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第五章 原子结构和元素周期律

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第五章 原子结构和元素周期律. 100 年前的今天,正是人类揭 开原子结构秘密的重要时期。. 我们共同来回顾 19 世纪末到 20 世纪初,科学发展史上的一系 列重大的事件。. 1879 年 英国人克鲁科斯( Crookes ) 发现阴极射线. 1896 年 法国人贝克勒( Becquerel ) 发现铀的放射性. - PowerPoint PPT Presentation

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  • 100 19 20

  • 1896 Becquerel 1879 Crookes

  • 1898 Marie Curie 1897 Thomson

  • 1904 Thomson 1900 Planck

  • 1909 Millikan 1905 Einstein

  • 1911 Rutherford

  • 1913 Bohr

  • 5. 1 5. 1. 1 1924 de Broglie

  • E = mc2 E = h

  • mc2 = h

  • p p = mc

  • p

  • p

  • 1927

  • 5. 1. 2 F = m a a t

  • p = m t = 0 + at

  • 1927 Heisenberg

  • x p x p h

  • m x m h

  • h h = 6.626 1034 Js

  • 5. 1 m = 9.11 1031 kg x = 1012 m

  • 7.27 10 8 ms1

  • 1010 x = 1012 m

  • x

  • 5. 1

  • m = 9.111031 kg h = 6.626 1034 Js

  • m = 10 g

  • x

  • 5. 1. 3

  • 5. 2

  • 1926 Schdinger

  • 5. 2. 1

  • E V m h

  • x + 3 = 5 x = 2

  • fx= x2 + C C f x= 2 x f x= x2

  • Fxyz

  • m V E

  • xyz xyz

  • r xyz

  • x y

  • xyz r

  • P r OP 0 ~

  • OP z 0 ~

  • OP x 0 ~ 2OP OP xOy

  • r x = r sin cos

  • y = r sin sin

  • z = r cos

  • x = r sin cos y = r sin sin z = r cos r2 = x2 + y2 + z2

  • r

  • r

  • r

  • r Rr r = Rr

  • R r r

  • Y = r = Rr Y Y

  • m m

  • l l

  • R r n n R r

  • E n eV

  • R Y

  • 100 200 210

  • 5. 2. 2 100 200 210 nlm

  • 1. n 1234 n n KLMN

  • n = 1 K n

  • n

  • E Z eV 1 eV = 1.602 1019 J

  • n

  • H n = 1 E = 13.6 eV n = 2 E = 3.40 eV

  • n E = 0 0

  • n 1234 n

  • n n

  • 2. l n l

  • n n l 01234 n 1 spdf g

  • n = 3 l 012 spd

  • l n = 4 l 4 4

  • l = 1 p 4p l = 0 s 4s

  • l = 2 d 4d l = 3 f 4f

  • 4 4 n

  • M

  • M |M| l

  • p p = m kgms1 ms1 m kg M M = J s1 J

  • M M = J J M p p = m m p

  • J m

  • r

  • J kgm2 M kgm2s1 M = J s1

  • p p = m kgms1 ms1 m kg M M = J s1 J kgm2 kgm2s1

  • E n l n l

  • n l l E

  • E l n

  • 3. m m l m

  • l m 0 1 2 3 l 2 l + 1 l = 2 m = 0 1 2 5

  • m l p l = 1m 0+ 11 3 p 3

  • pz m = 0 2pz 210

  • px py m = + 1 m = 1 px py

  • m l = 1m 3 3 p

  • m 3 2p 3 2p 3

  • 3d 5 3d 5

  • m z Mz

  • m 0 1 2 3 l Mz z

  • l = 1

  • z Mz

  • z O

  • m = 1 z Mz OAO

  • zO

  • zOA m = 1A = 45

  • m = 1 OB z 135

  • m = 0 OC z 90

  • m z Mz Mz z

  • nlm 3 nlm 2 3 1

  • 3 5. 2 n = 3 3 nlm

  • n = 3 l 012 l = 0 m 1 0 l = 1 m 3 01+ 1 l = 2 m 5 01+ 12+ 2

  • nlm 1 + 3 + 5 9

  • 3 3 3 3 3 3 3 3 30 1 1 12 2 2 2 20 0 +1 10 +1 1 +2 2

  • n l m 3 0 03 1 0 3 1 1 3 1 + 132 0 3 2 1 3 2 + 1 3 2 2 3 2 + 2

  • 4. ms

  • Ms

  • ms

  • Ms

  • 3 nlm 4 n l m ms

  • 4 n l m ms

  • 5. 3 4 n = 4l = 3 l = 3 m = 0 1 2 3 7 7

  • nlmms 2 7 = 14

  • 0 1 1 2 2 3 3 n l m ms 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3

  • 0 1 1 2 2 3 3 n l m ms 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3

  • 5. 2. 3 1.

