1、第七章第七章 原子結構原子結構第一節第一節 核外電子運動狀態核外電子運動狀態第二節第二節 電子結構與元素周期律電子結構與元素周期律2022-4-3023長期以來，長期以來，人們為了知人們為了知道物質的性道物質的性質的內在原質的內在原因進行了不因進行了不斷地探索，斷地探索，當人們逐步當人們逐步揭示物質內揭示物質內部結構的奧部結構的奧秘時，才知秘時，才知道物質的性道物質的性質與它內部質與它內部的結構密切的結構密切相關相關。原子原子原子核原子核核外電子核外電子質子（質子（Z）中子中子(N)( + )( - )( + )原子組成的回顧原子組成的回顧核內質子數核電荷數核外電子數核內質子數核電荷數核外電子

2、數原子的質量數（原子的質量數（A）質子數（）質子數（Z）中子數（）中子數（N）5（化學變化前后（化學變化前后質量守恒質量守恒） 如：如：2H2H2 2+ O+ O2 2 = 2H = 2H2 2O O2022年4月30日14時20分核外電子的特點核外電子的特點(1)(1)質量小，質量小， 帶負電荷。帶負電荷。(2)(2)運動范圍小（原子直徑運動范圍小（原子直徑約約1010-10-10m m）。）。(3)(3)繞核作高速運動（接近繞核作高速運動（接近光速），無確定的軌道。光速），無確定的軌道。例如：氫原子核外一個電子的運動例如：氫原子核外一個電子的運動電子出現的機會電子出現的機會 電子在這些區電

3、子在這些區域出現的機會域出現的機會大于大于90%90%基態氫原子電子云圖基態氫原子電子云圖一、電子云的概念一、電子云的概念 以黑點疏密程以黑點疏密程度來形象地表示度來形象地表示電子在空間幾率電子在空間幾率密度分布的圖形，密度分布的圖形，稱為電子云圖。稱為電子云圖。 要準確描述電子的運動狀態，需要四個參數才能說明電要準確描述電子的運動狀態，需要四個參數才能說明電子離核的遠近，能量的高低，運動的區域。這四個參數常用子離核的遠近，能量的高低，運動的區域。這四個參數常用n n、l l 、m m和和msms表示，表示，n,ln,l、m m和和msms被稱為量子數。被稱為量子數。二、核外電子運動狀態的描述

4、二、核外電子運動狀態的描述主量子數（主量子數（n n）1 2 3 4 5 6 7.1 2 3 4 5 6 7.正整數正整數電子層符號電子層符號 K L M N O P QK L M N O P Q電子能量電子能量 低低 高高離核距離離核距離 近近 遠遠（一）主量子數（一）主量子數n n（電子層）（電子層）n n越大，電子離核平均距離越遠，能量越高越大，電子離核平均距離越遠，能量越高二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述2022-4-3012（二）角量子數（二）角量子數（l l）角量子數l的意義描述原子軌道的形狀描述同一電子層的不同亞層描述能量的差異二、核外電子運動狀態的描述二、核

5、外電子運動狀態的描述13不同的不同的l l，電子云的形狀不同，電子云的形狀不同l=0l=0，s s軌道軌道l=1l=1，p p軌道軌道l=2l=2 ，d d軌道軌道1. l1. l的每個值可表示一種形狀的原子軌道（或電子云）的每個值可表示一種形狀的原子軌道（或電子云）l l 的取值：的取值： 0 0，1 1，2 (2 (n n-1) -1) 正整數正整數共共 n n 個整數值個整數值 ，且，且 l l n n（二）角量子數（二）角量子數（l l）二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述2022年4月30日14時20分2. 2. 每個電子層最多有每個電子層最多有n n個亞層個亞層，

6、l 受受 n n 的限制的限制（二）角量子數（二）角量子數（l l）n 值值 l 取值個數取值個數 l 取值取值 符號符號n1， 1 0， 1s n2， 2 0，1， 2s，2p n3， 3 0，1，2， 3s，3p，3d n4， 4 0，1，2，3， 4s，4p，4d，4f 二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述2022年4月30日14時20分 3.3.在在多電子原子多電子原子中，中，l l與與n n 一起共同決定原子軌道的能量一起共同決定原子軌道的能量（二）角量子數（二）角量子數（l l）單電子原子單電子原子，如氫原子的能量只與，如氫原子的能量只與n n有關有關 n n相同，

