第一章原子结构和元素周期系.docx

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第一章原子结构和元素周期系

第一章原子结构和元素周期系

1、原子核外电子运动有什么特性？

解：

原子核外电子的运动和光子的运动一样，具有波粒二象性。

不能同时准确测定它的位置和速度，即服从测不准关系，因而电子的运动不遵循经典力学，无确定的运动轨道，而是服从量子力学，需用统计规律来描述。

也就是说量子力学研究的只是电子在核外空间某地方出现的可能性，即出现的几率大小。

2、氢光谱为什么可以得到线状光谱？

谱线的波长与能级间能量差有什么关系？

求电子从第四轨道跳回第二轨道时，Hβ谱线之长。

解：

在通常情况下，氢原子的电子在特定的稳定轨道上运动不会放出能量。

因此在通常条件下氢原子是不会发光的。

但是当氢原子受到激发（如在高温或电场下）时，核外电子获得能量就可以从较底的能级跃迁到较高的能级，电子处于激发态，处于激发态的电子不稳定，它会迅速地跳回到能量较底的能级，并将多余的能量以光的形式放出，放出光的频率（或波长）大小决定于电子跃迁时两个能级的能量差，即：

由于轨道能量的量子化，即不连续的，所以激发态的电子由较高能级跳回到较低能级时，放出光的频率（或波长）也是不连续的，这是氢原子光谱是线状光谱的原因。

谱线的波长和能量的关系为：

＝3.289×1015（

）

电子从第四轨道跳回第二轨道时，HB谱线的波长为：

3、当氢原子的一个电子从第二能级跃迁至第一能级，发射出光子的的波长为121.6nm，当电子从第三能级跃迁至第二能级，发射出光子的的波长为656.3nm。

试通过计算回答：

（1）哪一种光子的能量大？

（2）求氢原子中电子的第三与第二能级的能量差，以及第二与第一能级的能量差。

解：

（1）由于能量与波长有如下关系

由此可知：

波长越短，能量越高，因此电子从第二能级跃迁到第一能级发射出的光子能量大。

（2）根据公式：

4、氢原子的核外电子在第四轨道上运动时的能量比它在第一轨道上运动的能量多12.7eV。

这个核外电子由第四轨道跃入第一轨道时，所发出的频率和波长是多少？

解：

根据公式：

已知：

，代入上式得

5、玻尔理论有哪几条主要假设？

根据这些假设得到那些结果？

解决了什么问题？

有什么缺点？

解：

玻尔理论有三条假设：

（1）核外电子运动取一定的轨道，在轨道上运动的电子不吸收能量也不放出能量，第一条假设回答了原子可以稳定存在；

（2）在一定轨道上运动的电子有一定的能量，而能量只能取某些由量子化条件决定的正整数值，由量子化条件可推出氢原子核外轨道能量公式

E=-13.6/n2eV=–2.179×10-18/n2J

原子在正常或稳定状态时，各电子层尽可能处在离核最近的轨道上。

这时电子的能量最低。

这条假设也决定了原子可以稳定存在；

（3）只有电子从高能级跃迁到低能级时，原子就会以光子形式放出能量，释放出光子的频率和能量的关系为

放出光子的频率（或波长）是不连续的，这就是氢原子光谱是线状光谱的原因。

玻尔理论的局限性

（1）不能解释氢原子光谱的精细结构以及谱线分裂现象；

（2）不能解释多电子原子、分子光谱；

（3）不能解释电子为什么在一定轨道上稳定存在而不放出能量。

6、原子轨道、几率密度和电子云等概念有何联系和区别？

解：

薛定谔方程的每一个合理解，都表示该微观粒子运动的某一种状态，微观粒子的运动状态是用波函数来描述的，所以波函数是描述核外电子运动状态的数学函数式。

n、l、m三个量子数确定一个波函数，也即确定电子在空间运动的范围。

可以粗略地把波函数看作是在x、y、z三维空间里找到该运动电子的区域。

波函数称为原子轨道，所以原子轨道是波函数的同义语。

波函数本身并无具体的物理意义。

但波函数绝对值的平方||2却有明确的物理意义。

||2则是电子在核外空间某处出现的几率。

即电子的几率密度。

电子云是电子在核外空间出现几率密度分布的形象化描述。

也可以说电子云是||2的具体图像。

电子云图像中，小黑点密集的地方表示电子的几率密度大，小黑点稀的地方表示电子的几率密度小。

