第六章原子结构与周期系 61教学基本要求 1.了解核外电子运动的特性和波函数(原子轨道)的概念。熟悉几率密度、电子云的 慨念和四个量子数的物理意义。掌握四个量子数的取值规律。熟悉s、p、d原子轨道及电子 云角度分布图的意义和异同点。 2.了解多电子原子中屏蔽效应和钻穿效应的意义及其对电子能量的影响 3.掌握核外电子排布的三条规律,能书写一般原子的核外电子分布式。掌握核外电子 组念与元素周期表的关系。了解原子半径、元素的电负性及氧化值在周期表中的变化规律。 62内容提要与例题解析 62.1核外电子的运动状态 电子运动的特性 核外电子具有与宏观物体完全不同的特征:能量的量子化和波粒二象性。不可能同时测 准它的位置和动量,不存在确定的运动轨道。电子的波动性和统计性规律相联系,电子波是 慨率波。在电子的衍射图中,波强度大的地方电子岀现的几率大。实验表明,波粒二象性是 一切微观粒子运动的共同特性 2.波函数和四个量子数 薛定谔方程是电子的波动方程。波函数ν是薛定谔方程的解,它是描述核外电子在三 维空间中运动状念的一个数学函数式。v本身缺乏明确的物理意义,我们可以粗略地把v看 成是在三维空间中电子的一个运动区域或空间范围。一个合理的波函数可描述核外电子的 种空间运动状态 在量子力学中常把波函数称为原子轨道函数,简称原子轨道,即原子轨道和波函数是同 义词。量子力学中的原子轨道并非电子运动的園定轨迹,而指的是电子运动的空间范围。 电子的运动状态可山四个量子数来描述。主量子数n决定电子在核外空间出现几率最大 区域离核的平均距离远近,角量子数/决定电子在空间角度分布的情况即决定原子轨道的形 状,n和/两个量子数决定电子的能级,磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向,它与 电子的能量无关。n和l相同而m不同的原子轨道在空间取向不同但形状和能量均相同,把 它们称为等价轨道或简并轨道。η、l、m三个量子数的合理组合决定一个原子轨道,每个电 子层的原子轨道总数应为n2。自旋量子数m决定电子的自旋方向。描述电子的运动状态要 用n、1、m、m四个量子数 3.几率密度和电子云 经推导,=paV。v2表示核外空间某处微单位体积内电子出现的几率。即2反映 电子在核外出现的几率密度。几率密度分布的图形称为电子云 4.原子轨道和电子云的角度分布图 将角度波函数Y(0,g)及几率密度的角度都分y2(6,g)随方位角、的变化作
图,就得到原子轨道及电子云的角度分布图。但后者图形比前者要瘦些,且无正负区域之分, 而原子轨道角度分布图有正负区域之分 5.径向分布函数图概率分布的表示方法 径向分布函数用D(r)表示,D()=R2/()4m2。它表示电子在半径为r微单位厚度 为d-的同心圆簿球壳夹层内出现的几率。径向分布函数图可以说明电子出现的几率与离核 距离r的关系。 62,2核外电子排布与周期表 多电子原子的能量取决于核电荷Z、主量子数n和屏蔽常数σ。基态多电子原子轨道的 能级高低按n+0.7/值的整数部分相同者划分为能级组 核外电子的排布也称为原子的电子构型,按照能量最低原量、泡利不相容原理和洪特规 则可以写出基态原子的核外电子分布式。 原子核外电子组态的周期性变化是元素周期律的基础。原子半径、元素的电负性及氧化 值在周期表中随原子厅数的递增而呈周期性变化。 典型题解析 [例1]Mn的原子序数为25,不查周期表,试指出它属于哪一周期、族和区。 解:根据原子序数为25,可知Mn原子核外有25个电子,其电子分布式为 ls2s2p53s3p53d4s2,价层电子掏型为3d4s Mn原子的最高能级组数为4,即主量子数n=4,电子层数为4,可判断它在第四周期。 根据电子最后填入d轨道,可判断Mn属于副族元素,根据(n-1)d电子未充满的元素 其族数等于(n-1)d的电子数与ns的电子数之和,可判断Mn属于ⅦB族 因为d区元素包括ⅢB~ⅦB、Ⅷ族元素,故Mn属于d区 [例2]某元素最高化合价为+6,最外层电子数为1,原子半径是同族无素中最小的, 试回答以下问题 (1)原子的电子排布式;(2)+3价离子的未成对电子数:(3)元素的电负性的相对高 解:从该元素的最高化合价为+6,可知该元素可能在ⅥA族,也可能在ⅥB族,但最 外层电子数为1,则把该元素限制在ⅥB族。ⅥB族元素中原子半径最小的,当属同一纵行 中最上面的那种元素,即金属元素铬。因而该元素在第四周期ⅥB族,原子序数为24。 (1)Cr原子的电子排布式为1s2s2p3s3p3d4s2 (2)原子失去电子是先失最外层电子再失次外层电子,若失去3个电子成为Cr3离子, 其价层电子组态为3d,按照洪特规则简并轨道上排布的电子要尽先分占不同的轨道且自旋 平行,可知3个d电子均为未成对电子 (3)铬为金属元素,成键时吸引电子的能力较弱,所以电负性相对较小。 [例3]S2s,2各代表什么意义? 解 原子轨道符号,表示l=0,m=0的轨道的运动状态,其角度分布图为球形。 2s:表示第二电子层中的s原子轨道,即m=2,=0,m=0的轨道运动状态 2s:表示第二电子层s原子轨道中的1个电子,即n=2,=0,m=0,m=+-或-的
电子运动状态。 [例4]指出下列各元素基态原子的电子排布式的写法违背了什么原理并予以改正 (1)Be1s2p2 (2)B1s2s (3)N1s222p22p 解:(1)违背了能量最低原理,应改正为1s2 (2)违背了泡利不相容原理,应改正为1522p2 (3)违背了洪特规则,应改正为1s2s2p2pp [例5]写出原子序数为47的银原子的电子排布式和价电子构型,并用四个量子数表 示最外层电子的运动状态。 解:Ag原子的电子排们式1s32s32p3s23p3d4524p4d55 价电子构型4d05s 最外层电子的运动状态n=5,=0,m=0,m=+-(或-) 例6]从原子结构解释:为什么Mn和Cl都属于第Ⅶ族元素,它们的金属性和非金属 性不相同,而最高氡化值却相同? 解:从原子结构看,C1原子的电子排布式为Ne]3s3p,最外层有7个电子,C1处于 ⅧA族,故最高氧化值为+7,它也容易从外面得到1个电子形成稳定的电子层结构,所以 C1具有明显的非金属性 Mn原子位于ⅦB族,其电子排布为Ar]3d4s2,最外层有2个电子容易失去,因而表现 出明显的金属性。又因Mn原子次外层的3d电子也能参与化学反应,可使次外层剩下8个 电子达到稳定结构,即3d4s2的7个电子都能参与化学反应,所以Mn原子的最高氧化值为 +7(与C1相同)