7、相同，l l不同：不同：E E4s4s =E =E4p4p = E = E4d4d = E = E4f 4f n n不同，不同，l l相同：相同：E E1s1sEE2s2s E E3s 3s E E4s 4s 多電子原子多電子原子，n n相同，相同，l l不同：不同：E E4s4s E E4p4p E E4d4d E E4f 4f 二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述2022年4月30日14時20分磁量子數意義：描述磁量子數意義：描述原子軌道（或電子云）在核外的原子軌道（或電子云）在核外的空間取向空間取向。 磁量子數磁量子數m m的的取值：取值：m = 0, m = 0, 1,

8、 1, 2, 2, 3, 3, l l， m m與與l l有關，給定有關，給定l l，m m共有共有2 2l+1l+1個值，個值，m mll（三）磁量子數（三）磁量子數（m m）l l=0=0， m m =0=0， m m有有一個值；一個值；l l=1=1， m m = = 1，0 ，+1， m m共有共有三三個值個值；l l=2, m =2, m = 2 ，1， 0， +1，+2，m m共有共有五個值五個值l=3, m =-3l=3, m =-3， 2 2 ，11， 0 0， +1 +1，+2+2，+3+3，m m共有七個值共有七個值判斷：當判斷：當l=1l=1，m =2m =2是否合理？是

9、否合理？二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述2022年4月30日14時20分每一個每一個m m 值，對應一個方向。值，對應一個方向。l l=0=0， m m =0=0， 一個取向，一個取向，1 1個個s s軌道；軌道；l l=1=1， m m =0,=0,1 1，三，三個伸展方向，個伸展方向，代表代表p px x , , p py y和和p pz z3 3個個p p軌道；軌道；l l=2, m =0, =2, m =0, 1, 1, 2 2 五個伸展方向，五個伸展方向，5 5個個d d軌道軌道（三）磁量子數（三）磁量子數（m m）二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的

10、描述2022年4月30日14時20分磁量子數磁量子數( (m)m)與電子的能量無關。與電子的能量無關。（三）磁量子數（三）磁量子數（m m） m m值不影響能量。值不影響能量。n n、l l相同相同,m,m不同的原子軌道稱為簡并軌不同的原子軌道稱為簡并軌道。如：道。如：2 2p px, x, 2 2p py,y,2 2p pz z能量相同，為能量相同，為簡并軌道簡并軌道或或等價軌道等價軌道。n=2n=2，l=1l=1，m=0m=0，m=+1m=+1，m=-1m=-12 2p px, x, 2 2p py,y,2 2p pz z能量是否相同能量是否相同? ?二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子

11、運動狀態的描述14:20 意義：意義：表表e e- -自旋方向自旋方向，與，與 n l mn l m無關無關 表示：表示：1/21/2； 表示。表示。兩種方向：兩種方向： 順時針：順時針： 逆時針：逆時針：同一原子軌道內最多只能容納同一原子軌道內最多只能容納兩個自旋方向相反的電子兩個自旋方向相反的電子同同 向向 相相 斥斥（四）自旋量子數（四）自旋量子數（m ms s）二、核外電子運動狀態的描述二、核外電子運動狀態的描述主量子數n(層）角量子數1（亞層）磁量子數m（軌道伸展方向）ms符號軌道數電子數電子總數1001s1222002s12811，0，+12p363003s12181 1，0 ，+

12、13p362 2, 1, 0, +1, +23d5104004s123211， 0 ，+1 4p3622 ，1， 0， +1，+24d5103 3 2 1 0 +1 +2 +34f71421212121212121212121量子數量子數與原子與原子軌道數軌道數的關系的關系2022-4-3021結論：結論： 一個軌道中只能容納一個軌道中只能容納2 2個自旋相反的電子；個自旋相反的電子； 各電子層的軌道數各電子層的軌道數= =n n2 2 各電子層電子的最大容量各電子層電子的最大容量=2=2n n2 2主量子數主量子數n n ：決定電子所在電子層；決定電子所在電子層；角量子數角量子數l l ：確

13、定原子軌道的形狀；確定原子軌道的形狀；磁量子數磁量子數m m ：確定原子軌道的空間伸展方向；：確定原子軌道的空間伸展方向；n n 和和 l l 共同決定電子的能量；共同決定電子的能量；n, l, mn, l, m 確定電子所處的軌道；確定電子所處的軌道；自旋量子數自旋量子數m ms s： 確定了電子的自旋狀態；確定了電子的自旋狀態；n, l, m, mn, l, m, ms s可全面描述核外電子的運動狀態可全面描述核外電子的運動狀態。課堂小結 ssssmmlnmmlnmmlnmmln, 1, 2, 4421, 0, 3321, 1, 2221, 0, 2,1當的量子數。當的量子數。例：給下列各