原子轨道、几率密度、电子云都是描述核外电子运动的。

它们虽有联系，但各个描述的方式和所代表的函义又是不同的。

电子云和原子轨道角度分布图基本相似，但电子云的分布图要比原子轨道的分布图“瘦”些，而原子轨道角度分布图则有正负号，电子云角度分布图没有正负号。

而几率密度却是描述核外电子在某处单位体积内出现几率多少。

7、下列说法是否正确？

应如何改正？

（1）“s电子绕核旋转，其轨道为一圆，而p电子是走形”。

（2）“主量子数为1时，有自旋相反的两条轨道”。

（3）“主量子数为3时，有3s、3p、3d、3f四条轨道”。

解：

（1）不正确。

因为电子运动并无固定轨道，应该说s电子在核外运动电子云图象是一个球体，其剖面图是个园，而p电子云图象是哑铃形，其剖面图是形。

（2）不正确。

应说n=1的电子层中，l=0、m=0只有一个1s轨道，可容纳两个自旋相反的电子。

（3）不正确。

n=3时，l只能取0、1、2，即只有3s、3p、3d三个能级，没有3f。

同时3p还有m=0,±1三种不同的空间取向，是三种不同的空间运动状态，有三条原子轨道，同样3d，m可为0、±1、±2五种空间取向，有五条原子轨道。

每条原子轨道又有两种自旋状态。

因此应说：

n=3时，有9条原子轨道，电子的最大可能状态数18。

8、有无以下的电子运动状态？

（1）n=1,l=1,m=0

（2）n=2,l=0,m=1

（3）n=3,l=3,m=3（4）n=4,l=3,m=2

解：

（1）没有。

因为l最大只能为n–1，所以当n=1时、l只能为0，不能为1；若要l=1，则必须

中任何一个值，而不能为1。

（2）没有。

因为m最大只能为±l，所以当l=0时、m只能为0，不能为±1；若要m=±1，则必须n=2时，l必须为1，而不能为0。

（3）没有。

因为n=3，l就不能为3时，m也不能为±3；若要l=3、m=±3，则必须

中任何一个值，而不能为3。

（4）有。

因为有两组合理的n、l、m值，是表明两条原子轨道。

9、填充合理的量子数：

（1）n=?

l=2,m=0,ms=+1/2

（2）n=2,l=?

m=1,ms=–1/2

（3）n=4,l=2,m=0,ms=?

（4）n=2,l=0,m=?

ms=+1/2

解：

（1）n3中的任何一个整数；

（2）l=1（3）ms=+1/2或–1/2（4）m=0

10、n=3,l有多少可能值？

n=3，共有多少轨道？

电子的最大可能状态数为多少？

解：

n3时，l可以取0、1、2三个值，n=3共有9条轨道，电子的最大可能状态数为18。

11、画出：

（1）s、py、px、pz、dxy、dyz、dxz、dz2、dx2–y2原子轨道角度分布图

（2）s、py、px、pz、dxy、dyz、dxz、dz2、dx2–y2电子云角度分布图

解：

（1）原子轨道角度分布分别如图6–1

（2）电子云角度分布图分别如图6–2

图6–1原子轨道的角度分布图图6–2电子云的角度分布图

12、什么叫屏蔽效应？

什么钻穿效应？

应如何解释下列轨道能量的差别？

（1）E1s

（2）E3s

解：

在多电子原子中，电子不仅受到原子核的引力，而电子之间还有斥力，这种斥力的存在，相当于减弱了原子核对外层电子的引力，即：

式中，

为有效核电荷数，

为屏蔽常数。

由于其他电子对选定电子的排斥作用，而抵消了一部分核电荷，就相当于核电荷对选定电子的吸引力的减弱，这种效应称屏蔽效应。

由于电子的角量子数l不同，其几率的径向分布不同，电子钻到核附近的几率较大，受到核的引力大，因而能量不同的现象称为钻穿效应。

（1）E1s

当l相同，n不同时，n越大，电子离核越远，原子中其它电子对它的屏蔽作用越大，原子核对外层电子的吸引力减小，能量升高，所以：

E1s

（2）E3s

对于n相同而l不同的电子，穿入内层的能力不同，ns>np>nd>nf，s电子穿透内层的能力大些，即在离核较近的地方s电子出现的几率比p、d、f电子大些，电子穿透内层的程度越大，受到其它电子的蔽屏作用越小，受到核的引力越强，能量越低，这就解释了n相同、l不同的各轨道能量顺序为Ens

