无机化学 第1章_原子结构与元素周期系

思维经济原则 ： 马赫主义的一条认识论原则，马
赫在1872年提出，指人们在进行哲学 思维时，必须遵循一条最简单、最省 事、费力最小而又最能说明问题的原 则。
③ 为贝采里乌斯原子量和元素符 号奠定了坚实的基础，极大地推动了化 学的发展。
贝采里乌斯原子量(1818和1826)
元 道尔顿原子量 贝采里乌斯原子 贝采里乌斯原子 当今相对原子质
1-2-2 核素、同位素和同位素丰度
核素： 具有一定质子数和一定中子数的
原子（的总称）。 目前，已知的核素超过2000种。
核素有两类： 一类是稳定核素，它们的原子核是稳
定的； 另一类是放射性核素，它们的原子
核不稳定，会自发释放出某些亚原子 微粒（、等）而转变为另一种核素。
例： 衰变
A Z
核AZ42
实验室的 连续光谱
红
橙
黄绿
青蓝
紫
到1859年，德国海德堡大学的基尔 霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱 学的基础。
光谱仪可以测量物质发射或吸收的 光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就 像“指纹”辨人一样，可以辨别形成光 谱的元素。
H He Li
Na Ba Hg Ne
然而，直到20世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发 光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却 不知道为什么不同元素有不同光谱。
道尔顿原子论的重要贡献：
① 道尔顿提出了原子量的概念， 并用实验测定了一些元素的相对原子 质量。
② 道尔顿用符号来表示原子，是最 早的元素符号。
氧Байду номын сангаас
氢
氮
碳
磷
硫
钾
钡
图1-2道尔顿的 (简单)原子和复 合原子(分子)
水 一氧化氮 二氧化硫 甲烷
氢氧化钾
碳酸钡
图1-2中他给出的许多分子组成是 错误的。这给人以历史的教训——要 揭示科学的真理不能光凭想象，更不 能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济 原则”，客观世界的复杂性不会因为 人类或某个人主观意念的简单化而改 变。
1-1 道尔顿原子论
原子结构理论的发展简史 古代希腊的原子理论 道尔顿(J. Dalton) 的原子理论--- 19世
纪初 卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模
型---19世纪末 近代原子结构理论---氢原子光谱
• 古希腊原子论
Democritus(460-370 B.C)
内容： 宇宙由虚空和原子构成； 每一种物质由一种原子构成； 原子是物质最小的、不可再分的、永
素 （1810）
量（1818）
量（1826）
量（1997）
O7 Cl F N5 S 13.0 P9 C 5.4 H1 As 42 Pt 100
16 35.41
32.2 62.7 12.5 0.99 150.52 194.4
16.026 35.470 18.73 14.186 32.239 31.436 12.25 1 75.329 194.753
3646 .00 n2
n2 4
后来，里德堡(J.R.Rydberg 1854-1919) 把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：
巴尔麦经验公式~
1
RH
(
1 22
1 n2
)
RH为里德堡常量, 实验确定为 1.096 77×107 m-1 。
The allowed values for n in above equation
氢原子光谱
氢光谱在可见范围内有四根比较明显 的谱线：一条红、一条青、一条蓝、一 条紫，通常用H、H、H、Hδ来表 示，它们的波长依次为656.2、486.1、 434.0、410.2nm 。
氢原子光谱的特征：
♦ 不连续光谱，即线状光谱； ♦ 从H-Hδ频率有明显的规律性。
1883年J.J.Balmer发现谱线的频率 服从如下 经验公式：
1u等于多少?取决于对核素12C的一 个原子的质量的测定。
最近的数据是： 1u=1.660566（9）×10-24 g 核素的质量与12C的原子质量1/12 之比称为核素的相对原子质量。核 素的相对原子质量在数值上等于核 素的原子质量，量纲为一。
1-2-4元素的相对原子质量（原子量）
