f區元素的基本化學性質和原子的電子構型3

高中化學競賽

【第四講原子結構與元素周期律】河南省太康縣第一高級中學----喬純杰第一頁第二頁，共20頁。【競賽基本要求】

1、核外電子運動狀態。2、主、副族同族元素從上到下性質變化一般規律；同周期元素從左到右性質變化一般規律。原子半徑和離子半徑。s、p、d、ds、f

區元素的基本化學性質和原子的電子構型。3、元素在周期表中的位置與核外電子結構的關系，對角線規則。4、金屬性、非金屬性與周期表位置的關系。主、副族重要而常見元素的名稱、符號及在周期表中的位置、常見氧化態及主要形態。鉑系元素的概念。第二頁第三頁，共20頁?！局R點擊】一、核外電子的運動狀態

1、原子核外電子的運動原子核外的電子運動狀態用四個量數描述：n、l、m、ms

。主量子數n，n=1,2,3,4……符號：K,L,M,N,O,……角量子數l，l=0,1,2,3,……,n－1。符號：s,p,d,f,……磁量子數m，m=0,

±1,

±

2,……,

±

l。當三個量子數都具有確定值時，就對應一個確定的原子軌道。如2p

就是一個確定的軌道。主量子數n與電子層對應，n=1時對應第一層，n=2時對應第二層，依次類推。軌道的能量主要由主量子數n決定，n越小軌道能量越低。角量子數l和軌道形狀有關，它也影響原子軌道的能量。n和l一定時，所有的原子軌道稱為一個亞層，如n=2，l=1就是2p亞層，該亞層有3個2p軌道。n確定時，l值越小亞層的能量越低。磁量子數m與原子軌道在空間的伸展方向有關，如2p亞層，l=1，m=0，

1有3個不同的值，因此2p有3種不同的空間伸展方向，一般將3個2p軌道寫成2px,2py,2pz

。第三頁第四頁，共20頁。

實驗表明，電子自身還具有自旋運動。電子的自旋運動用一個量子數ms表示，ms稱為自旋磁量子數。對一個電子來說，其ms可取兩個不同的數值1/2或－1/2。習慣上,一般將ms取1/2的電子稱為自旋向上，表示為+；將ms?。?/2的電子稱為自旋向下，表示為－。實驗證明，同一個原子軌道中的電子不能具有相同的自旋磁量子數ms，也就是說，每個原子軌道只能占兩個電子，且它們的自旋不同?！竞送怆娮涌赡艿目臻g狀態——電子云的形狀】s電子云（球形）p電子云，亞鈴形，有三個方向px

、py

、pz

。d電子云有五個方向dxy

、dxz

、dyz

、dx2-y2

、dz2

（稱五個簡并軌道，即能量相同的軌道）第四頁第五頁，共20頁。3、核外電子的排布（1）多電子原子的能級①鮑林的軌道能級圖能級交錯能級分裂鮑林根據光譜實驗的結果，提出了多電子原子中原子軌道的近似能級圖，圖中的能級順序是指價電子層填入電子時各能級能量的相對高低。第五頁第六頁，共20頁。②屏蔽效應和有效核電荷在多電子原子中，一個電子不僅受到原子核的引力，而且還要受到其他電子的排斥力。這種排斥力顯然要削弱原子核對該電子的吸引，可以認為排斥作用部分抵消或屏蔽了核電荷對該電子的作用，相當于使該電子受到的有效核電荷數減少了。于是有Z*=Z－σ，式中Z*為有效核電荷，Z為核電荷。σ為屏蔽常數，它代表由于電子間的斥力而使原核電荷減少的部分。我們把由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，使該電子受到的有效核電荷降低的現象稱為屏蔽效應。一個電子受到其他電子的屏蔽，其能量升高。③鉆穿效應與屏蔽效應相反，外層電子有鉆穿效應。外層角量子數小的能級上的電子，如4s電子能鉆到近核內層空間運動，這樣它受到其他電子的屏蔽作用就小，受核引力就強，因而電子能量降低，造成E4s＜E3d。我們把外層電子鉆穿到近核內層空間運動，因而使電子能量降低的現象，稱為鉆穿效應。鉆穿效應可以解釋原子軌道的能級交錯現象。第六頁第七頁，共20頁?！咀ⅲ焊傎愐竽軌驅懗鲈刂芷诒碇兴性氐碾娮优挪际健縕*=Z－σ內層電子σ大；同層電子間σ?。煌鈱与娮应?0；對稱σ大。（2）電離能（勢）I定義：元素的氣態原子在基態時失去一個電子成為一價氣態正離子所需要的能量，稱元素的第一電離能。例如：Al(g)第一電離能I1=578kJ·mol-1；第二電離能I2=1823kJ·mol-1；第三電離能I3=2751kJ·mol-1第七頁第八頁，共20頁。（3）電子親合能

