第二章 原子结构和元素周期表
原子结构和元素周期表
原子结构和元素周期表原子结构的研究是现代科学的重要组成部分。
通过对原子结构的深入了解，我们能够更好地理解物质的组成和性质。
元素周期表则是化学中的重要工具，将众多元素有序地排列起来，使人们能够更好地了解元素之间的关系和规律。
一、原子结构原子是构成物质的基本单位，它由原子核和围绕核运动的电子组成。
原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电荷。
电子带负电荷，数量与质子数相等，使得原子整体呈电中性。
原子的大小约为纳米级别，其中原子核占据了很小的空间，而电子则分布在核外的轨道中。
根据量子力学理论，电子的行为具有波粒二象性，其可存在于一系列离散的能级上。
二、元素周期表元素周期表是按照原子序数递增的顺序排列的，它将元素按照一定规律进行分类。
元素周期表的基本单位是元素符号，其中包含了元素的原子序数、原子质量等信息。
元素周期表以横行为周期，竖列为族。
横向的周期数代表了原子的主能级数，而纵向的族数则代表了元素化学性质的相似性。
周期表的左侧是金属元素，右侧是非金属元素，中间则是过渡金属元素。
元素周期表的一大特点是周期性规律的存在。
同一周期中的元素，其化学性质会有明显的相似性，而同一族中的元素，其原子结构和性质也会有一定的相似性。
这些规律的发现使得人们能够更好地预测和理解元素的性质。
三、元素周期表的应用元素周期表是化学科学中的重要工具，它被广泛应用于各个领域。
以下是一些常见的应用：1. 元素识别：通过元素周期表中的信息，可以帮助科学家识别和确定未知物质的成分，从而推测其性质和用途。
2. 反应预测：周期表的周期性规律可以帮助科学家预测化学反应的进行方式和产物，从而指导实验设计和工业生产。
3. 新材料开发：周期表中的元素提供了丰富的资源，科学家可以通过合理选用元素，设计和合成新的材料，满足不同领域对材料性能的需求。
4. 核能研究：周期表中的元素对核能研究也具有重要意义。
人们通过对元素核结构的研究，探索核反应的机理，实现核能的应用和开发。
原子结构与元素周期表
原子结构与元素周期表原子是构成物质的基本单位，它由质子、中子和电子组成。
通过研究原子的结构和性质，科学家们建立了元素周期表，对于研究化学和物理学等领域具有重要意义。
一、原子结构原子的结构主要由质子、中子和电子组成。
质子带有正电荷，中子没有电荷，而电子带有负电荷。
质子和中子集中在原子核中，而电子以轨道的形式绕原子核运动。
原子的质量数等于质子数加上中子数。
原子的原子序数等于质子数，决定了一个元素的化学性质。
原子核的直径约为10^-15米，而电子的轨道比较稀疏，整个原子的直径约为10^-10米。
二、元素周期表元素周期表是根据元素原子序数的大小和元素性质的周期性变化而建立的表格。
元素周期表按照一定的规律排列，左侧是金属元素，右侧是非金属元素，中间是过渡金属元素。
元素周期表中的每一个元素都有自己的原子序数、元素符号和原子质量。
原子序数从左到右递增，元素符号用来表示元素的化学符号，原子质量表示元素中质子和中子的总质量。
元素周期表为我们提供了对元素性质的了解和分类。
根据元素周期表的排列规律，我们可以推测元素的化学性质、电子排布、反应性等。
三、元素周期表的分类元素周期表可以按照元素的性质进行分类。
根据元素的电子排布，我们可以将元素分为主族元素、过渡元素和稀有气体元素。
1. 主族元素主族元素是指元素周期表中的1A到8A族元素。
这些元素的电子排布都符合最稳定的气体——氦气的电子排布。
主族元素具有相似的化学性质，例如1A族的元素都是碱金属，非常活泼。
