基本原则,二 、 确定原子基态光谱项的简易方法,(1)由泡利原理和能量最低原理求一定 电子组态的最大S。(2)求上述情况上的最大L。(3)由半数法则确定J。(4)按2s+1Lj 确定
14、基态原子态（光谱项）。,例： 求14号元素 Si（基态电子组态是3p2）的基态原子态。,所以硅（Si）的基态为L=1,S=1,J=0，可得， 3p0 是它的基态的原子态。,洪特定则（1）,S大的能级位置低。,两个电子的自旋方向相同( )。,由洪特定则（2）知，L大的能级位置低。此时2个电子的 均相同，由泡利不相容原理， 不能完全相同，但又要尽可能使 最大或最小，,由洪特定则（3）知，小于半满壳层，J小的能级低,解、该类型为小于半满的同科电子耦合,ML取最大或最小计算出来的L值相同，以后可以只取最大值ml来计算即可,例：求24号元素铬（基态电子组态是3d54s）的基态原子态。,解、由两个小于等于
15、半满的壳层组成，先求出3d5组态的满足洪特定则的S1,L1值，再与4s求出最低的原子态,对于3d5,4s的量子数，,铬的基态原子态为7S3,S大的能级低 L大的能级低 J小的能级低（正常次序）,例：求26号元素铁（基态电子组态是3d6）的基态原子态。,解、该类型为大于半满的同科电子耦合，与3d4耦合的原子态相同，不同的是超过半满，满足反常次序。,对于3d4，按洪特定则,取反常次序,所以Fe的基态原子态为5D4,例：求45号元素铑（基态电子组态是4d85s）的基态原子态。,解、由1个小于半满的壳层和1个大于半满的壳层组成，先求出4d8组态的满足洪特定则的S1，L1值，再与5s求出最低的原子态。,S大的能级低 L大的能级低 J大的能级低（反常次序）,4d8组态的原子态与4d2的原子态相同; 满足洪特定则的S1,L1,5s的量子数，,铑的基态原子态为4F9/2,