定義：一個基態的氣態原子得到一個電子形成一價氣態負離子所放出的能量。稱該原子的第一電子親合能。習慣上把放出能量的電子親合能EA用正號表示。

O(g)+e→

O－(g)EA=141.8kJ·mol－1EA反映原子得電子難易程度。EA大，易得電子，非金屬性強。At270Po183Bi91.3Pb35.1Tl19.3Cs45.5I295Te190Sb103Sn107In28.9Rb46.9Br325Se195As78.2Ge119Ga28.9K48.4Cl349S200P72.0Si134Al42.5Na59.6F328O141N-7C122B26.7Li59.6H72.8【部分元素的第一電子親合能(kJ·mol－1)】第八頁第九頁，共20頁?！疽幝伞浚孩僮宰笙蛴襔*核電荷大，半徑減小，易形成8電子穩定結構②半充滿，全充滿時EA小，例如：氮族，稀有氣體。③同一主族自上而下EA變小，但第二周期例外，如：F、O、N比Cl、S、P小。（4）電負性：原子在分子中吸引電子的能力。

1932年化學家鮑林(L.Pauling)指出:“電負性是元素的原子在化合物中吸引電子能力的標度?！辈⑻岢觯篎的負電性為4.0，其它原子的負電性均為相對值，以Xp表示。Xp的數值越大,表示該元素的原子吸引電子的能力就越強;反之,Xp的數值越小,表示該元素的原子吸引電子的能力就越弱。第九頁第十頁，共20頁?！静糠衷氐碾娯撔浴竣僦芷诒碇袕淖蟮接译娯撔灾饾u增大，從上到下逐漸減小。金屬的電負性一般小于1.9，而非金屬元素的電負性一般大于2.2，處于1.9與2.2之間的元素稱為“類金屬”。②周期表中鋰和鎂、鈹和鋁、硼和硅等。例如，鋰和鎂都能在空氣中燃燒，除生成氧化物外同時生成氮化物；鈹和鋁的氫氧化物都具有兩性；硼和硅都是“類金屬”等。人們把這種現象稱為對角線規則。