2. 过渡元素过渡元素位于元素周期表的3B到12B族。
这些元素在化学性质上介于主族元素和稀有气体元素之间。
过渡元素具有较高的熔点和沸点，可以形成多种形态和价态。
3. 稀有气体元素稀有气体元素位于元素周期表的18族，包括氦、氖、氩、氪、氙和氡。
这些元素具有非常稳定的电子排布，不易发生化学反应。
稀有气体元素在工业和科学实验中具有重要的应用价值。
四、元素周期表的应用元素周期表不仅是化学研究的重要工具，也具有广泛的应用价值。
原子结构与元素周期表的讲解
原子结构与元素周期表的讲解在我们日常生活中，我们经常听到“原子”和“元素周期表”这两个词。
它们是化学领域中非常重要的概念，对于理解物质的本质和化学反应起着关键的作用。
本文将对原子结构和元素周期表进行深入的讲解。
一、原子结构原子是构成物质的基本单位，它由质子、中子和电子组成。
质子带有正电荷，中子不带电荷，而电子带有负电荷。
在原子中，质子和中子集中在原子核中，而电子则围绕原子核运动。
原子的结构可以用原子核和电子云来描述。
原子核位于原子的中心，其中包含了质子和中子。
电子云则是由电子组成的，它环绕在原子核的外部。
电子云的形状是不规则的，它的大小取决于电子的能级。
原子的质量主要由质子和中子决定，而电子的质量相对较轻，可以忽略不计。
质子和中子的质量几乎相等，它们的质量都比电子大约2000倍。
二、元素周期表元素周期表是由化学元素按照一定规律排列而成的表格。
它是化学领域中最重要的工具之一，可以帮助我们理解元素之间的关系和性质。
元素周期表按照原子序数的大小进行排列，原子序数是指元素原子核中质子的数量。
元素周期表的每一行称为一个周期，每一列称为一个族。
周期表中的元素按照原子序数的增加顺序排列，从左到右，从上到下。
元素周期表中的元素根据其性质可以分为金属、非金属和半金属。
金属通常具有良好的导电性、热导性和延展性，如铁、铜和铝等。
非金属则通常具有较差的导电性和热导性，如氧、氮和碳等。
半金属则具有介于金属和非金属之间的性质，如硅和锗等。
元素周期表中的每个元素都有一个化学符号，化学符号是用来表示元素的缩写。
例如，氧的化学符号是O，铁的化学符号是Fe。
化学符号的第一个字母通常是大写的，第二个字母通常是小写的。
元素周期表还提供了关于元素的其他重要信息，如原子量、元素的电子排布和化学性质等。
通过元素周期表，我们可以更好地了解和研究元素及其化学反应。
总结：原子结构和元素周期表是化学领域中的两个重要概念。
原子由质子、中子和电子组成，其中质子和中子位于原子核中，电子则围绕在原子核的外部。
无机化学2原子结构与元素周期律
第二章 原子结构与元素周期律
表2-4
n、l、m的关系
第二章 原子结构与元素周期律
六、多电子原子轨道的能级
用图形把原 子轨道能级 高低顺序表 示出来，就 是原子轨道 能级图。
第二章 原子结构与元素周期律
第二节 核外电子的排布
多电子原子中，电子不仅受核的吸引，而且还存在 电子间的相互排斥，这些都影响到原子核外电子的排布， 而核外电子的排布又直接决定着元素的性质。因此，核 外电子排布是多电子原子结构中的一个重要问题。 人们根据光谱实验结果，并结合对元素周期律的分 析，归纳、总结出基态原子核外电子排布的三个基本原 理。
第二章 原子结构与元素周期律
五、薛定谔方程和四个量子数
为了描述电子的运动状态，1926年薛定谔把电子运动和 光的波动理论联系起来，提出了一种波动方程，该方程 称为薛定谔方程。
为了得到电子运动状态合理的解，必须引用三个参数，主 量子数n、角量子数l和磁量子数m，它们的取值是相互制 约的。此外，还有用来描述电子自旋运动的自旋量子数ms。
第二章 原子结构与元素周期律
迄今为止，人类已发现了一百多种元素，而这些元