  • W= V

  • | |2 W = | |2 V

  • | |2 r

  • 2.

  • 2s

  • 2p

  • | |2 r

  • | |2

  • 5. 2. 4 | |2 s p

  • | |2

  • y = kx + b 1 1 2

  • z = ax + by + c 2 1 3

  • r xyz 3 1 4

  • 1. r= RrY r Rr r

  • Y r | |2 r | R |2 r

  • | R |2 r

  • s r 0 | R |2

  • 2s 1s 3s

  • p r 0 | R |2

  • 2p 1 3p 2

  • d r 0 | R |2 3d

  • 2. r

  • 1s r

  • r

  • r r

  • | R |2 r W = | R |2 V

  • r 4r2 V = 4r2 r

  • r W = | R |2 4r2 r W= V

  • Dr= 4 r2 | R |2Dr

  • Dr r r Dr= 4r2 | R |2

  • Dr r 1s Dr= 4r2 | R |2

  • Dr = 4r2 | R |2

  • Dr = 4r2 | R |2

  • Dr r Dr = 4r2 | R |2

  • 1s Dr= 4r2 | R |2

  • 1s r = ao

  • ao = 53 pm ao

  • 2s3s

  • 2s 1s 3s 2s

  • 2s3s

  • Drr O

  • 1s2s3s2p3p3d

  • ns n np n 1 nd n 2

  • n l

  • n l 1

  • 1s

  • 2s2p 1s

  • 3s3p3d 2s2p

  • 3.

  • a0

  • RY

  • Y ( ) | Y ( ) | 2 2pz | Y ( ) | 2 = cos2

  • 2pz 2pz

  • 5. 3

  • n

  • n E4s = E4p = E4d = E4f = n E1s < E2s < E3s < E4s <

  • n

  • 5. 3. 1 1.

  • 2

  • + 3 2

  • Z * = Z Z Z *

  • l 4s4p4d4f

  • n l

  • 2. l l

  • n l 3s

  • 3s 3p 3d

  • l

  • n l n n E4s < E3d

  • 4s 3d E4s < E3d

  • E5s < E4d

  • 3. Pauling

  • 1s 3s3p 2s2p 5s4d5p 4s3d4p 7s5f6d7p 6s4f5d6p

  • 1s nsn2fn1dnp

  • p d f

  • 5. 3. 2 1.

  • Pauli

  • Hunt

  • df p

  • 2.

  • * * 6 C carbon 1s2 2s22p2

  • 7 N nitrogen 1s2 2s22p3

  • 11 Na sodium 1s2 2s22p63s1 12 Mg magnesium 1s2 2s22p63s2

  • * 19 K potassium [Ar] 4s1 ** 21 Sc scandium [Ar] 3d14s2 ** 4s 3d 3d 4s 22 Ti titanium [Ar] 3d24s2 23 V vanadium [Ar] 3d34s2 20 Ca calcium [Ar] 4s2 18 Ar argon 1s2 2s22p63s23p6

  • 24 Cr chromium [Ar] 3d54s1 25 Mn manganese [Ar] 3d54s2 26 Fe iron [Ar] 3d64s2 27 Co cobalt [Ar] 3d74s2 28 Ni nickel [Ar] 3d84s2 29 Cu copper [Ar] 3d104s1 30 Zn zinc [Ar] 3d104s2 22 Ti titanium [Ar] 3d24s2 23 V vanadium [Ar] 3d34s2

  • 31 Ga gallium [Ar] 3d104s24p1 32 Ge germanium [Ar] 3d104s24p2 33 As arsenic [Ar] 3d104s24p3 34 Se selenium [Ar] 3d104s24p4 35 Br bromine [Ar] 3d104s24p5 36 Kr krypton [Ar] 3d104s24p6 29 Cu copper [Ar] 3d104s1 30 Zn zinc [Ar] 3d104s2

  • 37Rbrubidium [Kr] 5s1 38Srstrontium [Kr] 5s2 39Yyttrium [Kr] 4d15s2 40Zrzirconium [Kr] 4d25s2 41Nbniobium [Kr] 4d45s1 42Momolybdenum [Kr] 4d55s1 43Tctechnetium [Kr] 4d55s2 44Ruruthenium [Kr] 4d75s1 45 Rhrhodium [Kr] 4d85s1

  • 46 Pdpalladium [Kr] 4d105s0 47 Agsilver [Kr] 4d105s1

  • Ce 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f15s25p65d16s2 Xe 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6

  • 57 La lanthanum [Xe] 4f05d16s2 58 Ce cerium [Xe] 4f15d16s2 59 Pr praseodymium [Xe] 4f35d06s2 60 Nd neodymium [Xe] 4f45d06s2 61 Pm promethium [Xe] 4f55d06s2 62 Sm samarium [Xe] 4f65d06s2 63 Eu europium [Xe] 4f75d06s2 64 Gd gadolinium [Xe] 4f75d16s2

