物质结构与性质.ppt
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1、物质结构与性质,,LOGO,第一讲 原子结构,多电子原子轨道的能级 第七组 7s 5f 6d 7p 第六组 6s 4f 5d 6p 第五组 5s 4d 5p 第四组 4s 3d 4p 第三组 3s 3p 第二组 2s 2p 第一组 1s,,LOGO,能量,组内能级间能量差小 能级组间能量差大,,LOGO,可见在多电子原子中,轨道能量与n和l都有关。主量子数相同,角量子数不同的能级,能量随角量子数增大而升高:,此称为能级分裂现象,E1sE2s E2p E3s E3p E3d E4s,当主量子数和角量子数均不相同时,有时还会出现能级交错现象:,4s3d4p,5s4d5p,6s4f5d6p,,LOG
2、O,其中除第一能级组只有一个能级外,其余各能级组均以 ns 开始,以 np 结束。 ns(n3)g(n2)f(n1)dnP n8,,LOGO,3、 核外电子排布的原则(重点内容),(1)能量最低原理 电子先填充能量低的轨道,后填充能量高的轨道。尽可能保持体系的能量最低。,(2)Pauli ( 泡利 ) 不相容原理 即同一原子中没有运动状态完全相同的电子,即同一原子中没有四个量子数完全相同的两个电子。于是每个原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。,(3) Hunt ( 洪特 ) 规则 电子在能量简并的轨道中,尽量以相同自旋方式成单排布。简并的各轨道保持一致,则体系的能量低。,,LOGO,注意
3、几个例外 : 24号Cr 3d54s1 29号Cu 3d104s1 41号Nb 4d45s1 42号Mo 4d55s1 44号Ru 4s75s1 45号 Rh 4d85s1 46号Pd 4d10 47号Ag 4d105s1,,LOGO,(1 ) 元素的周期,周期的划分与能级组的划分完全一致,每个能级组都独自 对应一个周期。共有七个能级组, 所以共有七个周期。,第一周期: 2 种元素 第一能级组: 2 个电子 1 个能级 1s 1 个轨道,第二周期: 8 种元素 第二能级组: 8 个电子 2 个能级 2s 2p 4 个轨道,5、元素周期表,,LOGO,第三周期: 8 种元素 第三能级组: 8 个
4、电子 2 个能级 3s 3p 4 个轨道,第五周期: 18 种元素 第五能级组: 18 个电子 3 个能级 5s 4d 5p 9 个轨道,第四周期: 18 种元素 第四能级组: 18 个电子 3 个能级 4s 3d 4p 9 个轨道,,LOGO,元 素 周 期 表,,LOGO,(2 ) 元素的区和族,s 区元素 包括 IA 族,IIA族,价层电子组态为 n s 1 2 ,属于活泼金属。,p 区元素 包括 IIIA 族,IVA 族,VA 族,VIA 族, VIIA 族, 0 族 ( VIIIA族 ),价层电子组态为 ns 2 np 1 6 ,右上方为非金属元素,左下方为金属元素 。,s 区和 p
5、 区元素的族数,等于价层电子中 s 电子数与 p 电子数之和。若和数为 8 ,则为 0 族元素,也称为 VIII A 族。,价层电子是指排在稀有气体原子实后面的电子,在化学反应中能发生变化的基本是价层电子。,,LOGO,d 区元素 包括 III B 族,IV B 族,V B 族,VI B 族, VII B 族,VIII 族 。价层电子组态一般为 ( n1 ) d 1 8 ns 2 ,为过渡金属。( n1 ) d 中的电子由不充满向充满过渡。第 4,5,6 周期的过渡元素分别称为第一,第二,第三过渡系列元素。,d 区元素的族数,等于价层电子中 ( n1 ) d 的电子数与 ns 的电子数之和;若
6、和数大于或等于 8,则为 VIII 族元素 。,ds 区元素价层电子组态为 ( n1 ) d 10 ns 1 2 。 有时将 d 区和 ds 区定义为过渡金属 。,ds 区元素的族数,等于价层电子中 ns 的电子数 。,f 区元素 价层电子组态为 ( n2 ) f 0 14 ( n1 ) d 0 2 ns 2 ,包括镧系和锕系元素,称为内过渡元素。 ( n2 ) f 中的电子由不充满向充满过渡。有时认为 f 区元素属于 III B 族 。,,LOGO,6、 元素基本性质的周期性,主要讨论原子半径,电离能,电子亲合能和电负性随周期和族的变化。,6-1 原子半径,共价半径 同种元素的两个原子,以两