14、組填入適例：給下列各組填入適例例 題題310+1/2判斷下列各組量子數合理嗎？判斷下列各組量子數合理嗎？(1) n=3, l=3, m=+2, m(1) n=3, l=3, m=+2, ms s =+1/2 =+1/2(2) n=2, l=1, m=+1, m(2) n=2, l=1, m=+1, ms s = 1/2 = 1/2(3) n=2, l=1, m=-1, m(3) n=2, l=1, m=-1, ms s = -1 = -1(4) n=4, l=3, m=0, m(4) n=4, l=3, m=0, ms s= 1/2= 1/2(5) n=2, l=0, m=+1, m(5) n

15、=2, l=0, m=+1, ms s =+1/2 =+1/2例例 題題（2）（4）合理特別注意特別注意n l+1 n l+1 llm m 1.1.當當 l = 2 l = 2時，時，m m 的取值可為的取值可為 ( ( ) ) 。（m = 0, m = 0, 1, 1, 2 2 ）2. 2. 當當n n = = 3 3時，時，l l 的取值可為的取值可為 ( ( ) ) 。（0,1,20,1,2）3. n=43. n=4的電子層內最多可的電子層內最多可 個電子亞層，其中個電子亞層，其中d d亞層有亞層有 _ _個簡并軌道個簡并軌道4,54,5思思 考考 題題2022-4-30261.1.下列

16、一組量子數，哪一組是合理的下列一組量子數，哪一組是合理的( ( ）。A. n=2A. n=2，l=2l=2，m=-1 B. n=2m=-1 B. n=2，l=0l=0，m=+1m=+1C. n=3C. n=3，l=1l=1，m=+1 D. n=2m=+1 D. n=2，l=3l=3，m=+2m=+22. M2. M電子層最多可容納的電子數為電子層最多可容納的電子數為 。3. 3. 在多電子原子中，具有下列各組量子數的電子中能量在多電子原子中，具有下列各組量子數的電子中能量最高的是最高的是( ( ) )。 A.A. 3 3，2 2，+1+1，+1/2 B. 3+1/2 B. 3，0 0，0 0，

17、-1/2-1/2C. 3C. 3，1 1，0 0，-1/2 D. 3-1/2 D. 3，1 1，-1-1，-1/2-1/2練練 習習C 18A（一）（一）屏蔽效應和鉆穿效應屏蔽效應和鉆穿效應三、多電子原子軌道能級三、多電子原子軌道能級在多電子原子中，一個電子不僅受到原子核的引力，還受在多電子原子中，一個電子不僅受到原子核的引力，還受其它電子的斥力。其它電子的斥力。例如：例如：鋰原子鋰原子 其第二層的一個電子，除了受原子核對它的引力外，還受其第二層的一個電子，除了受原子核對它的引力外，還受第一層兩個電子對它的排斥力作用，勢必減弱了核對外層電子第一層兩個電子對它的排斥力作用，勢必減弱了核對外層電子

18、的吸引力，這兩個內層電子的排斥作用可以考慮成對核電荷的吸引力，這兩個內層電子的排斥作用可以考慮成對核電荷 Z Z 的抵消或屏蔽，使核有效電荷數的抵消或屏蔽，使核有效電荷數 Z Z* * 減小。減小。1.1.屏蔽效應屏蔽效應14:20屏蔽效應：屏蔽效應：其它電子對于被研究電子的排斥，導致有效核電荷其它電子對于被研究電子的排斥，導致有效核電荷降低的作用稱為屏蔽效應降低的作用稱為屏蔽效應結果：結果：因屏蔽作用存在使某因屏蔽作用存在使某e e- -的能量的能量。l l 值相同時值相同時, , 軌道能級只由軌道能級只由 n n 值決定值決定, , 例例: : E E(1(1s s)E E(2(2s s)

19、E E(3(3s s) ) E E(4(4s s ) )（一）（一）屏蔽效應和鉆穿效應屏蔽效應和鉆穿效應1.1.屏蔽效應屏蔽效應n n相同，相同，l l越小的電子在核附近出現的概率越大，受到核電荷越小的電子在核附近出現的概率越大，受到核電荷吸引力越大，其能量越低。如吸引力越大，其能量越低。如4s4s電子出現在離核較近處，受其它電電子出現在離核較近處，受其它電子的屏蔽作用比子的屏蔽作用比 3d 3d 要小得多。這種外層電子鉆到內層空間而靠近要小得多。這種外層電子鉆到內層空間而靠近原子核的現象，通常稱為原子核的現象，通常稱為鉆穿效應鉆穿效應，這種效應可能導致，這種效應可能導致能級交錯能級交錯。三、