  • 65 Tb terbium [Xe] 4f95d06s2 66 Dy dysprosium [Xe] 4f105d06s2 67 Ho holmium [Xe] 4f115d06s2 68 Er erbium [Xe] 4f125d06s2 69 Tm thulium [Xe] 4f135d06s2 70 Yb ytterbium [Xe] 4f145d06s2 71 Lu lutetium [Xe] 4f145d16s2

  • 74 W tungsten [Xe] 4f145d46s2 75 Re rhenium [Xe] 4f145d56s2 76 Os osmium [Xe] 4f145d66s2 77 Ir iridium [Xe] 4f145d76s2 78 Pt platinum [Xe] 4f145d96s1 79 Au gold [Xe] 4f145d106s1 80 Hg mercury [Xe] 4f145d106s2 72 Hf hafnium [Xe] 4f145d26s2 73 Ta tantalum [Xe] 4f145d36s2

  • 13 2429 414244454647 575864 7879

  • 5. 3. 3 Werner

  • 1.

  • 2 1 1s 1 2

  • 8 2 1 2s 2p 8 4 3

  • 2 1 3s 3p 8 4 3 8

  • 3 1 4s 4p 18 9 3 18 3d 5

  • 3 1 5s 5p 18 9 3 18 4d 5

  • 4 32 16 32

  • 4 32 16 32

  • Cr [ Ar ] 3d5 4s1 3d5 4s1 Cr

  • 2.

  • f

  • s IA IIA

  • 12 ns1 ~ 2

  • p IIIA IVA VA VIA VIIA 0 VIIIA

  • 13 18 6 ns2 np1 ~ 6

  • p

  • s p s p

  • 8 0 VIII A

  • d III B IV B V B VI B VII B VIII

  • 3 10 8 n1d1~ 10 ns0 ~ 2

  • d n1d

  • 456

  • La

  • d n1d ns

  • 8 VIII

  • ds I B II B

  • 1112 n1d10 ns1~ 2

  • ds ns

  • ds d

  • f f n2f 0 ~ 14 n1 d0 ~ 2 ns2

  • f n2f f III B

  • K E4s < E3d 4s E4s < E 3d 5. 3. 4

  • Cu Cu+ 4s E4s > E3d

  • 1 Z = 1

  • Ens = Enp = End = Enf

  • 2 Z > 1 Z

  • 3 n l

  • l Ens < Enp < End < Enf

  • 4

  • 1 ~ 14 E4s > E3d

  • 15 ~ 20 E4s < E3d

  • 21 E4s > E3d

  • Cu E4s > E3d K E4s < E3d

  • 5. 3. 5 Slater

  • E

  • 1

  • 2s 2p3s 3p = 0

  • 2 = 0.35 1s = 0.30

  • 3ns np n1 = 0.85 n2 = 1.00

  • 4ndnf = 1.00

  • 5. 4 K 19 3d 4s

  • 3d 4s

  • 4s 4s =+ 1.00 10= 16.8 0.85 8

  • 4s = 16.8 = 4.11 eV

  • 3d 3d =1.00 18 = 18

  • = 1.51 eV 3d = 1.00 18 = 18

  • E4s < E3d K 4s E4s = 4.11 eV E3d = 1.51 eV K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

  • Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 5. 5 Fe 26 3d 4s

  • 4s =+ 1.00 10+ 0.85 140.35 1= 22.25

  • = 11. 95 eV 4s = 22.25

  • 3d == 19.75 + 1.00 180.35 5

  • = 59.03 eV 3d = 19.75

  • Fe E4s > E3d 4s E4s = 11.95 eV E3d = 59.03 eV

  • ns np

  • 5. 4

  • 5. 4. 1 1 1.

  • 2 r

  • r > r

  • 3

  • 2. 1

  • Z r r

  • d5d10f7f14 Z

  • d5d10f7f14 r

  • 3 Na S6 r 80 pm 16 pm

  • 4 Sc Ni8 r 38 pm 5.4 pm

  • CuZn d10 r

  • 16 pm 5.4 pm

  • Z* r

  • Z* r

  • Yb 4f14 6s2f r/pm 183 182 182 181 183 180 208 180 r/pm 177 176 176 176 176 194 174 Eu 4f7 6s2f

  • r/pm 183 182 182 181 183 180 208 180 r/pm 177 176 176 176 176 194 174 Eu Yb r

  • 15 r 9 pm

  • n2f Z* r

  • r/pm 183 182 182 181 183 180 208 180 r/pm 177 176 176 176 176 194 174 15 9 pm

  • 15

  • Zr Nb Mo Tc Rur/pm 160 146 139 136 134 Hf Ta W Re Osr/pm 159 146 139 137 135

  • 2 Z r r

  • Z r r

  • IA Li 152 pm Na 186 pm K 232 pm Rb 248 pm Cs 265 pm

  • r /pm Ti 147 V 134 Cr 128 Mn 127 Fe 126 Zr 160 Nb 146 Mo 139 Tc 136 Ru 134 Hf 159 Ta 146 W 139 Re 137 Os 135 r 10 pm

  • r r /pm Ti 147 V 134 Cr 128 Mn 127 Fe 126 Zr 160 Nb 146 Mo 139 Tc 136 Ru 134 Hf 159 Ta 146 W 139 Re 137 Os 135

  • 5. 4. 2 1.