素形成了数以百万计的物质，组成了丰富多彩的物质世 界。要了解这些物质的性质和变化规律，就必须要认识 其结构，从原子、分子水平上研究物质结构、性质及其 变化规律之间的关系。
第二章 原子结构与元素周期律
第一节 核外电子运动状态 一、氢原子光谱和玻尔理论
第二章 原子结构与元素周期律
（一）主量子数n
主量子数表示电子离核的平均距离，n越大，电子离核平 均距离越远，n相同的电子离核平均距离比较接近，即所 谓电子处于同一电子层。
电子层能量高低顺序： K<L<M<N<O<P。
高中化学第二章
高中化学第二章如下：
1. 物质的量
1.1 物质的微观组成
①物质由分子、原子组成
②分子由原子组成
③原子由核和电子组成
1.2 物质的宏观性质
①质量、体积、密度等
1.3 物质的微观性质
①分子质量、摩尔质量、分子数等
1.4 阿伏伽德罗常数
①定义
②与物质的量的关系
1.5 物质的量的计算
①摩尔质量的计算
②物质的量、质量、摩尔质量之间的关系
2. 原子结构和元素周期表
2.1 原子的结构
①原子核的组成
②电子云的分布
2.2 原子的量子化描述
①波粒二象性
②不确定性原理
2.3 元素周期表的布局
①元素分区
②元素的周期和族
2.4 元素的周期性规律
①原子半径的变化规律
②电负性的变化规律
③第一电离能的变化规律
2.5 元素的金属性和非金属性变化规律
①电负性与金属性、非金属性的关系
②金属性和非金属性的变化规律。
原子结构与元素周期表
原子结构与元素周期表元素周期表是化学家们用来分类和组织元素的一种工具。
它以一种系统的方式展示了所有已知元素的信息，帮助我们更好地理解原子结构和元素的特性。
本文将从原子结构的基本概念开始介绍，并深入探讨元素周期表的构造和用途。
一、原子结构原子是构成所有物质的基本单位，由带正电荷的原子核和绕核运动的电子组成。
原子核由质子和中子组成，而电子则绕着核心以轨道运动。
质子带正电荷，中子带无电荷，电子带负电荷。
原子的质量主要由质子和中子决定，而原子的化学性质则由电子的分布和排列决定。
二、元素周期表的构造元素周期表按照原子序数的大小，从左上角到右下角，以周期为单位排列元素。
每个周期中，原子序数递增，原子结构和元素特性也会发生变化。
在元素周期表中，元素按照一定规则分配到行（周期）和列（族）中。
元素周期表按照元素的性质将元素分为金属、非金属和类金属。
金属元素位于周期表的左侧和中间部分，它们通常具有良好的导电性和热传导性。
非金属元素位于周期表的右上方，它们通常呈现出不良的导电性和脆性。
类金属元素位于周期表的中间位置，它们的性质介于金属和非金属之间。
周期表中的每一横行被称为一个周期，每一纵列被称为一个族。
周期数表示元素的主量子数，决定了元素的电子层排布。
族数表示元素的最外层电子的数目和化学性质。
周期表中的元素按照原子序数递增排列，每一个元素都有一个对应的原子符号和原子序数，例如氢的原子符号是H，原子序数为1。
三、元素周期表的用途元素周期表是研究化学和理解元素特性的重要工具。
它可以帮助我们预测元素的性质，并找到元素之间的相似性和规律。
以下是元素周期表的一些常见用途：1. 预测元素的性质：通过元素周期表，我们可以推测元素的电子结构和化学性质。
例如，位于同一族的元素通常具有类似的化学性质。
2. 周期性规律：元素周期表展示了元素性质的周期规律。
根据周期表，我们可以发现元素的化学性质和原子结构之间的关系，比如原子半径、电离能和电负性等的变化规律。
原子结构及元素周期表
原子结构及元素周期表原子是构成所有物质的基本单位。
它们的结构和性质是化学研究的基石。
本文将介绍原子的结构以及元素周期表，旨在帮助读者更好地理解与应用化学知识。
