第八章原子结构 1.试用 Slater规则, (1)计算说明原子序数为13,17,27各元素中4s和3d哪一个能级的能量高: (2)分别计算作用于Fe的3s,3p,3d和4s电子的有效核电荷数和这些电子所在各轨 道的能量。 解:(1)应用 Slater规则估算原子各能级的能量,首先要确定原子的核外电子排布,以便于将 原子轨道按一定序列分组。 Z=13:(1s2)(2s3,2p5)323p)(3d)(4s) Z(4s)=13-(0.85×2+10×10=1.3 Z(3d)=13-1.0×12=1.0 z(4s>z'(3d,E=-R 所以E4 Z=17:(1s2)(252,2p)33,3p)(3d)(4 Z(4s)=17-(0.85×6+10×10=1.9 Z(3d=17-1.0×16=1.0 Z(4s)>Z(3d) 所以,E4s<E3d Z=27(3)(252,2p5)(35,3p5)3d)(4s2) Z(4s)=27-(0.35×1+085×15+1.0×10=3.9 Z(3d)=27-(0.35×6+1.0×18)=69 E(4=-R1(39 0.95R 9 E(d=-R1|=-52 即E (2)Z=26:(1s3)(232p)(32,3p5)(3d)(4s2) Z(3s)=Z(3p)=26-(0.35×7+0.5×8+1.0×21475 Z(3d)=26-(0.35×5+1.0×18=625
第八章 原子结构 1. 试用 Slater 规则， （1） 计算说明原子序数为 13，17，27 各元素中 4s 和 3d 哪一个能级的能量高； （2） 分别计算作用于 Fe 的 3s，3p，3d 和 4ｓ电子的有效核电荷数和这些电子所在各轨 道的能量。 解： （1）应用 Slater 规则估算原子各能级的能量，首先要确定原子的核外电子排布，以便于将 原子轨道按一定序列分组。 Z=13: (1s2),(2s2 ,2p 6),(3s2 ,3p 1),(3d 0),(4s0)。 Z *(4s)=13－(0.85×2＋1.0×10)=1.3 Z *(3d)=13－1.0×12=1.0 Z *(4s)> Z *(3d), E=－RH 2 * ˜ ¯ ˆ Á Ë Ê n Z , 所以 E4s Z *(3d) 所以， E4s<E3d Z=27:(1s 2),(2s2 ,2p 6),(3s2 ,3p 6),(3d 7),(4s2) Z *(4s)=27－(0.35×1＋0.85×15＋1.0×10)=3.9 Z *(3d)=27－(0.35×6＋1.0×18)=6.9 E *(4s)=－RH 2 4 3. 9 ˜ ¯ ˆ Á Ë Ê =－0.95RH, E *(3d)=－RH 2 3 6. 9 ˜ ¯ ˆ Á Ë Ê =－5.29RH, 即 E3d<E4s (2) Z=26: (1s2),(2s2 ,2p 6),(3s2 ,3p 6),(3d 6),(4s2) Z *(3s)= Z *(3p)=26－(0.35×7＋0.85×8＋1.0×2)=14.75 Z *(3d)=26－(0.35×5＋1.0×18)=6.25
E(4s=26-(035×1+085×14+10×10)=3.75 2179×101×(1475=-527×10-1y E3=-2179×101×(625 -946×10-1J s=-2.179×1018×/375 192×10-18 ●应该指出, Slater规则是一种“近似”方法,甚至很粗略。例如,很多实验事实说明E〈E 这一点 Slater规则没有考虑到。20世纪90年代以来,科学家们已能用光电子能谱测定出元素的各能 级的能量和电子排布 2.用s,p,d,f等符号表示下列元素的原子电子层结构(原子电子构型),判断它们属于第几 周期,第几主族或副族。 (1)20Ca;(2)27C (3)3Ga;(4)48Cd;(5 5)83 解:要正确写出原子的电子构型,应使其符合构造原理: ①最低能量原理 ②Paui不相容原理 ③Hund规则 为此,要掌握能级填充顺序:ns,(n-2)f,(n-1)d,npa 如果能熟练写出稀有气体的核外电子排布,将可做到锦上添花。 (1)20Ca[Ar]4s2,价层电子4s2,n=4,第四周期,ⅢA族 (2)27Co[Ar]3d4s2,价层电子3d4s2,m=4,第四周期,Ⅷ(B)族 (3)3Ga[Ar]3d4s24p,价层电子4s4p,n=4,第四周期,ⅢA族 (4)4sCd[Kr]4d55,价层电子4d°55,n=4,第五周期,ⅢB族 (5)83Bi[Xe4f5d"6s6p3,价层电子636p3,n=5,第六周期,VA族 ●按照此题的解题思路自行完成8-11,8-12,8-13,8-14各题。 3.列出图8-21中原子序数从11-20第一电离能数据出现在尖端的元素名称,并指出这些元素的 原子结构的特点。 解:原子序数为11-20的元素基本上是第三周期元素(1Na~19Ar) 同周期元素的第一电离能从左向右变化总趋势是逐渐增大的,其中出现在尖端的元素有镁、磷 和氩。 镁原子的3p亚层全空;磷原子的3p亚层为半满状态;氩原子为3p亚层全满(最外层为8电子 稳定结构) 它们的第一电离能都大于其下一元素的第一电离能,这是因为全空、半满、全满的电子构型相 对稳定,电离掉一个电子所需能量相对较高的结果
