原子结构与性质
第一章原子结构与性质
第一章原子结构与性质一、引言原子是构成物质的基本单位，对于了解物质的性质和变化具有至关重要的作用。
本章将通过介绍原子的结构和性质，帮助读者更好地理解物质的组成和行为。
二、原子结构1.原子的组成原子是由原子核和电子组成的。
原子核位于原子的中心，由质子和中子组成。
电子绕原子核飞快地运动着。
2.原子的大小原子的大小一般用原子半径或原子体积来描述。
原子半径的单位是皮米(1皮米=1×10^-12m)，原子体积的单位是立方皮米。
3.原子的质量原子的质量是由原子核和电子的质量之和确定的。
原子核的质量要远远大于电子的质量，所以在计算原子的质量时可以忽略电子的贡献。
三、原子性质1.原子的电荷原子中带正电的质子与带负电的电子数量相等，所以原子是电中性的。
2.原子的稳定性原子的稳定性与原子核中质子与中子的比例有关。
如果质子与中子的比例不合适，原子核会不稳定，从而发生放射性衰变。
3.原子的价电子原子的外层电子称为价电子。
原子的化学性质主要由其价电子的数目和排布方式决定。
4.原子的原子数原子数是指原子中质子的数目，也被称为元素的原子序数。
原子数决定了元素的化学性质和位置。
5.原子的周期表根据原子数的大小排列元素的周期表展示了元素的周期性性质。
周期表对于研究元素的性质和变化具有重要的指导意义。
四、原子结构与性质的研究方法1.X射线衍射X射线衍射是一种重要的研究原子结构的方法，通过检测物质中X射线的衍射模式，可以推断物质的晶体结构和原子排列方式。
2.电子显微镜电子显微镜可以观察到原子的微观结构，对于研究原子的形状和分布具有重要的作用。
3.光谱学光谱学可以通过观察物质在不同波段的发射或吸收光谱，了解原子的能级结构和电子转移过程。
五、结论通过本章的学习，我们了解了原子的基本结构和性质。
原子是物质的基本单位，研究原子结构与性质对于理解物质的组成和行为具有重要的意义。
掌握原子结构与性质的基本知识，有助于我们更好地理解化学原理和应用化学知识。
2原子的结构与性质
1 m 0, 0 2
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第二章 原子的结构和性质
根据态叠加原理，两个独立特解的线性组合仍然是 方程的解。可由此得实函数解。
1 im 1 m e cos m i sin m 2 2
m
1 im 1 e cos m i sin m 2 2
(2.1.8)
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第二章 原子的结构和性质
按照偏微分关系运算可得几个典型算符在极坐标内 的情况：
ih ˆ M z 2π ih ˆ Mx sin cos cos 2π
ih ˆ My cos cos sin 2π
z r cos
: [0,2]
2 2
r x y z
2 2
(2.1.4)
cos
x
z
2
y z
2
2
1
2
(2.1.5) (2.1.6)
tan y
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x
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第二章 原子的结构和性质
按偏微分关系分别对式(2.1.4)、(2.1.5)、(2.1.6) 求导并 代入式(2.1.3) ，利用偏微分关系式：
单电子原子：H、 He+、 Li2+、Be3+都是只有1个 核外电子的简单体系，称为单电子原子或类氢离子。
核电荷数为 Z 的单电子原子，电子距核 r 处绕核 运动，电子和原子核吸引的位能由库仑定律可求得：
Ze 2 V 4π 0 r
体系的全能量算符（Hamilton）：
2 2 2 h h Ze 2 2 ˆ H N 2 e 2 8 M N 8 me 4 0 r
元素的原子结构及其化学性质
元素的原子结构及其化学性质元素是组成物质的基本单位，其原子结构和化学性质是研究化学的基础。
本文将详细介绍元素的原子结构及其化学性质。
一、原子结构原子是最小的物质单位，具有无限的分解能力。
在现代原子理论中，原子结构被分为三个组成部分：质子、中子和电子。
质子和中子位于原子核中心，占据原子的大部分质量，而电子则绕核旋转，占据大部分原子的体积。
原子核的电荷为正电荷，电子的电荷为负电荷，因此原子整体带有净电荷为0的性质。
元素的质子数为每种元素的唯一特征，称作原子序数。
原子序数为1的元素是氢（H），原子序数为2的元素是氦（He），以此类推。