  • E1s = 13.6 eV = 0 eV

  • E = 0 eV 13.6 eV E1s = 13.6 eV = 13.6 eV E = 0 eV

  • eV 1 eV W = 1.602 1019 C 1 V = 1.602 1019 J 1 1.602 1019 C 1V

  • E = 1.602 1019 J 13.6 6.02 1023mol1 = 1312 kJmol1

  • 1 mol 1 mol 1 mol M+ I1

  • 1 mol M+ 1 mol 1 mol M2+ I2 I3I4 In

  • 1 mol H 1312 kJmol1 kJmol1

  • 1s

  • 2. Z r 1 I1

  • I1 /kJmol1 Li Be B C N O F Ne 520 900 801 1086 1402 1314 1681 2081

  • I1 / kJmol1 Li Be B C N O F Ne 520 900 801 1086 1402 1314 1681 2081 I1Be> I1B I1N > I1O

  • B [ He ] 2s2 2p1 2p Be 2s2 I1 Be I1Be> I1B

  • N [ He ] 2s2 2p3 2p3 I1 O I1N > I1O

  • O [ He ] 2s2 2p4 2p4 2p3 I1 N

  • Ne [ He ] 2s2 2p6 I1 /kJmol1 Li Be B C N O F Ne 520 900 801 1086 1402 1314 1681 2081

  • I1 /kJmol1 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 633 659 651 653 717 762 760 737 746 906 Z

  • Zn [ Ar ] 3d10 4s2 Zn I1 I1 /kJmol1 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 633 659 651 653 717 762 760 737 746 906

  • 2

  • Z I1 r I1

  • I1 /kJmol1 Be 900 Mg 738 Ca 590 Sr 550 Ba 503

  • Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 659 651 653 717 762 760 737 746 906 I1 /kJmol1 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 640 652 684 702 710 720 804 731 868

  • I1 /kJmol1 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 640 652 684 702 710 720 804 731 868 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 659 728 759 756 814 865 864 890 1007

  • 3. Z* r

  • I1 < I2 < I3 < I4 <

  • In /kJmol1

  • I1 I2 I3 I4 I5 I6 Li 520 7298 11815 Be 900 1757 14849 21007 B 801 2427 3660 25026 32827 C 1086 2353 4620 6223 37830 47277 N 1402 2856 4578 7475 9445 53267

  • B I1I2 I3 B I1 I2 I3 I4 I5 B 801 2427 3660 25026 32827

  • B 1s2 2s2 2p1 3 I1 I2 I3 I4 I5 B 801 2427 3660 25026 32827

  • I4 I1 I2 I3 I4 I5 B 801 2427 3660 25026 32827

  • I1 I2 I3 I4 I5 B 801 2427 3660 25026 32827 I2 I1 = 1626 kJmol1 I3 I2 = 1233 kJmol1 I4 I3 = 21366 kJmol1

  • I1 I2 I3 I4 I5 B 801 2427 3660 25026 32827

  • BIV BIII LiIBeIICIV NV

  • 1. 5. 4. 3 1 mol 1mol M E1 E2E3E4

  • Fg+ e = Fg H = 328 kJmol1 E1 = H = 328 kJmol1

  • E H

  • 2. Z r E

  • B C N O FE /kJmol1 27 122 141 328 E

  • E B C N O FE /kJmol1 27 122 141 328

  • N [ He ] 2s2 2p3 2p B C N O FE /kJmol1 27 122 141 328

  • N B C N O FE /kJmol1 27 122 141 328

  • F

  • F E

  • O S Se

  • F Cl F2 Cl2 ?

  • F2 Cl2

  • F2 Cl2

  • |H5| > | H6 | F2 Cl2

  • 5. 4. 4 I E

  • 1932

  • 4

  • Li Be B C N O F 0.98 1.57 2.04 2.55 3.04 3.44 3.98

  • F 3.98 Cl 3.16 Br 2.96 I 2.66 Li 0.98 Na 0.93 K 0.82 Rb 0.82 Cs 0.79

  • F Cs

  • < 2.0 > 2.0

  • 1934 Mulliken

  • 1957 Allred Rochow