第七章 原子的壳层结构

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表
各壳层可以容纳的最多电子数
1 2 K L 2 8 3 M 18 4 N 32 5 6
主量子数 壳层名称 最多电 子数 2n2
角量子数
O
50
P
72
0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 12 3 4 0 1 2 3 4 5 s s p s pd s p d f s p d f g s p d f g h
支壳层 最多电 子数 2(2l+1) l
2 2 6 2 6 10 2 6 1014 2 6 10 14 18 2 6 10 141832
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2、能量最低原理 、
• 原子在正常状态时，每个电子在不违背泡 原子在正常状态时， 利不相容原理的前提下， 利不相容原理的前提下，总是趋向占有最 低能量的状态， 低能量的状态，以使原子系统的能量具有 最小值。 最小值。 • 能量最低原理的补充 – (1)在同一支壳层中（l相同）的电子排布 在同一支壳层中（ 在同一支壳层中 相同） 将首先占据磁量子数m 不同的状态、 时，将首先占据磁量子数 l 不同的状态、 且使自旋平行。 且使自旋平行。 – (2)同一支壳层中当电子数为半满、全满、 同一支壳层中当电子数为半满、 同一支壳层中当电子数为半满 全满、 全空时能量最低。 全空时能量最低。
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特点： 特点： １．按周期表排列的元素，原子序数＝核外电子数 按周期表排列的元素，原子序数＝ 质子数或原子核的电荷数。 ＝质子数或原子核的电荷数。 ２．共有七个周期，每个周期元素２、８、８、 共有七个周期，每个周期元素２ １8、１８、３２、２8。 、１８、３２、 。 ３．有过渡族元素和稀土元素。 有过渡族元素和稀土元素。 ４．竖的称为列或族，有８个主族和８个副族。 竖的称为列或族， 个主族和８个副族。 ５．每个周期从金属元素开始到惰性气体为止．表中 每个周期从金属元素开始到惰性气体为止． 左下部大半是金属，右上半部分是非金属。 左下部大半是金属，右上半部分是非金属。
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4f 5d 6s 5p 4d 5s 4p 3d 4s 3p 3s 2p 2s
4 5 6
能级交错情况
n=6
6s 5d 5p 5s 4f 4d 4p 4s 3d 3p 3s
n=5
n=4
n=3
2p
周周周 期期期
Z~20
Z~90
2s
n=2
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进一步考虑了电子 填充后的系统的总能 量应该最低， 量应该最低，实际填 充壳层的顺序如图所 示。
第三周期
11.Na 1s22p63s1 12.Mg 1s22p63s2 13.Al 1s22p63s23p1 14.si 1s22p63s23p2 15.P 1s22p63s23p3 16.S 1s22p63s23p4 17.Cl 1s22p63s23p5 18.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
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原子体积， 体胀系数和压缩系数对Z的标绘 原子体积 ， 体胀系数和压缩系数对 的标绘 也都显示出相仿的周期性的变化。 也都显示出相仿的周期性的变化。
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问 题：
１．为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期 性的变化？ 性的变化？ １８， ２．为什么每个周期的元素为２，８，８，１８， 为什么每个周期的元素为２ １８… １８ ３．为什么有过渡族元素和稀土元素？ 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． 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， 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。 质上认识元素周期表。
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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： 按周期表排列的元素，其性质出现周期性的变化： １．元素的化学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。 ２．元素的光谱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。 ３．元素的物理性质显示周期性的变化。 元素的物理性质显示周期性的变化。
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２．预言三种元素的存在，在表中留了空位， 预言三种元素的存在，在表中留了空位， 预言了它们的性质： 预言了它们的性质： Ga(镓），Sc(钪）， Ge(锗）1875－1886 镓）， 钪 锗 － 年间被陆续发现。 年间被陆续发现。后人又陆续发现了许多新元 相继填充到周期表中。 素，相继填充到周期表中。 • 目前，最新统计结果，共发现114种元素，1994 目前，最新统计结果，共发现 种元素， 种元素 年底是111种。这114种元素中有 种是天然存 种元素中有92种是天然存 年底是 种 种元素中有 在的，其于的是人工制造的。 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。 置上，构成了我们现在使用的元素周期表。 • （118号元素） 号元素） 号元素
返第七章 27
原子处于基态时， 原子处于基态时，核外电子的排布情况 第一周期
1.H 2.He 1s1 1s2
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第二周期
1s 2s 2p
1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2 1s22s22p3 1s22s22p4 1s22s22p5 1s22s22p6
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3.Li 4.Be 5.B 6.C 7.N 8.O 9.F 10.Ne
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推论： 推论：
原子中各状态能量高低次序 （1） 原子能量的主要部 分： E = − Rhc Z2 ， ） n 2 n n 越小， 能量越低。 越小， 能量越低。 考虑内层电子对原子核的屏蔽作用： （2 ） 考虑内层电子对原子核的屏蔽作用：
R hc *2 E =− 2 Z nl n
E是l的函数： l 减小 ，Z*增加，所以，同一主 是 的函数： 增加，所以， 相同而l 壳层中 （n相同而l不同） 相同而 不同） E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)
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§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
返第七章