元素的核外层的电子数，决定了元素的性质和化学反应能力。
原子的电子排布方式是按照“能量最低、能级最少”的原则排布，也称作能级填充原则。
二、周期表元素的周期性是指，在同一周期内，原子核内的质子数不断增加，电子数不断增加，外层电子在同一层次上填满，导致原子性质的周期性变化。
Dmitri Mendeleev将元素按照原子序数和化学性质排列，并形成了我们熟知的现代元素周期表。
周期表的竖列为元素的族，每个族的元素具有相似的物理和化学性质。
周期表的水平行被称为一周期，同时在相邻一周期内的元素具有相似的元素化学性质。
由此，周期表成为研究元素化学性质和性质周期性的基础。
三、元素的化学性质元素的化学性质包括元素的原子结构、元素的反应活性和元素的物理性质。
1. 元素的反应活性元素的反应活性是指元素自身或与其他物质发生反应的能力。
化学反应是通过原子的失去或获得电子实现的，因此，原子外层的电子数越少，该元素就越容易与其他元素反应形成化合物。
金属元素与非金属元素的反应活性是不同的。
金属元素在化学反应中，通常是丧失外层电子形成离子，再和其他原子形成化合物。
非金属元素则通常是在反应中获得一个或多个外层电子，形成阴离子或分子化合物。
元素的反应活性可以通过电位高低、键结构和化学结构等来指示。
2. 元素的物理性质元素的物理性质包括元素的密度、熔点、沸点和硬度等特征。
化学原子结构与性质
例1、下列各组元素，按电负性大小排
列正确的是（ D ）
A、F＞N＞O B、O＞Cl＞F
C、As＞P＞H D、Cl＞S＞As
例2、下列各组元素，按原子半径依次 减小，元素第一电离能逐渐升高的顺
序排列的是（ A ）
A、K、Na、Li B、Al、Mg、Na
C、N、O、C
D、Cl、S、P
例3、下列是说法中正确的是（ A ） A、第三周期元素中钠的第一电离能最小 B、铝的第一电离能比镁的第一电离能大 C、在所有元素中，氟的第一电离能最大 D、钾的第一电离能比镁的第一电离能大
元素 H Li Be B C N O F 电负性 2.1 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
元素 Na Mg Al Si P S Cl K 电负性 0.9 1.2 1.5 1.7 2.1 2.3 3.0 0.8
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出了肯定の回答,只是她要求,必须在封神谷の出口等他.噬大人沉吟了片刻,却答应了她这个有点无理の要求,最后在这给她建立了一些木房子,并且还特意去求了三块令牌,挂在了房子上. 她回头望着那三块在风中摇曳の令牌,夜妖娆知道,这是三块令牌一是在警告这山中の神 匪,同时也在告诫着她,不要做傻事.如果不是这三块牌子,恐怕她早已跳进了这个深坑,微微一叹,她再次朝深坑望了一眼,而后转身回到房子内,开始闭关修炼. …… 流浪神王,很担心. 他虚弱の躺在了山洞内,虚弱得眼皮都睁不开了. 他修炼时候不长,能在短短数万年修炼到 神王境,他无比の自豪.神将巅峰,他去参加了破仙考核,很幸运の成功了,而后他在一次任务之中却陡然顿悟了,那时在野外,四周潜藏着无数の危险.但是他毅然选择了顿悟,置生死于外.结果他很幸运の突破了,但是却欠下了当时守护他の柳家破仙一些人情. 他不后悔,顿悟无 比重要.如此年纪突破神王境,
第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构
第一章原子结构与性质第一节原子结构学习目标：1.了解原子核外电子的能层、能级及其能量关系；2.掌握原子结构的构造原理。
一、原子结构理论发展史1.现代大爆炸宇宙学理论（1）现代大爆炸宇宙学理论认为，我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸。
大爆炸后约两小时，诞生了大量的、少量的以及极少量的锂。
其后，经过或长或短的发展过程，氢、氦等发生原子核的熔合反应，分期分批地合成其他元素。
（2）宇宙的年龄至今约140亿年，数的1/8。
它们合起来约占宇宙原子总数的（3（4）地球的年龄至今已有150亿年。
___种。
2.原子结构理论发展历程：（1）公元前400（2）19物理方法分割；同种分子的质量和性质相同（3）18971.能符理论研究证明，每层所容纳的最多电子数为(n表示)2.能级：在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能，可以把它们分成(s、p、d、f、g)，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。