7、个电子用共价单键相连时,核间 距的一半,为共价半径。,金属半径 金属晶体中,金属原子被视为刚性球体,彼此相切,其核间距的一半,为金属半径。,,LOGO,对于金属 Na r共 = 154 pm ,r金 = 188 pm r金 r 共 因金属晶体中的原子轨道无重叠。,范德华半径 单原子分子 ( He,Ne 等 ),原子间靠范德华力,即分子间作用力结合,因此无法得到共价半径。 在低温高压下,稀有气体形成晶体。原子核间距的一半定义为范德华半径。,讨论原子半径的变化规律时,经常采用共价半径。,使用范德华半径讨论原子半径的变化规律时,显得比共价半 径大。,因为在稀有气体形成的晶体中,原子尚未相切。,,LO
8、GO,对于金属 Na r共 = 154 pm ,r金 = 188 pm r金 r 共 因金属晶体中的原子轨道无重叠。,范德华半径 单原子分子 ( He,Ne 等 ),原子间靠范德华力,即分子间作用力结合,因此无法得到共价半径。 在低温高压下,稀有气体形成晶体。原子核间距的一半定义为范德华半径。,讨论原子半径的变化规律时,经常采用共价半径。,使用范德华半径讨论原子半径的变化规律时,显得比共价半 径大。,因为在稀有气体形成的晶体中,原子尚未相切。,,LOGO,(1) 原子半径在周期表中的变化,只有当 d5,d10,f7,f14 半充满和全充满时,层中电子的对称性较高,这时 占主导地位,原子半径 r
9、 增大。, 核电荷数 Z 增大,对电子吸引力增大,使得原子半径 r 有减小的趋势。 核外电子数增加,电子之间排斥力增大,使得原子半径 r 有增大的趋势。,以 为主。即同周期中从左向右原子半径减小。,(a) 同周期中 从左向右,在原子序数增加的过程中,有两个因素在影响原子半径的变化,这是一对矛盾, 以哪方面为主?,,LOGO,短周期的主族元素,以第 3 周期为例,r/pm 154 136 118 117 110 104 99 154,Sc Ni,8 个元素,r 减少了 29 pm。相邻元素之间,平均减少幅度 4 pm 许。,Na Cl,7 个元素,r 减少了 55 pm。相邻元素之间,平均减少幅
10、度 10 pm 许。 Ar 为范德华半径, 所以比较大。,r/pm 144 132 122 118 117 117 116 115 117 125,,LOGO,短周期主族元素,电子填加到外层轨道,电子在同一层内相同屏蔽作用小;有效核电荷 Z* 增加得多。所以 r 减小的幅度大 长周期过渡元素,电子填加到次外层轨道,对核的正电荷中和多,Z* 增加得少,所以 r 减小的幅度小。,短周期主族元素原子半径平均减少幅度 10 pm ,长周期的过渡元素平均减少幅度 4 pm 。造成这种不同的原因是什么?,Cu,Zn 为 d10 结构,电子斥力大, 所以 r 不但没减小,反而有所增加。,r/pm 144 1
11、32 122 118 117 117 116 115 117 125,试设想超长周期的内过渡元素,会是怎样的情况。,,LOGO,(b)镧系收缩,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,15 种元素,r 共减小 11 pm。电子填到内层 (n2) f 轨道,屏蔽系数更大,Z* 增加的幅度更小。所以 r 减小的幅度很小。,Eu 4f7 6s2,f 轨道半充满,Yb 4f14 6s2,f 轨道全充满,电子斥力的影响占主导地位,原子半径变大。,将 15种镧系元素,使原子半径共减小 11 pm 这一总的结果,称为镧系收缩。,,LOGO,K Ca Sc Ti V Cr r/pm 203 174 1
12、44 132 122 118 Rb Sr Y Zr Nb Mo r/pm 216 191 162 145 134 130 Cs Ba La Hf Ta W r/pm 235 198 169 144 134 130,镧系收缩造成的影响 对于镧系元素自身的影响,使 15 种镧系元素的半径相似,性质相近,分离困难。,对于镧后元素的影响,使得第二、第三过渡系的同族元素半径相近,性质相近,分离困难。,,LOGO,(c)同族中 同族中,从上到下,有两种因素影响原子半径的变化趋势 核电荷 Z 增加许多,对电子吸引力增大, 使 r 减小; 核外电子增多,增加一个电子层,使 r 增大。,在这一对矛盾中, 起主导
13、作用。同族中,从上到下,原子半径增大。,,LOGO,副族元素 Ti V Cr r/pm 132 122 118 Zr Nb Mo 145 134 130 Hf Ta W 144 134 130,第二过渡系列比第一过渡系列原子半径 r 增大 1213 pm。,3-2 电离能,第三过渡系列和第二过渡系列原子半径 r 相近或相等。这是镧系收缩的影响结果。,1 基本概念 使一个原子失去一个电子变成正离子是需要吸收能量的。 H ( g ) H+ ( g ) + e H 0 吸热 这一过程相当于 1s 态电子 自由电子,,LOGO,怎样讨论这一过程的能量变化呢 ?,1 电子伏特的能量为,一个电子 ( 电量
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