20、多電子原子軌道能級三、多電子原子軌道能級（一）（一）屏蔽效應和鉆穿效應屏蔽效應和鉆穿效應2.2.鉆穿效應鉆穿效應導致導致E E4s4s E E3d3d 等現象等現象n n 值相同時值相同時，軌道能級則由軌道能級則由 l l 值決定值決定, , 例例: : E E(4(4s s)E E(4(4p p) ) E E(4(4d d) ) E E(4(4f f ).).（二）鮑林原子軌道近似能級圖（二）鮑林原子軌道近似能級圖 n n 值相同時值相同時，軌道能級則由軌道能級則由 l l 值決定值決定, , 例例: : E E(4(4s s)E E(4(4p p) ) E E(4(4d d) ) E E(

21、4(4f f ). ). l l 值相同時值相同時, , 軌道能級只由軌道能級只由 n n 值決定值決定, , 例例: : E E(1(1s s)E E(2(2s s)E E(3(3s s) ) E E(4(4s s ) ) n n和和l l都不同時，出現能級交錯都不同時，出現能級交錯. . 例：例： E E4s4sE E3d3d能級交錯現象只出現在個別元素中能級交錯現象只出現在個別元素中三、多電子原子軌道能級三、多電子原子軌道能級軌道能量由軌道能量由n n和和l l決定決定 多電子原子的原子軌道能級次序由多電子原子的原子軌道能級次序由n n 和角量子數和角量子數 l l 決定，下面是鮑林近似

22、能級圖從低到高的順序：決定，下面是鮑林近似能級圖從低到高的順序： 1s 第一能 級組 2s2p 第二能 級組3s3p 第三能 級組4s3d4p 第四能 級組7s5f6d7p 第七能 級組6s4f5d6p 第六能 級組5s4d5p 第五能 級組2022-4-3032特點：特點： n n相同，相同， l l相同的簡并軌道能量相同（相同的簡并軌道能量相同（3 3個個p p，5 5個個d d，7 7個個f f） l l相同，相同，n n越大能量越高。例：越大能量越高。例：E E2P2PEE3P3PEE4P4P n n相同，相同，l l越大能量越高。例：越大能量越高。例：E E4s4sEE4p4pEE4

23、d4dEE4f4f n n和和l l同時變動時，發生能級交錯同時變動時，發生能級交錯, E, E4s4sE(5)(4)(2)(3)(6)n =2 l =( ) m =1 ms=+1/2n =2 l =1 m =( ) ms=+1/2n =3 l =0 m =( ) ms=+1/2n =( ) l =2 m =0 ms=+1/2n =2 l =( ) m = -1 ms=+1/2n =4 l =( ) m =0 ms=+1/2n = 4 l = 2 m =( ) ms=1/210,103100, 1, 2n = 2, l = 1, m = 0n = 2, l = 2, m = -1n = 3,

24、l = 0, m = 0n = 3, l = 1, m = 1n = 2, l = 0, m = -1n = 2, l = 3, m = 2合理l = 1合理合理m = 0或l=1l=0,1; m=0, 1 或n3橫向為周期，共橫向為周期，共7個，縱向為族，共個，縱向為族，共18列列周期：周期：每一周期開始，核外都出現新的電子層；元素每一周期開始，核外都出現新的電子層；元素原子的原子的電子層數電子層數等于該元素所在的等于該元素所在的周期數周期數一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系（一）原子的電子層結構和周期（一）原子的電子層結構和周期族：族：原子的電子層結構排布導致

25、同一族各元素的原子的電子層結構排布導致同一族各元素的最外層電子構型相同，性質相似最外層電子構型相同，性質相似 元素周期律的發現使得幾百年來大量零散的化學知元素周期律的發現使得幾百年來大量零散的化學知識系統化，形成一個有內在聯系的統一體系。識系統化，形成一個有內在聯系的統一體系。2022-4-30Inorganic & Analytical Chemistry2022-4-30一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系1. 周期數周期數 = 電子層數電子層數 注意：注意：1s22s22p63s23p63d104s2 （一）原子的電子層結構和周期（一）原子的電子層結構和周期周