元素的相对原子质量（长期以来称 为原子量）。根据国际原子量与同位素 丰度委员会1979年的定义，原子量是指 一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩 尔质量的1/12的比值。这个定义表明：
1-3 原子的起源和演化
1 宇宙之初 2 氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧 3 α过程、e过程 4 重元素的诞生 5 宇宙大爆炸理论的是非
1-4原子结构的玻尔行星模型
1-4-1 氢原子光谱
“光谱” (spectrum)一词是牛顿根 据太阳光通过三棱镜后得到红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫而提出的。
自然界的 连续光谱
存不变的微粒。
道尔顿(J. Dalton) 的原子理论 ——19世纪初
道尔顿原子论要点： 每一种化学元素有一种原子；同种原
子质量相同，不同种原子质量不同；原 子不可再分；一种原子不会转变为另一 种原子；化学反应只是改变了原子的结 合方式，使反应前的物质变成反应后的 物质。
道尔顿原子论的试验基础是对化学物 质的定量测定。 18世纪中叶，一系列定量定律的发现： 1785年 拉瓦锡——质量守恒定律； 1797年 李希特——当量定律； 1799年 普鲁斯特——定比定律； 1805年 道尔顿——倍比定律。
4108Ar
在自然界，有的元素只有一种稳定 核素（不计人造放射性同位素），称 为单核素元素，有的元素有几种稳定 核素（半衰期特别长的天然放射性同 位素也常称作稳定核素），称为多核 素元素。
通常用元素符号左上、下角添加数 字作为核素符号。核素符号左下角的数 字是该核素的原子核里的质子数，左上 角的数字称为该核素的质量数，即核内 质子数与中子数之和。如
布的一理解原子结构的近似能级图，掌握原子核 外电子排布的一般规则和 s、p、d、f 区元素的原 子结构特点。
5. 能从原子的电子层结构了解元素性质、原子半径、 电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化。
本章教学内容
1-1 道尔顿原子论 1-2 相对原子质量(原子量) 1-3 原子的起源和演化 1-4 原子结构的玻尔行星模型 1-5 核外电子运动的量子力学模型 1-6 基态原子的核外电子排布 1-7 元素周期表 1-8 元素周期性
15.9994 35.4527 18.9984032 14.00674 32.066 30.973761 12.0107 1.00794 74.92160 195.078
1-2 相对原子质量（原子量）
1-2-1 元素、原子序数和元素符号 1-2-2 核素、同位素和同位素丰度 1-2-3 原子的质量 1-2-4 元素的相对原子质量
元素的相对原子质量（原子量）是 纯数。
单核素元素的相对原子质量（原 子量）等于该元素的核素的相对原子 质量。
多核素元素的相对原子质量（原 子量）等于该元素的天然同位素相对 原子质量的加权平均值。
加权平均值
加权平均值就是几个数值分别乘 上一个权值再加和起来。对于元素的 相对原子质量（原子量），这个权值 就是同位素丰度。
16 8
O
,
1 1
H
同位素：质子数相同中子数不同的原 子（的总称）。
具有相同核电荷数、不同中子数的核 素属于同一种元素，在元素周期表里占 据同一个位置，互称同位素。例：
16 8
O
,
17 8
O
,
18 8
O
;
1 1
H
,
2 1
H
,
3 1
H
同量异位素：核子数（质量数）相同而 质子数和中子数不同的原 子（的总称）。
1-4-2 玻尔理论
1913年，28岁的Bohr在
爱因斯坦的光子学 普朗克的量子化学 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型
的基础上，建立了Bohr理论
Bohr 理论的主要内容
1. 行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的线
性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行 星绕太阳运行一样。
这是一种“类比”的科学思维方法。 因此，玻尔的氢原子模型形象地称为行 星模型。
同中素：具有一定中子数的原子（的总 称）。
核素
自然界的元素
稳定核素 不稳定核素
多核素元素
同位素丰度：
某元素的各种天然同位素的分数组 成（原子百分比）称为同位素丰度。 例如，氧的同位素丰度为： f（16O）=99.76%，f（17O）=0.04% f,（18O）=0.20%；