同属于第三电子层的3s、3p、3d，其径向分布不同，3s有3个峰，3s电子除有较多机会出现在离核远的区域外，3s电子在离核最近的地方有小峰，钻到核附近的机会较多，即在离核较近了地方3s电子出现的几率比3p、3d大些。

3d电子钻到核附近的机会更小（见图6–3）。

由此可见，受到屏蔽作用依次增大，能量依次升高，即E3s

（3）E4s

结果降低了4s轨道的能量。

故E4s

r

3p

3s

图6–33s、3p、3d电子云径向分布图图6–44s、3d电子云的径向分布图

13、试以钾原子为例来说明电子层，能级，能级组等概念的联系与区别。

解：

电子层：

n相同的原子轨道虽然能量不同，但由于离核的平均距离相同，构成一个电子层，电子层也叫能层。

能级：

每条原子轨道都有能量，能量相同的原子轨道构成一个能级。

能级组：

能量相近的能级构成一个能级组，用n+0.7l规则，第一位数字相同的并为一个能级组。

钾的电子结构式为：

1s22s22p63s23p64s1

电子层数：

4能级数：

6能级组数：

4

14、在氢原子中4s和3d哪一个轨道能量高？

19号元素钾和20号元素钙的4s和3d轨道哪一个能量高？

说明理由。

解：

在氢原子中4s的能量高于3d能量，因为H原子核外只有一个电子，没有能级交错现象，能量只决定于主量子数n，n越大，能量越高，故E4s>E3d

而钾和钙是多电子原子，4s电子钻到内部空间更靠近原子核，有较大的钻穿效应，使能级发生交错，因此钾和钙的E4s

15、略

16、写出下列元素的价电子构型：

9，12，16，35，IIA族，IIB族，VIA族，希有气体。

解：

原子序数

或族数

元素符号

价电子构型

9

12

16

35

IIA族

IIB族

VIA族

希有气体

F

Mg

S

Br

2S22P5

3S2

3S23P4

4S24P5

nS2

（n–1）d10nS2

nS2nP4

nS2nP6（He1S2）

17、已知下列元素原子的价电子构型为：

3S2；4S24P1；3d54S2；3S23P3

它们分别属于第几周期？

第几族，最高化合价是多少？

解：

价电子构型周期族最高化合价

4s24IIA+2

4s24p14IIIA+3

3d54s24VIIB+7

3s23p33VA+5

18、多电子原子中核外电子排布遵守哪些基本规律？

由此说明周期表136号元素的电子排布。

解：

遵守以下基本规律：

（1）能量最低原理：

即电子排布从能量最低的轨道开始，由低到高依次排布

（2）泡利不相容原理，即每个原子轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子

（3）洪特规则：

即电子分布在角量子数l相同的简并轨道上时，总是尽可能分占不同的轨道，而且自旋平行。

亦即最多轨道原则；另外等价轨道全空，半充满，全充满的结构为稳定状态。

对于周期表中1-36号元素的电子排布，首先根据各元素原子核外电子数（即原子序数），按照各原子轨道能级由低至高的顺序排布。

对于核外有6个电子的碳原子，其电子排布是1s22s22p2，两个2p电子分占2p的三个等价轨道中的两个。

对于19号元素钾，因为E3d>E4s，所以先排4s后填3d，即是1s22s22p63s23p64s1而不是1s22s22p63s23p63d1，对于24号铬与29号铜，因3d全空，半满或全满时较稳定，所以Cr的价电子结构是3d54s1，而不是3d44s2，Cu是3d104s1，而不是3d94s2，其余元素原子的电子排布遵照规律依次排布即可。

19、说明下列事实的原因：

（1）元素的最外层电子数不超过8个。

（2）元素的次外层电子数不超过18个。

（3）各周期所包含的元素数分别为2，8，8，18，18，32个。

解：

（1）元素最外层电子数不超过8个，这是多电子原子中原子轨道能级交错的自然结果。

每层填充的电子如要超过8个，除了填s，p轨道外，还应填充d轨道，而主量子数n≥3时才有d轨道，在第四周期，由于E4S

（2）元素次外层电子数不超过18个，同样用能级交错解释，次外层电子数要超过18个，除了填s，p，d轨道外，还必须填f轨道，但是多电子原子中，Ens＜E（n-2）f（如E6s