E *(4s)=26－(0.35×1＋0.85×14＋1.0×10)=3.75 E3S=E3P=－RH 2 * ˜ ¯ ˆ Á Ë Ê n Z =－2.179×10 －18J× 2 3 14. 75 ˜ ¯ ˆ Á Ë Ê =－52.7×10 －18J E3d=－2.179×10 －18J× ˜ = ¯ ˆ Á Ë Ê 2 3 6. 25 －9.46×10 －18J E4S=－2.179×10 －18J× ˜ = ¯ ˆ Á Ë Ê 2 3 3. 75 －1.92×10 －18J ●应该指出，Slater 规则是一种“近似”方法，甚至很粗略。例如，很多实验事实说明 Ens 〈Enp， 这一点 Slater 规则没有考虑到。20 世纪 90 年代以来，科学家们已能用光电子能谱测定出元素的各能 级的能量和电子排布。 2. 用 s，p，d，f 等符号表示下列元素的原子电子层结构（原子电子构型），判断它们属于第几 周期，第几主族或副族。 （1）20Ca； （2）27Co； （3）31Ga； （4）48Cd； （5）83Bi 解：要正确写出原子的电子构型，应使其符合构造原理： ① 最低能量原理； ②Pauli 不相容原理； ③Hund 规则。 为此，要掌握能级填充顺序：ns，（n2）f，（n1）d，np。 如果能熟练写出稀有气体的核外电子排布，将可做到锦上添花。 （1） 20Ca [Ar]4s2，价层电子 4s2，n=4，第四周期，ⅡA 族 （2） 27Co [Ar]3d 74s2，价层电子 3d 74s2，n=4，第四周期，Ⅷ（B）族 （3） 31Ga [Ar]3d 104s24p 1，价层电子 4s24p 1，n=4，第四周期，ⅢA 族 （4） 48Cd [Kr]4d 105s2，价层电子 4d 105s2，n=4，第五周期，ⅡB 族 （5） 83Bi [Xe]4f 145d 106s26p 3，价层电子 6s26p 3，n=5，第六周期，ⅤA 族 ●按照此题的解题思路自行完成 8－11，8－12，8－13，8－14 各题。 3. 列出图 8－21 中原子序数从 11~20 第一电离能数据出现在尖端的元素名称，并指出这些元素的 原子结构的特点。 解：原子序数为 11~20 的元素基本上是第三周期元素（11Na～19Ar）。 同周期元素的第一电离能从左向右变化总趋势是逐渐增大的，其中出现在尖端的元素有镁、磷 和氩。 镁原子的 3p 亚层全空；磷原子的 3p 亚层为半满状态；氩原子为 3p 亚层全满（最外层为 8 电子 稳定结构）。 它们的第一电离能都大于其下一元素的第一电离能，这是因为全空、半满、全满的电子构型相 对稳定，电离掉一个电子所需能量相对较高的结果
●同样具有相似电子构型的Be,Ca,Sr,N,As,Sb,He,Ne,Kr,Xe等元素的第 电离能也比其下一个元素的大。 4.下列元素中何者第一电离能最大?何者第一电离能最小? (1)B(2)Ca(3)N(4)Mg(5)Al(6)Si(7)S(8)Se 解:确定元素在周期表中的位置,依据电离能变化的周期性和原子的电子层结构全空、半满、全满 对电离能的影响来进行比较 l1(o)I1(AD, II()>I (Si) >I (Mg) >II(AD) Ca和Se为第四周期元素I1(Se)>l1(ca)。 同一主族元素自上而下电离能逐渐减小 ,(Mg) >l (ca), I,(B)>l(Al), 不同周期不同主族元素I1的比较就无规律可循。 tF I(N)>I(O)>I(S)>I(Se), I (S)>I (Mg)>I1(Ca), I1(B)>1(A1),I1(Si)xl1(Al), 因此,可以推断,I1(N)最大,I1(Al)最小
●同样具有相似电子构型的 Be，Ca，Sr，N，As，Sb，He，Ne，Kr，Xe 等元素的第一 电离能也比其下一个元素的大。 4. 下列元素中何者第一电离能最大？何者第一电离能最小？ （1）B（2）Ca（3）N（4）Mg（5）Al（6）Si（7）S（8）Se 解：确定元素在周期表中的位置，依据电离能变化的周期性和原子的电子层结构全空、半满、全满 对电离能的影响来进行比较， I1（o）I1（Al），I1（S）>I1（Si）>I1（Mg）>I1（Al） 。 Ca 和 Se 为第四周期元素 I1（Se）>I1（ca）。 同一主族元素自上而下电离能逐渐减小。 I1（Mg）>I1（ca），I1（B）>I1（Al）， 不同周期不同主族元素 I1的比较就无规律可循。 由于 I1（N）>I1（O）>I1（S）>I1（Se），I1（S）>I1（Mg）>I1（Ca）， I1（B）>I1（Al），I1（Si）>I1（Al）， 因此，可以推断，I1（N）最大，I1（Al）最小