H2.30He

4.16Li0.91Be1.58B2.05C2.54N3.07O3.61F4.19Ne4.79Na0.87Mg1.29Al1.61Si1.92P2.25S2.59Cl2.87Ar3.24K0.73Ca1.03Ga1.76Ge1.99As2.21Se2.42Br2.68Kr2.97Rb0.71Sr0.96In1.66Sn1.82Sb1.98Te2.16I2.36Xe2.58Cs0.66Ba0.88Tl1.79Pb1.85Bi(2.01)Po(2.19)At(2.39)Rn(2.6)第十頁第十一頁，共20頁。【例題1】：下列說法是否正確？如不正確，應如何改正？（1）s電子繞核旋轉，其軌道為一圓圈，而p電子是走∞字形。（2）主量子數為1時，有自旋相反的兩條軌道。（3）主量子數為3時，有3s、3p、3d、3f四條軌道?！窘馕觥浚海?）不正確。因為電子運動并無固定軌道。應改正為：s電子在核外運動電子云圖像或幾率分布是一個球體，其剖面圖是個圓。而p電子云圖或幾率密度分布是一個紡錘體，其剖面圖是∞形。（2）不正確。因為n=1，l=0，m=0，只有一個1s原子軌道。應改為：主量子數為1時，在1s原子軌道中有兩個自旋相反的電子。（3）不正確。因為n=3時，l只能取0、1、2，所以沒有3f。另外3s、3p、3d的電子云形狀不同，3p還有m=0、±1 三種空間取向不同的運動狀態，有3個原子軌道，3d有m=0、±1、±2五種空間取向，有5個原子軌道。因此應改為：主量子數為3時，有9個原子軌道。第十一頁第十二頁，共20頁?！纠}2】：試比較Li2+離子的2s和2p軌道能量的高低。【分析】：Li2+單質電子體系，是類氫離子，沒有電子的屏蔽作用（σ=0）其能量公式為：E=－2.179×10-18×Z2/n2（J），只與核電荷數（已一定）和主量子數有關?！窘狻浚阂騆i2+是單質電子體系，其各軌道的能量只與主量子數n有關，與角量子數l無關，所以在Li2+離子中，2s和2p軌道的能量相等。【例題3】：某元素原子共有3個價電子，其中一個價電子的四個量子數為n=3、l=2、m=2、ms=+1/2。試回答：（1）寫出該元素原子核外電子排布式（2）寫出該元素的原子序數，指出在周期表中所處的分區、周期數和族序數，是金屬還是非金屬以及最高正價化合價?！窘狻浚海?）由一個價電子的量子數可知，該電子為3d電子，則其它二個價電子必為4s電子（因為E3d＜E4s＝價層電子構型為3d14s2。所以電子排布式為1s22s22p63s23p63d14s2。（2）該元素的原子序數為21，處于周期表中的d區第四周期IIIB族，是金屬元素，最高正價為+3。第十二頁第十三頁，共20頁?！纠}4】：在現代原子結構理論中，假定每個原子軌道只能容納一個電子，則原子序數為42的元素原子的核外電子排布將是怎樣的？按這種假設而設計出的元素周期表，該元素將屬于第幾周期、第幾族？該元素的中性原子在化學反應中得失電子情況又將怎樣？【分析】：在該題的假設下，原有原子結構理論的有關規律的實質是有用的，但具體的則要發生一些變化。如保里不相容原理和洪特規則就不適用；但能量最低原理是有用的；飽和的概念仍然成立，只是各個軌道、各個亞層、各個電子層最多能容納的電子數應為原來的一半，如第二層排成2s12p3就飽和了，第三層排成3s13p33d5就飽和了；軌道的能級順序沒有變化，電子的填充順序也無變化。解：電子排布式：1s12s12p33s13p33d54s14p34d54f75s15p35d56s16p2周期表中的位置：第六周期，第IIIA族。該元素的中性原子在化學反應中可得到一個電子顯–1價；可失去3個電子顯+3價，也可失去2個p電子而顯+2價。第十三頁第十四頁，共20頁?！揪毩?】：現代原子結構理論認為，在同一電子層上，可有s、p、d、f、g、h……等亞層，各亞層分別有1、3、5、……個軌道。試根據電子填入軌道的順序預測：（1）第8周期共有

種元素；（2）原子核外出現第一個6f電子的元素的原子序數是

；（3）根據“穩定島”假說，第114號元素是一種穩定同位素，半衰期很長，可能在自然界都可以找到。試推測第114號元素屬于

周期，

族元素，原子的外圍電子構型是

?！敬鸢浮浚海?）50（2）139（3）七ⅣA7s27p2第十四頁第十五頁，共20頁?！揪毩?】：目前，科學家正在設法探尋“反物質”。所謂“反物質”是由“反粒子”構成的，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電量，但電荷的符號相反。2002年9月20日，歐洲核子研究中心成功制造出約5萬個低能量狀態的反氫原子，這是人類首次在受控條件下大批量制造反物質。試回答：（1）科學家制造出的反氫原子的質量數為

，電荷數為

。（2）一對正、負電子相遇發生湮滅，轉化為一對頻率相同的光子，已知電子質量為0.9×10－30kg，那么這對電子湮滅時釋放的能量是

J，這兩個光子的頻率約為

Hz。（保留2位有效數字，普朗克常數h＝6.63×10－34J·s）（3）反物質酸堿中和反應的實質可表示為：

。【答案】：（1）1；－1

（2）1.6×10－13

；1.2×1020

（3）H－＋OH＋＝H2O第十五頁第十六頁，共20頁?！揪毩?】：寫出Eu（63號）、Te（52號）元素原子的電子排布式。若原子核外出現5g和6h五層，請預測第九、十周期最后一個元素原子序數和它們的電子排布?！敬鸢浮浚河捎诘谝粚觾H有s亞層，第二層出現2p，第三層出現3d，第四層出現4f，可推知第五層新增5g，第六層新增6h，各亞層排布的電子數為s2、p6、d10、f14、g18、h22，電子的排布遵循，ns→(n－4)h→(n－3)g→(n－2)f→(n－1)d→…的順序。Eu（63）和Te（52）的電子排布式分別為：

Eu：[Xe]5f76s2

Te：[Kr]4d105s25p4第九周期最后一個元素應從9s開始排布，以118號稀有氣體為原子核：[118]9s26h226g187f148d109p6。原子序數為：

118＋2＋18＋14＋10＋6＝168第十周期最后一個元素從10s開始排布，以168號稀有氣體為原子核：[168]10s26h227g188f

149d1010p6，原子序數為：