無機化學基本原理第七章原子結構與周期表2.ppt

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上節回顧:1. 掌握氫原子的線狀光譜2. 玻爾半徑:r = 52.92pm3. 軌道能級: 1 E= -13.6eV n24. 測不準關系原理 5. 薛訂諤方程: ?(n,l,m)(x,y,z)描述電子運動的 數學表達式?(2,1,0)(x,y,z)---- ?(2pz) 波函數或軌函6. s, p, d 軌道角度分布圖17.四個量子數n,l,m,ms取值及所表示 的含義例:某元素原子的核外電子排布為4s1,用四個量子數表示電子的運動狀態。原子序數?第幾周期?第幾族?元素符號?B例: 軌道運動狀態為?2pz,可用來描述的量子數為A. n =1, l = 0, m = 0; B. n = 2, l = 1, m = 0 C. n = 2, l = 2, m = 0 ; D. n =1, l = 2, m = 1n = 4, l = 0, m = 0; ms =1/22例:下列各組量子數哪些不合理?1. n = 2, l = 1, m = 02. n = 2, l = 0, m = -13. n = 2, l = 2, m = -14. n = 2, l = 3, m = 25. n = 3, l = 1, m = 16. n = 3, l = 0, m = -1 2 3 4 63第三節 多電子原子核外電子排布及元素周期表 核外電子能級:一、屏蔽效應多電子原子中,其他電子對指定電子的排斥作用看作部分地抵消(或削弱)核電荷對該電子的吸引即其他電子起到了部分地屏蔽核電荷對某電子的吸引力,而該電子只受到“有效核電荷”Z*的作用。 4Z* = Z - ? ? :屏蔽常數, 屏蔽常數的計算(Slater)規則:(1)分組:按以下次序(1s) , (2s,2p), (3s,3p), (3d), (4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), (5d), (5f) (2) 每一小組右邊各組的電子對該組電子不產 生屏蔽作用。(3) 在(ns,np)同組中,每一個電子屏蔽同組電子 為0.35/e,而1s 組內的電子相互屏蔽0.30/e.5(4) 內層(n-1)層中每一個電子對外層(ns, np)上 電子屏蔽為0.85/e。(5) 更內層的(n-2)層中每一個電子對外層(ns, np)上電子屏蔽為1.00/ e(6) 當被屏蔽電子是(nd)組或(nf)組電子時,同組電子屏蔽為0.35/e,左邊各組電子屏為1.00/ e6例:19K的電子排布是1s2,2s2 2p6, 3s2 3p6 , 4s1而不是1s2,2s2 2p6, 3s2 3p6 , 3d1?(1s2) (2s2 2p6) (3s2 3p6 ) (4s1) Z﹡ = 19 - (0.85×8 + 1.0 ×10) = 2.2E = - (2.22/ 42) ×13.6 = -4.114eV(1s2) (2s2 2p6) (3s2 3p6 ) (3d1)Z﹡ = 19 - ( 18 ×1) = 1E = - (12/ 32) ×13.6 = - 1.51eV7課后思考:計算說明原子序數為17,27的元素中,4s和 3d哪個能級的能量高?17: 1s2 (2s2 2p6) (3s2 3p5 ) (3d0) (4s0)4s: Z﹡ = 17 – (0.85×6 + 1.0 ×10) = 1.93d: Z﹡ = 17 – (1.0 ×16) = 1E4s = - 13.6 × (1.9 / 4)2 = E3d = - 13.6 ×(1/ 3)2 = 27: 1s2 (2s2 2p6) (3s2 3p6 ) (3d7) (4s2)4s: Z﹡ = 27 – (0.35×1 + 0.85× 15+1.0 ×10) = 3.93d: Z﹡ = 27 – (0.35×6 +1.0 ×18) = 6.9E4s = - 13.6 × (3.9 / 4)2 = E3d = - 13.6 ×(6.9/ 3)2 = 8例:試應用Slater計算方法求算氧原子的第一電離能解:氧原子O結構為1s2, 2s2 2p4, 氧離子結構為1s2, 2s2 2p3,氧原子的電離能 (I) O = O+ + e I = E (O+) - E (O) = E(2s2 2p3) - E(2s2 2p4) O+: (1s2) (2s2 2p3)ZO+* = 8 - (4×0.35 + 2×0.85) = 4.9E(O+) = 5×(-13.6)× = 5×(- 81.63) = -408.17eVO: (1s2) (2s2 2p4) ZO* = 8 - (5×0.35 + 2×0.85) = 4.55E(O) = 6 ×(-13.6)× = -422.34eV910多電子體系:決定原子軌道的能量因素(1) 核電荷對核外電子的吸引力(2) 核外電子的排斥力。由Z, n, ?決定的 ? : n, l 即多電子原子中原子軌道的能量與電子的量子數n, l有關。 E(1s) < E(2s) < E(3s) < E(4s) E(ns) < E(np) < E(nd) < E(nf) E(4s) < E(3d)11二、鉆穿效應n相同,l不同的軌道,由于電子云徑向分布不同,電子穿過內層到達核附近以回避其他電子屏蔽的能力不同,而使電子具有不同的能量,這種由于s,p,d,f 軌道徑向分布不同而引起的能量效應(penetrating effect)。