26、期數周期數 = = 最外電子層的主量子數（或能級組數）最外電子層的主量子數（或能級組數）例：例：Na 1sNa 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s1 1 第三周期第三周期每一能級組對應于一個周期每一能級組對應于一個周期周期數原子序數元素數目最高能級組最大電子容量11221s第一能級組2231082s,2p第二能級組83111883s,3p第三能級組841936184s,3d,4p第四能級組1853754185s,4d,5p第五能級組1865586326s,4f,4d,6p第六能級組32787109237s,5f,5d,7p第七能級組32每個周期所包含的元素數目，等于相應能級組中原子

27、軌道每個周期所包含的元素數目，等于相應能級組中原子軌道所能容納的電子總數所能容納的電子總數( (二二) )原子的電子結構和族原子的電子結構和族1-21-2列為列為IAIA和和IIAIIA主族元素，主族元素，13-1713-17列為列為IIIA-VIIAIIIA-VIIA主族主族元素，元素，1818列為零族元素列為零族元素3-103-10列為列為IIIB-VIIIBIIIB-VIIIB副族元素，副族元素，11-1211-12列為列為IB-IIBIB-IIB副族副族元素元素1.71.7個主族個主族：主族元素族數：主族元素族數 = = 最外最外( (價價) )層電子數層電子數例：例：Na 1sNa

28、1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s1 1 A A 例：例：Cl 1sCl 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p5 5 A A2.12.1個零族個零族：外層電子數之和為：外層電子數之和為 8 8 或或 2 2。一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系3.73.7個副族，個副族，1 1個個族族B B、B B元素的族數元素的族數 = = 最外層電子數最外層電子數例：例：Ag (Ag (4d4d10105s5s1 1) ) B B Zn ( Zn (3d3d10104s4s2 2) ) B B B BB B族元素的族數族元素的族數 = = 最

29、外層電子數最外層電子數 + +次外層電子次外層電子數數例：例：TiTi（3d3d2 24s4s2 2）其和為）其和為4 4 是是B B 族元素族元素 族元素（包括三個縱行）：最外層電子數與次外層族元素（包括三個縱行）：最外層電子數與次外層電子數之和為電子數之和為8 81010( (二二) )原子的電子結構和族原子的電子結構和族2022-4-30主族,B ,B:族號=最外層電子數B B :族號 = 最外層電子數 + (n-1)d電子數 (包括三列)：(n-1)d68 ns2 零 族： ns2np6一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系( (二二) )原子的電子結構和族原

30、子的電子結構和族 ( (三三) ) 原子的外層電子構型和元素的分區原子的外層電子構型和元素的分區 s s 區元素：區元素：A A、A A p p 區元素：區元素： A AA A、零族元素、零族元素電子構型特點：電子構型特點： nsns2 2npnp1 16 6一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系 最后一個電子填充在最后一個電子填充在s s能級上的元素能級上的元素 元素周期表左側，包括元素周期表左側，包括IA, IIA IA, IIA 結構特點：結構特點：nsns1212 化學性質：易失電子成離子，活潑金屬化學性質：易失電子成離子，活潑金屬 d d 區元素：區元素：

31、B BB B、 電子構型特點：電子構型特點： ( n - 1)( n - 1)d d1 1 8 8 ns ns1 1 2 2 ds ds 區元素：區元素： B B、B B 電子構型特點：電子構型特點： ( n - 1)d( n - 1)d1010 nsns1 12 2 f f 區區 元素：元素：( (n n2)f2)f1 11414( (n n1)d1)d0 02 2n ns s2 2 ( (三三) ) 原子的外層電子構型和元素的分區原子的外層電子構型和元素的分區一、元素周期性與電子層結構的關系一、元素周期性與電子層結構的關系ns12 (n-1)d18 ns2 (n-1)d10 ns12 ns

32、2np16 (n-2)f 114 ns 22022-4-30減小減小增大增大主族主族 原子半徑呈周期性變化的規律以主族元素最明顯：原子半徑呈周期性變化的規律以主族元素最明顯： 同周期同周期 從左到右從左到右 原子半徑逐漸減小原子半徑逐漸減小 同主族同主族 從上到下從上到下 原子半徑逐漸增大原子半徑逐漸增大二、元素性質的周期性二、元素性質的周期性（一）原子半徑（一）原子半徑（二）元素的金屬性與非金屬性（二）元素的金屬性與非金屬性 金屬易失電子變成正離子，非金屬易得電子變成負離子。金屬易失電子變成正離子，非金屬易得電子變成負離子。 在化學反應中用金屬性表示原子的失電子的能力。非金屬在化學反應中用金屬性表示原子的失電子的能力。非金屬性表示元素得