一、原子结构原子由质子、中子和电子组成。
质子带有正电荷，中子不带电荷，而电子带有负电荷。
在一个中性原子中，质子和电子的数量相等。
以下是原子结构的三个主要组成部分：1. 质子：质子位于原子核中心，其质量大约为1个质子质量单位。
质子的数量决定了原子的元素。
例如，氢原子拥有一个质子，氧原子则有八个质子。
2. 中子：中子与质子一样位于原子核中心，但其质量稍大，约为1.008个质子质量单位。
中子的数量可以与质子数量不同，不同数量的中子可以形成同一元素的同位素。
同位素具有相同的质子数，但中子数不同。
3. 电子：电子环绕在原子核外部，呈云状分布。
它们的质量极小，约为1/1836个质子质量单位。
电子的数量与质子数量相等，决定了原子的稳定性和化学性质。
二、元素周期表元素周期表是一种按照原子数、电子配置和周期性特征来组织元素的表格。
它是化学家们研究元素及其化学性质的重要工具。
元素周期表按照一定的规律排列了118种元素。
1. 周期：元素周期表的横行称为周期，有7个周期。
每个周期的长度表示了该元素电子层的能力。
2. 主族：周期表的垂直列称为族。
前两个周期表没有列名，从第3到第12个周期之后是主族元素，它们具有相似的化学性质。
3. 原子序数：周期表中每个元素的位置由其原子序数决定。
原子序数是指一个原子中质子和中子的总数。
例如，氢元素的原子序数为1，氧元素的原子序数为8。
4. 周期性规律：元素周期表展示了元素性质的周期性变化。
在周期表的同一周期中，随着原子序数增加，原子半径逐渐变小，电负性逐渐增加。
在主族元素中，元素的化合价也呈现出周期性变化。
5. 元素分类：元素周期表将元素分为金属、非金属和类金属三大类。
金属具有良好的导电性和热传导性，非金属则相对较差。
总结：本文介绍了原子结构及元素周期表。
原子的结构与元素周期表
原子的结构与元素周期表原子是构成物质的最基本单位，它的结构对于理解元素的性质和元素周期表的组织至关重要。
本文将介绍原子的结构以及元素周期表的相关知识。
一、原子的结构原子由三种基本粒子组成：质子、中子和电子。
质子和中子位于原子核中心，而电子则绕核运动。
1.1 原子核原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电荷。
它们共同维持原子的稳定性和核的性质。
1.2 电子云电子云是电子在原子周围的分布区域，它根据不同的能级和轨道分布。
电子的数量与原子的核中质子的数量相等，保持了原子的电中性。
二、元素周期表元素周期表是由化学元素按照一定规律排列的表格，反映了元素的物理和化学性质。
2.1 元素周期表的结构元素周期表按照原子序数的大小从小到大排列。
每个元素的方格中通常包含元素的化学符号、原子序数、相对原子质量等信息。
2.2 元素周期表的分组元素周期表根据元素的性质划分为若干个不同的分组，主要包括主族元素和过渡元素两大类。
2.3 元素周期表的周期性规律元素周期表中元素的排列具有周期性规律，即元素的性质和特征在周期表中呈现出周期性的重复性。
这是由于元素的结构和电子排布导致的。
三、原子的结构与元素周期表的关系原子的结构和元素周期表密切相关，元素周期表的排列顺序反映了原子的核电荷以及电子排布的规律。
3.1 元素周期表中的周期元素周期表中的水平行称为周期，每个周期包含了一个新能级的填充。
随着周期数的增加，原子的电子层数也增加。
3.2 元素周期表中的族元素周期表中的垂直列称为族，同一族元素具有相似的化学性质，这是由于它们外层电子的数目相同。
3.3 电子排布规则根据电子排布规则，每个原子的最内层能容纳2个电子，第二层能容纳8个电子，第三层能容纳18个电子，以此类推。
