刘奉岭2011寒假讲义结构化学..doc

结构化学部分 原子结构与元素周期律 涉及竞赛初赛要求： 5. 原子结构 核外电子的运动状态: 用s、p、d等表示基态构型（包括中性原子、正离子和负离子）核外电子排布。电离能、电子亲合能、电负性。 6. 元素周期律与元素周期系 周期。1~18族。主族与副族。过渡元素。主、副族同族元素从上到下性质变化一般规律；同周期元素从左到右性质变化一般规律。原子半径和离子半径。s、p、d、ds、f区元素的基本化学性质和原子的电子构型。元素在周期表中的位置与核外电子结构（电子层数、价电子层与价电子数）的关系。最高氧化态与族序数的关系。对角线规则。金属与非金属在周期表中的位置。 第一节 核外电子的运动状态与核外电子排布 一、核外电子的运动状态 如何描述微观粒子的运动状态呢？实际上，原子轨道给出了微观粒子可能出现的运动区域以及在这些区域出现机会(即几率)的多少，处于不同原子轨道上的电子一般具有不同的能量，其运动区域的大小和形状一般不同。例如，当氢原子中的电子处于能量最低的状态时, 该电子的运动区域是原子核周围的球形区域，并且离原子核越近的区域电子出现的机会就越多, 离原子核越远的区域电子出现的机会就越少。为了形象化地描述电子的运动情况, 人们通常用小黑点的疏密来表示电子在空间某处出现机会的多少, 小黑点多的地方表示电子在该处出现的机会多, 小黑点少的地方表示电子在该处出现的机会少, 这种表示方法被形象地称为电子云。这就是现代原子结构模型所描述的原子核外电子的运动。 二、原子轨道图象 原子结构示意图告诉我们, 原子核外的电子是分层排布的, 不同层上的电子能量不同。根据现代原子结构模型, 我们知道电子在不同的原子轨道上运动。如何将现代原子结构模型与电子的分层排布联系起来呢? 实际上, 每个原子轨道可以用3个整数来描述, 这3个整数的名称、表示符号及取值范围如下: 主量子数 n, n = 1, 2, 3, 4, 5,…… (只能取正整数) 表示符号: K, L, M, N, O, …… 角量子数 l, l = 0, 1, 2, 3 , 4, 5, 6, 7, 8, ……, n-1。 表示符号: s, p, d, f, g, h, i, k, l, m, n, …… 磁量子数 m, m= -l, -l+1, -l+2, ……, l-1, l。(取值受 l的限制) 当3个量子数都具有确定值时, 就对应一个确定的原子轨道。 主量子数n与电子层对应, n=1时对应第一层, n=2时对应第二层, 依次类推。轨道的能量主要由主量子数n决定, n越小轨道能量越低。 角量子数 l和轨道形状有关, 若原子中的电子数多于1时，它也影响原子轨道的能量。n和l一定时, 所有的原子轨道一起合称为一个亚层, 如n=2, l=1就是2p亚层, 该亚层有3个2p轨道。n确定时, l值越小所对应亚层的能量越低。 磁量子数 m与原子轨道在空间的伸展方向有关, 如2p亚层, l=1, m=0, ?1有3个不同的值, 因此2p有3种不同的空间伸展方向, 一般将3个2p轨道写成2px, 2py, 2pz。没有外磁场时, 每个亚层中的各个原子轨道能量是相同的, 也就是说, 没有外磁场时原子轨道的能量只与n, l有关。但当有外磁场时, 亚层中的不同原子轨道, 能量不再相同, 这时原子轨道的能量还与m有关, 因此将m称为磁量子数。 不同原子轨道其大小、形状和空间伸展方向不同。为了形象地了解原子轨道，下面给出了某些原子轨道示意图。 三、核外电子排布 原子核外有无数的原子轨道, 原子中的电子按照一定的规则排布在原子轨道上, 这就是核外电子的排布问题。核外电子的排布遵循什么规则呢? 1. 能量最低原理 原子中的电子按照能量由低到高的顺序排布到原子轨道上, 遵循能量最低原理。例如, 氢原子只有一个电子, 排布在能量最低的1s轨道上, 表示为1s1, 这里右上角的数字表示电子的数目。 根据能量最低原理, 电子在原子轨道上排布的先后顺序与原子轨道的能量高低有关, 人们发现绝大多数原子的电子排布遵循构造原理。按构造原理电子的填充次序为： 1s →2s →2p →3s →3p → 4s →3d → 4p →5s →4d →5p →6s →4f →5d →6p →7s →5f →6d →7p →8s →5g →6f →7d → 8p →9s → 6g →7f → 8d → 9p→ 10s→ 6h →7g →8f →9d →10p…… 2. 泡利不相容原理(Pauli exclusion principle) 一个原子轨道上最多能排布几个电子的呢? 物理学家泡利指出一个原子轨道上最多排布两个电子, 且这两个电子必须具有不相同的自旋磁量子数ms。实验表明, 在原子轨道上运动的电子自身还具有自旋运动。