对单核素元素，如氟，同位素丰 度为：f（19F）=100%。
核
4 2
He(
)
A Z
核 AZ42
核
120663Sg 215094 Rf
22868Ra
22826Rn + 42He
alpha particle
衰变： 又分为-， +及电子俘获三种：
164C 9453Tc 4109K + -01e
174N + -01e
particle
9452Mo + 01e
positron
第1章 原子结构和元素周期表
本章教学要求
1.了解原子核外电子运动的基本特征、原子能级、波 粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念。
2. 了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。
3. 熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。 4. 理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排
2.定态假设 假定氢原子的核外电子在轨道上运
行时具有一定的、不变的能量，不会 释放能量，这种状态被称为定态。
能量最低的定态叫做基态；能量高 于基态的定态叫做激发态。
据经典力学，电子在原子核的正电场 里运行，应不断地释放能量，最后掉入 原子核。如果这样，原子就会毁灭，客 观世界就不复存在。
因此，定态假设为解释原子能够稳 定存在所必需。玻尔从核外电子的能量 的角度提出的定态、基态、激发态的概 念至今仍然是说明核外电子运动状态的 基础。
3. 量子化条件 玻尔假定，氢原子核外电子的轨道
不是连续的，而是分立的，在轨道上运
行的电子具有一定的角动量（L=mvr， 其中m电子质量，v电子线速度，r电子
线性轨道的半径），只能按下式取值：
L n h n 1,2,3,4,5,
2
n叫做量子数(quantum number), 取 1,2,3,…等正整数。轨道角动量的量子化 意味着轨道半径受量子化条件的制约, 图 中示出的这些固定轨道, 从距核最近的一 条轨道算起, n值分别等于1,2,3,4,5,6,7。 根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半 径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径。
有些元素的同位素丰度随取样样 本不同而涨落，通常所说的同位素丰 度是指从地壳（包括岩石、水和大气） 为取样范围的多样本平均值。若取样 范围扩大，需特别注明。
1-2-3 原子的质量
以原子质量单位u为单位的某核素一 个原子的质量称为该核素的原子质量。 1u等于核素12C的原子质量的1/12。有的 资料用amu或mu作为原子质量单位的符 号，在高分子化学中则经常把原子质量 的单位称为“道尔顿”（小写字首的 dalton）。
用Ar代表多核素元素的相对原子质 量，则：
Ar=ΣfiMr,i 式中：
fi ——同位素丰度； Mr,i——同位素相对原子质量
国际原子量和同位素丰度委员会每 两年公布一次最新的原子量。
我国化学家，中国科学院院士张青 莲先生是测定原子量的专家。至今， IUPAC的国际原子量委员会先后采纳 了7个由张青莲先生的研究组提供的相 对原子质量数据。
（原子量）
1-2-1 元素、原子序数和元素符号
元素： 具有一定核电荷数（等于核内质子数） 的原子称为一种（化学）元素。 原子序数： 按（化学）元素的核电荷数进行排 序，所得序号叫做原子序数。
元素符号： 每一种元素有一个用拉丁字母表达的
元素符号。在不同场合，元素符号可以 代表一种元素，或者该元素的一个原子， 也可代表该元素的1摩尔原子。
4. 跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能量较高
的激发态，反过来，激发态的电子会放 出光子，返回基态或能量较低的激发态； 光子的能量为跃迁前后两个能级的能量 之差，这就是跃迁规则。
Name
n1
n2
Lyman series
1
Balmer series
2
Paschen series
3
Brackett series
4
Pfund series
5
2,3,4,… 3,4,5,… 4,5,6,… 5,6,7,… 6,7,8,…
对于氢原子的可见区的四条谱线：
n = 3 红 （H） n = 4 青 （H ） n = 5 蓝紫 （ H ） n = 6 紫 （Hδ ） 为什么是不连续的线状光谱？ 四条谱线为什么这样分布？