电子填充原则为"2, 8, 18, 32"。
3.4 原子结构与元素性质的关系原子的结构决定了元素的性质。
例如，原子的电子层数和电子的分布情况决定了原子的尺寸、电离能和电负性等物理性质。
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E (g) = E+ (g) + e-
| |2 d 1
all space
意义：电子在整个运动空间出现的总几率为1。
13
2.2.2 波动方程——薛定谔方程
2
x2
2
y2
2
z2
8 2m
h2
E
Ze2
40r
0
14
直角坐标与球坐标的变换
x r sin cos y r sin sin z r cos
r2 x2 y2 z2
cos
z x2 y2 z2 1 2
tan y z
0 r , 0 , 0 15
变量分离
(r, ,) R(r)Y( ,) R(r)Θ Φ
R(r)方程
Θ 方程 Φ 方程
n主量子数
量
l角量子数
子
m磁量子数
数
n 1, 2, 3,
n l 1
l 0, 1, 2, , n 1 l m
s, p, d, f…... 3 l 决定了ψ的角度函数的形状。
19
磁量子数m 1 与角动量的取向有关，取向是量子化的； 2 m可取 0，±1, ±2……±l 3 值决定了ψ角度函数的空间取向
20
n, l, m 一定,轨道也确定
0
1
轨道 s
p
例如: n =2, l =0,
2 d m =0,
3…… f……
m
E c2
hν c2
h cλ
•既然光子有质量，就必有动量p
p mc h λ
•光子与电子撞时服从能量守恒与动量守恒定律。
7
2. 玻尔理论
Niels Bohr
Bohr的量子论
1913年，Bohr综合了Planck的量子假说，Einstein的
光子说和Rutherford的原子有核模型提出了原子的量
长周期表：7个周期、18个族、5个区
49
s区
p区
d区
ds区
f区
元素周期表
50
基于原子的电子排布方式、元素的周期律可归纳为： ❖ 在周期表中，各周期终止于封闭壳层。 ❖ 除闭壳层外，同一主族中各元素有相同的外 电子层结构。 ❖ 过渡元素主要是d电子的填充。 ❖ 镧系和锕系元素主要是f电子的填充。
51
§2.4 元素的性质与原子结构的关系
原子的基本性质如原子半径、电离能、 电负性等都与原子的结构密切相关，因而也 呈现明显的周期性变化。
2.4.1 原子半径
共价半径 金属半径 离子半径
52
主 族 元 素
53
元素的原子半径变化
54
2.4.2 元素的电离能
气态原子失去一个电子成为一价气态正离子所 需的最低能量，称为原子的第一电离能（I1）。
几率（propability):
| (x, y, z,t) |2 dxdydz
Probability of finding a particle in the volume element dxdydz about the point (x,y,z) at time t
几率密度（probability density):
| (x, y, z,t) |2
Probability per unit
volume
12
合格波函数的条件
1.Ψ必须是连续的（ Continuous and Differentiable） 2.Ψ必须是单值的（ Single-valued） 3.Ψ必须是有限的，且平方可积的（ Finite)
Normalized 归一化：
2s
n =3, l =1, m =0, 3pz
n =3, l =2, m =0, 3dz2 思考题:
当n为3时, l ,m,分别可以取何值?
轨道的名称怎样?