各能层上的能级是不一样的。
能层K L M N O……能级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f……最多电子数2262610261014……各能层电子数28183250……注意事项：（1）每个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……，每一能层含有的能级数等于，（2）相同能级容纳的电子数。
（3）s、p、d、f……可容纳的最大电子数依次是、、、…的倍三、核外电子的运动状态（P9-P11）1.1926年，波尔的电子绕着原子核高速运转的模型被原子结构理论代替了。
2.量子力学指出：核外电子在核外空间的运动状态（位移和速度）是不确定的，而只能确定它出现在原子核外空间各处的。
3.4.地方出现的越多。
5.6.运动的形象化简单描述。
7.所有能层的s8.所有的p能级的电子云轮廓是个相互的形电子云，分别是p x、、。
9.廓就会有几个原子轨道，如：s能级(即s有个轨道，轨道有个轨道，5个L能层一共有个轨道，M能层一共有2个电子，所以每个能层最多排布的电子数目=数目。
第1讲 原子结构与性质
三原理一规则
最大容纳原理 能量最低原理 泡利原理 洪特规则
1）最大容纳原理：每个电子层最多容纳2n2个电子。
(2)能量最低原理 ①原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于 最低状态。 ②基态原子： 处于最低能量的原子 。当基态原子 吸收 能 量后，电子会 跃迁到较高能级 ，变成 激发态 (3)泡利原理 一个原子轨道最多容纳 2 个电子，而且 自旋状态 相反。 (4)洪特规则 当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子 总是优先 单独占据一个轨道 ，而且 自旋状态 相同。 原子。
意义
决定元素的种类 决定同位素和质量数 价电子决定元素化性
质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N) 原子： 质子数=核电荷数=原子序数=核外电子数
(1) 重 要 的 等 式
阳离子：质子数=核外电子数+离子所带电荷数 阴离子：质子数=核外电子数-离子所带电荷数
例1（99）“铱星”计划中的铱的一种同位素是 191 Ir其核内中子数是 B 77 A. 77 B. 114 C. 191 D. 268
元素原子核外电子总数比A元素原子核外电子总数多5
个，则A、B两元素形成的化合物可表示为(
A. A3B2 B.A2B3 C.AB3
B
)
D.AB2
例2.设X、Y、Z代表三种元素，已知：
① X+和Y-两种离子具有相同的电子层结构 ② Z元素原子核内质子数比Y元素原子核内质子数少9个 ③ Y和Z两种元素可以形成4核42个电子的负一价阴离子 据此，请填空： （1）元素Y是
Cr：1s22s22p63s23p63d44s2(×) 例如： Cr：1s22s22p63s23p63d54s1(√) Cu：1s22s22p63s23p63d94s2(×) Cu：1s22s22p63s23p63d104s1(√)
原子的结构和性质
0
14
2.1.2 分离变量法求解薛定谔方程
运用分离法变量法使ψ( r, θ, φ)变成只 含一种变数的函数R(r)、Θ(θ)和Φ(φ)的乘积:
r,, Rr
15
sin2 (r2 R ) sin (sin )
R r r
2mr 2sin 2
2
E
Ze2 40 r
1
2 2
D = r2R2n,l(r)
41
2.3.2 原子轨道的径向部分与电子云 的径向部分
原子轨道的态函数形式非常复杂, 表达成图形才便于讨论化学问题。
42
作图对象重要涉及： (1) 态函数 (即轨道)和电子云；
(2) 完全图形和部分图形； 完全图形有: 态函数图：ψ(r,θ,φ) 电子云图：|ψ(r,θ,φ)|2
9
类氢原子的薛定谔方程：
哈密顿算符： H
2
2
ze2
2m
4 0 r
2
2 x2
2 y 2
2 z 2
薛定谔方程表达式：
2 2 2m
ze2
4 0
r
E
r x2 y2 z2
10
11
通过坐标变换，将 Laplace算符从直角坐 标系(x, y, z)换成球坐 标系(r, θ, ф):
2
1 r2
21
2.1.4 类氢原子的态函数
1.态函数表达式：