（3）各周期所包含的元素分别为2，8，8，18，18，32个，能级组的划分是导致周期表中各元素能划分为周期的本质原因。

周期和能级组的对应关系为：

一个周期对应一个能级组，周期数=能级组数，各周期元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。

一周2个元素，因为一能级组只有1个1s轨道，它只能容纳2个电子。

二、三周期有8个元素，是因为二、三能级组共有4个轨道（二能级组有2s、2p，三能级组有3s，3p）可容纳8个电子。

四、五周期有18个元素，是因为四、五能级组共有9个轨道（四能级组有4s、3d、4p，五能级组有5s、4d、5p），可容纳18个电子。

六周期有32个元素，该周期中出现了4f轨道，六能级组有16个轨道（6s、4f、5d、6p），可容纳32个电子。

20、写出具有下列电子排布的原子的核电荷数和名称。

（1）1s22s22p63s23p6;

（2）1s22s22p63s23p63d104s24p64d75s1

（3）1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f75s25p65d16s2

解：

（1）原子核电荷数为18，名称氩（Ar）；

（2）原子核电荷数为44，名称钌（Ru）；

（3）原子核电荷数64，名称钆（Gd）。

21、某元素原子的价电子构型是3s23p4，问在第几周期？

第几族？

哪个区？

解：

某原子的价电子构型是3s23p4，它应在3周期，VIA族，p区元素（因为最后一个电子填充在p能级上）。

22、下列术语的含义是什么？

电离势、电子亲和势、电负性。

它们和元素周期律有什么样的联系？

解：

（1）电离势：

基态的气态原子失去一个电子，变成+1价气态阳离子所需要的能量，用I表示。

失去一个电子所需要的能量，称为第一电离势I1，从+1价阳离子再失去一个电子，成为+2价阳离子所需要的能量，称第二电离势I2，依次类推，电离势是正值。

电离势与元素周期律的关系：

同一周期元素，从左到右随核电荷数的增大，原子半径减小，核对外层电子的引力增大，电离势也逐渐增大。

同一族元素，从上到下，核电荷数增大，原子半径增大（主要作用），核对电子的引力减小，电离势减小，稀有气体I最大。

（2）电子亲合势：

基态的气态原子得到一个电子成为负–价的气态阴离子所放出的能量，称为元素的电子亲合势。

气态原子结合一个电子放出的能量称为第一电子亲合势，E1是正值，结合两个电子形成负二价离子需要能量，称第二电子亲合势，E2是负值。

电子亲合势和元素周期律的关系：

同一周期，从左到右，核电荷数增大，原子半径减小，电子亲合势增大；同一族，从上到下，原子半径增大，电子亲合势减小。

最大的电子亲合势不是在每族的第二周期的元素，而是第三周期以下的元素，因为第二周期的非金属元素（如F、O、N等），原子半径较小，电子云密度大，电子间排斥力强，所以结合一个电子形成负离子时，放出的能量小。