21
单电子原子波函数
n,l,m (r,θ,) Rn,l (r)Θl,m (θ)Φm () Rn,l (r)Yl,m (θ,)
n 1, 2, 3,
多电子原子核外电子分布的表达式称为 电子分布式。
Br（35）
1s22s22p63s23p64s23d104p5
1s22s22p63s23p63d104s24p5
[Ar]3d104s24p5
4s24p5
外层电子分布式 47
Cr（24） 1s22s22p63s23p63d44s2 1s22s22p63s23p63d54s1
鲍林(Pauling L)根据光谱实验的结果，总结出 了多电子原子轨道近似能级高低顺序：
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s,4 d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p401 ຫໍສະໝຸດ auling近似能级图41
多电子原子中，轨道能量除决定于主量子数 n 以 外，还与量子数 l 有关，可归纳出以下三条规律：
6
Einstein光子学说
Einstein (1905) , with Planck’s quantum hypothesis
•光的能量是不连续的，是量子化的。
E h
•光为一束以光速c行进的光子流,光的强度取决于单位
体积内光子的数目，即取决于光子的密度。
lim N dN r0 d
•光子不但有能量，还有质量m
1) 角量子数 l 相同时，随着主量子数 n 值增大
，轨道能量升高。例如，
E1s E2s E3s
2) 主量子数 n 相同时，随着角量子数 l 值增大
，轨道能量升高。例如， Ens Enp End Enf
3) 当主量子数 n 和角量子数 l 都不同时，有时
出现能级交错现象。例如，
E4s E3d E5s E4d E6s E4 f E5d
第二章 原子结构和元素周期
表
1
§2.1 氢原子光谱和微观粒子运动的特征 2.1.1 氢原子光谱和波尔理论
1. 氢原子光谱
当原子被电火花、电弧、火焰或其它方法激发时，能 够发出一系列具有一定频率（或波长）的光谱线，这些光
谱线就构成了原子光谱。
2
氢原子光谱
3
1927年，Davissson和Germer应 用Ni晶体进行电子衍射实验
Cu（29） 1s22s22p63s23p63d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1
48
2.3.3 元素的原子结构和周期表
1869年2月，俄罗斯化学家门捷列夫发表了“元素属 性和原子量关系”的论文，阐述了“按照原子量大 小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性的 规律，这种规律称为元素周期律。” 元素性质的周期性来源于原子电子层结构的周期性。
l 1 m0
npx
m 1 npx , npy
l 0, 1, 2, 3, s pd f
23
氢原子和类氢离子的能级
En
2.180 1018
Z n
2
J
13.6
Z2 n2
eV
能量由主量子数n决定
n
N4 M3
4s
4p
4d
3s
3p
3d
L2
2s
2p
K1 1s
4f
24
2.2.3 概率密度和电子云
单位体积内概率称为概率密度： 概率密度＝概率
体积
2 概率密度
波函数 ：描述电子所处的可能状态 电子云： 表示某个状态的电子在空间某点的概率密度
R(r)
Y ( , )
2
R2 (r)
Y 2 ( , )
▪ 径向函数图
▪ 角度函数图
2
▪ 径向分布函数图 ▪ 角度分布函数图
25
2.2.4 波函数和电子云的图像
1. 原子轨道的角度分布图 Y ( ,)
证实电子具有波动性。
4
电子射线通过一薄晶片时发生的衍射现象
5
1861年 Kirchoff and Bunsen 碱金属光谱 1885年 Balmer 氢原子光谱
R(
1 22
1
n
2 2
)
n2 3,4,5,
称为波数
1
10967758.1cm-1
R是Rydberg常数，其值为
原子光谱的特点：一是譜线锐利，这就表明原子不是以连 续的方式发射和吸收能量，而是以一定的频率发射和吸收 能量；二是具有高度的特征性。也就是说，原子光谱是线 状光谱，且每种原子的光谱都有确定的特征频率。
Particle Property
p h
光的波粒二象性 Wave Property
E hν
9
3. 波粒二象性的统计解释
玻恩（Born）, 1926
物质波的“统计规律”
电子的波动性反映了微观粒子在空间区域 出现的概率的大小。
微观粒子波
概率波
10
§2.2 氢原子核外电子的运动状态
2.2.1 波函数
2) 能量最低原理：原子中电子的排布，在不违背Pauling原 理的条件下，电子尽可能从最低能级依次向高能级填充 ，以使得整个原子的能量最低。
3) 洪特规则：电子在角量子数l相同的简并能级填充时将尽 可能占据不同的轨道，且自旋平行愈多，则能量愈低。
2p 2s
1s
2p
2s
46
1s
2. 元素原子的电子分布式
量子力学理论是描述微观粒子运动规律的科学，它包含 若干基本假设
• 假设1：波函数ψ
•对于一个微观体系，它的状态和有关情况可以用波函 数ψ（x, y, z, t)来表示。ψ是体系的状态函数，是体系 中所有粒子的坐标函数，也是时间函数。不含时间的 波函数ψ（x, y, z) 称为定态波函数。
11
波函数的物理意义