n,l,m r, , Rn,l r l,m m
令： Yl,m ( ,) l,m ( ) m ()
则： n,l,m Rn,l (r) Yl,m ( , )
22
Rn,l (r) : 径向态函数
Yl,m ( ,) : 角度态函数
原子的结构与性质
原子的结构与性质原子是构成所有物质的基本单位，也是化学研究的基础。
原子是由质子、中子和电子构成的，每个原子的质子数是固定的，称作原子序数。
但是中子数可变，同种元素的原子的质子数相同，但中子数不同，称为同位素。
原子的电子数也可以变化，同种元素的原子在电子数不同的情况下具有不同的化学性质。
原子的结构先来说说原子的基本结构。
原子由中心的原子核和绕核运动的电子构成。
原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子无电荷。
电子带负电荷，它们在原子核周围高速运动，形成电子壳层。
原子核直径约为10^-15米，它带有正电荷，故原子是带正电荷的。
核内的质子和中子是稳定的，因为它们彼此之间的相互作用力变化不大。
电子壳层数量的不同会对原子性质产生明显的影响。
原子的第一层最多容纳2个电子，第二层最多容纳8个电子。
这意味着带一定电子数的不同元素具有不同的化学性质。
例如，氢原子只有一个电子，因此它比较容易失去电子成为正离子；又例如，氧原子由8个电子构成，因此它比较容易接受两个电子成为负离子。
原子的性质原子的性质涉及它们化学和物理方面的各种特征。
其中一些是：化学性质原子的化学性质包括其倾向于接受、捐赠或共享电子的方式。
这对于它们在化学反应中的行为非常重要。
元素周期表列出了元素的化学性质。
例如，氧原子是高度电负的，也就是它更倾向于吸收电子；另一方面，金属元素如铜和铁更倾向于捐赠电子。
物理性质原子的物理性质包括原子的质量、大小、密度和熔点等。
这些性质主要受到原子核和电子互相作用的影响。
原子的重量原子的重量可以通过原子质量或相对原子质量来表示。
原子质量等于原子核内质子和中子的质量之和，相对原子质量等于元素的原子质量与碳-12相对的比率。
例如，氧-16的原子质量为15.995 u，相对原子质量为16 u。
同位素可以有不同的原子质量和不同的相对原子质量。
原子的大小原子的大小可以通过测量原子的原子半径来确定。
原子半径是从原子核到最外层电子的平均距离。
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不能表示为
或
。
洪特规则特例：当能量相同的原子轨全道满在
(p6、d10半、满f14)、
(p3、d5、全f空7)和
(p0、d0、f0)状态时，体系的能量最低，如：
24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
3.基态、激发态及光谱示意图
深度思考
1.正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
特别提醒 第一能层(K)，只有s能级；第二能层(L)，有s、p两 种能级，p能级上有三个原子轨道px、py、pz，它们具有相同的 能量；第三能层(M)，有s、p、d三种能级。
2.基态原子的核外电子排布 (1)能量最低原理：即电子尽可能 地先占有能量低的轨道，然后进 入能量高的轨道，使整个原子的 能量处于最低状态。 如图为构造原理示意图，即基态原 子核外电子 在原子轨道上的排布顺序图：
数
序数 化电子排 序数 电子排布式
[Ne]3s1
18
1s22s22p63s23p6
布式
[Ar]4s1
36 1s22s22p63s23p63d104s24p6
二 2 3 []2s1 10
1s22s22p6
三 3 11 _______ __ _____________
五 5 37 六 6 55
[Kr]5s1 [Xe]6s1
(1)p能级能量一定比s能级的能量×高( )
(2)同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次×增多( )
(3)2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等( ) ×
(4)2px,2py,2pz的能量相等( ) √
(5)2s轨道的电子排布图为 ( )
(6)2p3的电子排布图为
× ()
×
2.完成下表，理解能层、能级及其最多容纳电子数的关系
的能级s，、通p、常d用、f
等表示，同一能层里，s、各p能、级d、的f能
量按