活泼的非金属电子亲合势较大，周期表中Cl的电子亲合势最大。

金属的电子亲合势都比较小。

（3）电负性：

元素原子在分子中吸引电子的能力，称为该元素的电负性，用X表示。

电负性与元素周期律的关系：

同一周期从左到右，电负性增大，同一族从上到下电负性减小，周期表中F的电负性最大，Cs的电负性最小，电负性小于2.0的则是金属，电负性大于2.0则是非金属。

23、有第4周期的A、B、C、D四种元素，其价电子数依次为1、2、2、7，其原子序数依A、B、C、D依次增大。

已知A与B的次外层电子数为8，而C与D为18。

根据原子结构，判断：

（1）那些是金属元素？

（2）D与A的简单离子是什么？

（3）哪一元素的氢氧化物碱性最强？

（4）B与D两原子间能形成何种化合物？

写出化学式。

解：

由题设条件可推出它们的价电子层结构，

电子结构式价电子层结构元素符号

A1s22s22p63s23p64s14s1K

B1s22s22p63s23p64s24s2Ca

C1s22s22p63s23p63d104s23d104s2Zn

D1s22s22p63s23p63d104s24p54s24p5Br

由此得到它们的元素符号：

A为K，B为Ca，C为Zn，D为Br。

（1）A、B、C都是金属；即K、Ca、Zn。

（2）A+、D-；即K+、Br–。

（3）KOH的碱性最强；

（4）CaBr2是离子化合物。

24、根据轨道填充顺序图，指出下表中各电子层的电子数有无错误，并说明理由：

元素

K

L

M

N

O

P

19

22

30

33

60

2

2

2

2

2

8

10

8

8

8

9

8

18

20

18

2

2

3

18

12

2

解：

Z=19，有错误，因为最外层不超过8个电子。

应是2、8、8、1；

Z=22，有误，因为每一电子层最多可容纳电子数为2n2，所以L层（n=2）最多可容纳的电子数应为8，不能为10，应该是2、8、8、2；

Z=30，无误，因为它符合每一电子层最多容纳电子数为2n2。

Z=33，有误，因为次外层不能超过18个电子，应是2、8、18、5；

Z=60，有误，因为n=6时，E6s

次外层为12个电子，即有5d电子是不对的，应为2、8、18、22、8、2。

25、

（1）主、副族元素的电子构型各有什么特点？

（2）周期表中s区、p区、d区、ds区和f区元素的电子构型各有什么特点？

（3）具有下列价电子构型的元素位于周期表中哪一个区？

它们是金属还是非金属元素？

ns2;ns2np5;（n-1）d5ns2;（n-1）d10ns2

解：

（1）按电子填充顺序,凡是最后一个电子填入ns或np能级的元素称为主族元素,因此主族元素的价电子层只包含ns或nsnp能级。

副族元素原子的最后一个电子填在（n-1）d能级或（n-2）f能级上的元素称为副族元素，因此副族元素的价电子层除包括ns、np能级外，还包括（n–1）d或（n–2）f能级。

周期表中有8个副族，分别用IB、IIB、IIIB（含镧系、锕系）、IVB、VB、VIB、VIIB和VIII表示。

（2）s区元素：

价电子构型为ns1-2，包括IA，IIA族元素；

p区元素：

价电子构型为ns2np1-6（He为1s2），包括IIIA-VIIIA族元素；

d区元素：

价电子构型为（n-1）d1-9ns1-2（Pd：

4d105s0），包括IIIB-VIII族元素；

ds区元素：

外层电子构型为（n-1）d10ns1-2，包括IB、IIB族元素。

f区元素：

外层电子构型为（n-2）f0–14（n-1）d0–2ns2，包括镧系和锕系元素。

（3）

价电子构型

元素位于的区

金属或非金属

ns2

s区

金属

ns2np5

p区

非金属

（n-1）d5ns2

d区

金属

（n-1）d10ns2

ds区

金属

26、根据钾、钙的电离势数据，从电子构型说明在化学反应过程中，钾表现+1价，钙表现+2价的原因？

解：

K的第I电离势值较小，为4.341eV，第II电离势突然升高，表明K易失去1个电子，成为+1价的K+离子。

又从电子构型来看，K的价电子构型是4s1，易失去一个4s电子成为K+离子，而K+离子的最外层电子结构为全充满（3s23p6），这种电子结构稳定。

Ca的第I、II电离势值较小，分别为6.113eV和11.871eV，而第III电离势突然升高，为50.908eV，说明Ca易失去2个电子，成为+2价的Ca2+离子。

又由于Ca的价电子构型为4s2，易失去2个4s电子，成为Ca2+离子，它的最外层电子结构与K+离子相同。

27、用元素符号填空：

（1）最活泼的气态金属元素是_____________________。

（2）最活泼的气态非金属元素是_____________________。

（3）最不易吸引电子的元素是_____________________。

（4）第4周期的第六个元素价电子构型是_____________________。

（5）第I电离势最大的元素是_____________________。

（6）第I电子亲和势最大的元素是_____________________。

（7）第2、3、4周期原子中p轨道半充满的元素是_____________________。

（8）3d半充满和全充满的元素是_______________和_____________________。

（9）电负性相差最近的元素是_____________________。

（10）电负性相差最大的元素是_____________________。

解：

（1）最活泼的气态金属元素是Cs。

（2）最活泼的气态非金属元素是F。

（3）最不易吸引电子的元素是Cs。

（4）第4周期的第六个元素价电子构型是3d54s1。

（5）第I电离势最大的元素是He。

（6）第I电子亲和势最大的元素是Cl。

（7）第2、3、4周期原子中p轨道半充满的元素是N、P、As。

（8）3d半充满和全充满的元素是Cr、Mn和Cu、Zn。

（9）电负性相差最近的元素是Ni、Cu；Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt。

（10）电负性相差最大的元素是F、Cs。