對于單電子體系:E3s = E3p = E3d對于多電子體系: E3s < E3p < E3d能級交錯:由于屏蔽效應和鉆穿效應,使不同軌道上的電子能級發生變化,從而引起能級上的交錯。ns電子能量變的更低,nd, nf 電子能量變的更高。12三、多電子原子能級1. L. Pauling 原子軌道近似能級圖(牢記)1s; 2s 2p ; 3s 3p; 4s 3d 4p; 5s 4d 5p; 6s 4f 5d 6p ; 7s 5f 6d2. 徐光憲先生的近似規律: ?多電子原子體系外層電子的能級與(n+ 0.7l)有關, (n+ 0.7l) 值越大, 能級越高;?對于離子的外層電子, (n+ 0.4l) 值越大, 能級越高; ?。省略部分。1)Pauli不相容原理(2)能量最低原理(3)Hund規則 要求:熟記元素周期表74W 78Pt W: [Xe]5d4 6s2 [Xe] Pt:5d9 6s1 15五、元素周期表1. 能級組與元素周期的劃分周期的劃分就是核外電子能級的劃分,各能級組容納的電子數就等于相應周期元素的數目。2.原子的電子構型及周期表中族的劃分主族的族數 = 最外層電子數的總和主族元素的最高氧化態 =最外層電子數一般:族數 = (n-1)d + ns 電子數的總和 VIIIB, IB, IIB 副族元素的族數 = 反應中失去的電子數163. 電子構型與周期表的分區 s ,p, d, ds, f 區4. 元素周期表中族序數的新標法 1986年,IUPAC 18族命名法。例:寫出24號元素原子核外電子排布,該元素是第幾周期,第幾族?是金屬還是非金屬?最高氧化態為多少?1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s117思考題:原子核外最外層電子的四個量子數為 n = 4, l = 0 ,m =0, ms = ?, 試寫出符合條件的元素有幾種?元素符號為? 18第四節 元素的基本性質及周期性的變化規律一、原子半徑(1)共價半徑(2)金屬半徑范(3)范德瓦爾半徑范二、影響原子半徑的因素 電子的斥力 原子核的吸引力二、原子半徑的變化規律(1) 同一主族元素,自上而下,原子半徑增 大。19(2)同一副族元素,自上而下變化幅度小,第五、六周期元素原子半徑非常接近La系收縮。(3)同一周期元素原子半徑的變化規律? 短周期:自左至右,原子半徑逐漸減小, 變化幅度較大,?長周期過渡元素:自左至右,原子半徑逐漸減小,變化幅度較小,?r = 5pm, 鈧系收縮: rGa < rAl20? 內過渡元素:La收縮:使第三過渡系元素的原子半徑與同族相應的第二過渡系元素原子半徑相近,性質相似,難于分離。由于La系收縮,使第三過渡系元素電離能大于第二過渡系對應元素的電離能。從La到Lu共15個元素,原子半徑在180pm, Y的半徑為181pm, Y也為La系。21二、電離能第一電離能:基態的氣體原子失去最外層的第一個電子成為+1價離子所需的能量, A(g) → A+(g) + e I1第二電離能:由體+1價離子再失去一個電子成為+2價離子所需的能量, I 1 < I2 < I3 B, N > O Mg > Al, P > S Zn > Ga, As > Se Cd > In Hg > Tl 因為:電離能不僅與原子的核電荷有關,也與 元素的電子層結構有關。例: I B < IBe B(2s2 2p1) B+(2s22p0) B+具有較穩定的結構。 Be(2s2) Be+(2s1) Be(2s2) 全充滿,穩定 I N IAl; La系收縮使ITl > IIn, IPb > ISn, 通常主族元素金屬性自上而下依次增大.(5)副族元素電離能變化規律不規則.25三、 電子親合能(electron affinity)元素的一個氣態原子在基態得到一個電子形成基態、氣態負離子所釋放的能量。(符號Eea)用焓變的負值(-?H?)表示。說明:(1) 元素的第一電子親合能是放熱的,第二、第三電子親合能是吸熱的。問題:常見的氧化物和硫化物都是以-2價存在的,為什么?(2)第一電子親合能最大的是Cl ,不是F 。原因:26(3)電子親合能數值越大,該原子生成氣態負 離子的傾向性越大。同一周期,自左至右, 第一電子親合能逐漸增大(IIA 、VA有特 殊)。(4)元素具有較高的電離能,也傾向于具有較 高的電子親合能。(5) 第二周期元素的電子親合能比第三周期的 小,是由于第二周期原子半徑小、軌道數 目少、電子間排斥力大等因素。27上節小結:1.理解屏蔽效應和鉆穿效應2.熟練掌握原子軌道能級次序3.熟練掌握原子核外電子排布,所屬周期、族 的劃分,能夠寫出相應的元素符號。 Fe: 3d6 4s2 Co:3d7 4s2 Ni 3d8 4s2 Ru:4d7 5s1 Rh: 4d8 5s1 Pd: 4d10 W: 5d4 6s2 4. 熟記元素周期表5. 原子半徑的變化規律28四、電負性(自學)本章作業:P 161: 4,15, 17,19 296. La系收縮的結果: Zr 和Hf, Nb和 Ta, Mo和 W7. 第一電離能的變化規律,電離能最大的元素 幾個電離能反常元素 Be > B, N > O Mg > Al, P > S Zn > Ga, As > Se Cd > In Hg > Tl IGa > IAl; ITl > IIn, IPb > ISn,8. 第一電子親合能30
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