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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， 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。 可用四个量子数来确定。 １．主量子数 n=1.2.3 … …
第七章 原子的壳层结构
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教学内容
• • • • 7.1原子性质的周期性变化 §7.1原子性质的周期性变化 §7.2原子的电子壳层结构 原子的电子壳层结构 §7.3原子基态的电子组态 原子基态的电子组态 §7.4原子基态光谱项的确定 原子基态光谱项的确定
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2. 教学要求
（1）了解元素周期表的结构，掌握玻尔对元素 ）了解元素周期表的结构， 周期表的物理解释。 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 ）掌握电子填充原子壳层的原则： 和能量最小原理， 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， 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。 出其基态的原子态符号。 （3）掌握莫塞莱定律，并以此解释电子填充壳 ）掌握莫塞莱定律， 层时出现能级交错的原因。 层时出现能级交错的原因。
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重点
• 玻尔对元素周期表的解释 • 电子填充壳层的原则 • 莫塞莱定律。
难点
• 原子基态电子填充壳层的顺序 • 莫塞莱定律。 莫塞莱定律。
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§7.1原子性质的周期性变化 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
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一、元素周期表
1869年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究 年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究 发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 变化，他把当时已发现的 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。 个列中，编成了元素周期表。 １．性质与原子量的递增次序有矛盾时，以元 性质与原子量的递增次序有矛盾时， 素性质为主． 素性质为主．如： K(钾）和Ar（氩）； 钾 （ ）；Co( 钴）和 Ni(镍）； 蹄）和I(碘）均调换了位置 镍）；Te(蹄 碘
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因为对每一个l 可取（ 因为对每一个l , ml可取（2 l+1）个值，而对每一个 ）个值， ml , ms又可以取两个值。 又可以取两个值。 具有相同量子数n 具有相同量子数 的电子最多有
2 2 +1 = 2n2 个 ∑(l )
壳层结构
l =0
n− 1
主壳层：我们把原子中 相同的一切电子的集合称 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。 为一个主壳层。 支壳层： 在每一个主壳层中， 支壳层： 在每一个主壳层中，具有相同角量子数的电 子的集合称为一个支壳层。 子的集合称为一个支壳层。
轨道磁 量子数
自旋磁 量子数 自旋量 子数
二、原子中电子分布所遵从的基本原理
• 1.泡利不相容原理 泡利不相容原理 • 2.能量最低原理 能量最低原理
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1.泡利不相容原理 泡利不相容原理 这是一条实验规律,它的内容是 在同一个原子 这是一条实验规律 它的内容是:在同一个原子 它的内容是 一个被(n, 中,一个被 l,ml,ms)四个量子数表征的态中只能 一个被 四个量子数表征的态中只能 有一个电子；或者说, 同一个原子中,不可能有两 有一个电子；或者说 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， 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。 四个量子数。 推论:1. 一个原子中,n, l ,m l,ms这四个量子数完全相同 推论 一个原子中 的电子只能有一个。 的电子只能有一个。 2.具有相同量子数 l ,m l的电子最多能有两个 , 具有相同量子数n, 具有相同量子数 它们的第四个量子数m 它们的第四个量子数 s分别为 ± 1 。
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（3 ） 当n， l都不相同时，同时考虑 n 和 Z* ， 都不相同时， 的影响，则出现能级交错现象。 的影响，则出现能级交错现象。既 n大l小 大 的能级， 大的能级。 的能级，低于 n 小 l 大的能级。 E（4s）< E（3d）< E（4p） （ ） （ ） （ ） E（5s）< E（4d）< E（5p） （ ） （ ） （ ） E（6s）< E（4f）E（5d）< E（6p） （ ） （ ） （ ） （ ） 通常， 通常，当n>3时，由n，l决定的状态，可由经验 时 ， 决定的状态， 公式：（ ：（n+0.7 l）值的大小来判断能级的高低 公式：（ （n+0.7 l）值大的能级较高 （n+0.7 l）值小的能级较低
2. 轨道角动量量子数 l =0，1，2，3 … …(n-1) ， ， ， ３．轨道磁量子数 m l =0, ±1, ±2,······ ，± l 4. 自旋磁量子数 ms= ±1/2
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主量 子数 轨道角 量子数
代表电子运动区域的大小和它的总能量的主 要部分,前者按轨道的描述也就是轨道的大小。 要部分,前者按轨道的描述也就是轨道的大小。 代表轨道的形状和轨道角动量（按量子力学理论， 代表轨道的形状和轨道角动量（按量子力学理论，代 表电子云的形状）且也与能量有关。 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， 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（ 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）。 子云的伸展方向）。 代表自旋的取向， 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。 （例如磁场方向）的分量。 s=1/2 代表自旋角动量，对所有的电子是相同的, 代表自旋角动量，对所有的电子是相同的, 不能成为区别电子态的参数。 不能成为区别电子态的参数。 16
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先填充4s后填 先填充 后填 3d是由于 的电子 是由于4s的电子 是由于 径向分布几率不同 ）。填 于3d（见图）。填 （见图）。 充4s有利于能量最 有利于能量最 低，见原子的电子 分布图。 分布图。
返7.2 26
§7.3原子基态的电子组态 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