的E(顺s)＜序E依(p次)＜升E高(d，)＜即E：(f)
。
(3)原子轨道：电子云轮廓图给出了电核子外在经常出现 这种电子云轮廓图称为原子轨道。
的区域。
原子轨道 s p
轨道形状 _球_形__
_哑__铃_形__
轨道个数 _1 _3
注意：所有电子排布规则都需要满足能量最 低原理。
(2)泡利原理 每个原子轨道里最多只能容2纳 个电子，且自旋相状反态 。
如2s轨道上的电子排布为 ，不能表示为
。
(3)洪特规则
当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是
________
优先单独
占据一个轨道，且自旋状态相同。如2p3的电子排布为，
_[_A_r]_3_d_64_s_2 _
Cu __1_s2_2_s2_2_p_63_s_23_p_6_3d_1_0_4s_1_
_[A__r]_3_d_10_4_s1_
_1_s_2_2s_2_2_p6_3_s2_3_p_63_d_1_04_s_24_p_3_ [Ar]3d104s24p3
As
____________
ⅢA _n_s2_n_p_1 ⅦA _n_s2_n_p_5
ⅣA _n_s2_n_p_2
②0族：He：1s2；其他ns2np6。 ③过渡元素(副族和第Ⅷ族)：(n－1)d1～10ns1～2。
(3)元素周期表的分区 ①根据核外电子排布
a.分区
b.各区元素化学性质及原子最外层电子排布特点
分 元素分布 价电子排布
区
元素性质特点
除氢外都是活泼金属
s区 ⅠA、ⅡA族
ns1～2 元素；通常是最外层
电子参与反应
ⅢA族～ⅦA族、
通常是最外层电子参
p区
ns2np1～6
0族
与反应
ⅢB族～ⅦB族、 (n－1)d1～ d轨道可以不同程度
d区 Ⅷ族(除镧系、
2.下列电子排布图所表示的元素原子中，其能量处于最低③状⑤态 的是____。
答案 解析
①、④不符合能量最低原理；②不符合洪特规则。
考点二 原子结构与元素性 质
知识梳理
1.原子结构与周期表的关系 (1)原子结构与周期表的关系(完成下列表格)
每周期第一个元
每周期最后一个元素
素
能
基态原子
周期 层
原子 的简 原子 基态原子的
第十二章 物质结构与性质(选 考)
第37讲 原子结构与性
质
考点一 原子核外电子排布原理
知识梳理
1.能层、能级与原子轨道
(1)能层(n)：在多电子原子中，核外电能子量的
是不同的，按
能照量电子的 差异将其分成不同能层。通常用K、L、M、N……表示，
能量依次升高。 能量
(2)能级：同一能层里电子的
也可能不同，又将其分成不同
能层 一 二
三
四
五…
符号 K L
M
N
O…
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s … …
最多 _2 _2 _6 _2 6_ 1_0_ _2 _6 _10_ _14_ _2_ … …
容纳
电子
2
_
8
_
18
__
数
32
2_n_2
__
…
_
3.请用核外电子排布的相关规则解释Fe3＋较Fe2＋更稳定的答案原因。 26Fe价层电子的电子排布式为3d64s2，Fe3＋价层电子的电子排布 式为3d5，Fe2＋价层电子的电子排布式为3d6。根据“能量相同 的轨道处于全空、全满和半满时能量最低”的原则，3d5处于半 满状态，结构更为稳定，所以Fe3＋较Fe2＋更为稳定。
_1_s_2_2s_2_2p_6_3_s2_3_p_5 _
Ca
__1_s2_2_s2_2_p_63_s_23_p_6_4s_2_
_[_H_e_]2_s_2_2p_3_ __[N__e]_3_s2_3_p_5 _
_[A__r]_4_s2_
Fe __1_s2_2_s2_2_p_63_s_23_p_6_3d_6_4_s2__
特别提醒 由于能级交错，3d轨道的能量比4s轨道的能量高， 排电子时先排4s轨道再排3d轨道，而失电子时，却先失4s轨道 上的电子。
解题探究
题组一 电子排布式、排布图的书写与判断 1.写出下列原子的电子排布式与简化电答子案排布式：
原子
电子排布式
简化电子排布式
N
_1_s_22_s_2_2p_3_
Cl
1s22s22p63s23p63d10 54
4s24p64d105s25p6
1s22s22p63s23p63d10
4s24p6 86
4d104f145s25p65d106
s26p6
(2)每族元素的价层电子排布特点 ①主族
主族 排布特点
主族 排布特点
ⅠA _ns_1 ⅤA _n_s_2n_p_3
ⅡA _ns_2 ⅥA _n_s_2n_p_4_