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北京市一零一中学2013年高中化学竞赛第4讲 原子结构与元素周期律


第 1 讲 原子结构与元素周期律
【竞赛要求】 核外电子运动状态: 用 s、p、d 等来表示基态构型(包括中性原子、正离子和负离子)核外电子排布。 电离能、电子亲合能、电负性。四个量子数的物理意义及取值。单电子原子轨道能量的计算。s、p、d 原 子轨道图像。元素周期律与元素周期系。主族与副族。过渡元素。主、副族同族元素从上到下性质变化一 般规律;同周期元素从左到右性质变

化一般规律。原子半径和离子半径。s、p、d、ds、f 区元素的基本化 学性质和原子的电子构型。元素在周期表中的位置与核外电子结构(电子层数、价电子层与价电子数)的 关系。最高氧化态与族序数的关系。对角线规则。金属性、非金属性与周期表位置的关系。金属与非金属 在周期表中的位置。半金属。主、副族重要而常见元素的名称、符号及在周期表中的位置、常见氧化态及 主要形态。铂系元素的概念。 【知识梳理】 一、核外电子的运动状态 1、微观粒子的二重性 (1)光的波动性 λ 波长:传播方向上相邻两个波峰(波谷)间距离。 - 频率 v:频率就是物质(光子)在单位时间内振动的次数。单位是 Hz(1Hz =1 s 1) 。 - - 8 1 8 1 光速 c =λ ·v 真空中 2.998×10 m·s = 3×10 m·s ,大气中降低(但变化很小,可忽略) 。 波数 v =
~

1

?

(cm 1)


(2)光的微粒性 1900 年根据实验情况,提出了原子原子只能不连续地吸收和发射能量的论点。这种不连续能量的基 本单位称为光量子,光量子的能量(E)与频率(v)成正比。 即: E = h? (4-1) –34 式中 h 为普朗克常数,等于 6.626×10 J·s (3)白光是复色光 可见光的颜色与波长 颜色 紫 兰 青 绿 黄 橙 红 波 长 40 43 470 50 560 59 630 0-430 0-470 -500 0-560 -590 0-630 -760 (nm) (4)电子的波粒二重性——物质波 1923 年德布罗意(L. de Broglie)类比爱因斯坦的光子学说后提出,电子不但具有粒子性,也具有波 动性。并提出了联系电子粒子性和波动性的公式: λ =

h mv

(4-2)

m:质量 v :速度 h:普朗克常数 (4-2)式左边是电子的波长λ ,表明它的波动性的特征;右边是电子的动量,代表它的粒子性。这 两种性质通过普朗克常数定量的联系起来了。 2、原子核外电子的运动 (1)早期模型 氢原子光谱 太阳光是连续光谱,原子光谱是线状光谱。 玻尔模型: ①电子在一定的轨道上运动、不损失能量。 ②不同轨道上的电子具有不同能量 E=

? 2.18 ? 10 ?18 J n2

(4-3)

式中 n =1,2??正整数 电子离核近、能量低、最低能量状态称基态,激发态(能量高) ③只有当电子跃迁时,原子才释放或吸收能量。 △E = h v = h c 波尔理论的应用: ①解释氢原子光谱 电子跃迁时释放电子能量:
- 第一讲 1 -

?

= hc v

~

1 cm-1 = 1.986×10

-23

J

v=

~

1 1 1 1 E2 ? E1 ? 2.18 ? 10 ?18 - = ( 2 - 2 ) =1.097×105 ( 2 - 2 )cm 1 ?34 10 hc 6.626 ? 10 J · S ? 3 ? 10 cm / s n 2 n1 n2 n1

式中 1.097×105 称里德保常数 ②计算氢原子光谱的谱线波长

?? n1 时,释放能量得一系列 v 值称赖曼线系。 电子由 ni ? ?? n2 时,释放能量得到一系列 v 值。 ni ?
巴尔麦线条例: v = λ = 1 ~ = 656 nm
~
~

~

1 1 E3 ? E2 - - = 1.097×105 ( 2 ? 2 ) cm 1 =15236 cm 1 h 2 3

v

原子光谱 ③计算氢原子的电离能
23 n1 ? ?? n ? 时,氢原子电离能= 6.023×10

△E = 6.023×1023 (

1 1 - mol 1 ? 2 ) = -1313 kJ· 2 n1 n?


接近实验值 1312 kJ· mol 1 (2)近代描述—电子云 ①薛定颚方程的解即原子轨道——电子运动状 态。 量子数是解方程的量子条件(三个)n、l、m,原子核 外的电子运动状态用四个量数描述:n、l、m、m s 。 实际上,每个原子轨道可以用 3 个整数来描述,这三个整数的名称、表示符号及取值范围如下: 主量子数 n,n = 1, 2, 3, 4, 5,……(只能取正整数) ,表示符号: K, L, M, N, O, …… 角量子数 l,l = 0, 1, 2, 3 , ……, n-1。 (取值受 n 的限制) ,表示符号:s, p, d, f, …… 磁量子数 m,m = 0, ± 1, ± 2, ……, ± l。 (取值受 l 的限制) 当三个量子数都具有确定值时,就对应一个确定的原子轨道。如 2p 就是一个确定的轨道。主量子 数 n 与电子层对应,n = 1 时对应第一层,n = 2 时对应第二层,依次类推。轨道的能量主要由主量子数 n 决定,n 越小轨道能量越低。角量子数 l 和轨道形状有关,它也影响原子轨道的能量。n 和 l 一定时,所 有的原子轨道称为一个亚层,如 n = 2,l = 1 就是 2p 亚层,该亚层有 3 个 2p 轨道。n 确定时,l 值越小亚 层的能量约低。磁量子数 m 与原子轨道在空间的伸展方向有关,如 2p 亚层,l=1, m = 0,± 1 有 3 个不 同的值,因此 2p 有 3 种不同的空间伸展方向,一般将 3 个 2p 轨道写成 2px, 2py, 2pz 。 实验表明, 电子自身还具有自旋运动。 电子的自旋运动用一个量子数 ms 表示, ms 称为自旋磁量子数。 对一个电子来说, 其 ms 可取两个不同的数值 1/2 或-1/2。 习惯上, 一般将 ms 取 1/2 的电子称为自旋向上, 表示为 + ; 将 ms 取-1/2 的电子称为自旋向下,表示为-。实验证明,同一个原子轨道中的电子不能 具有相同的自旋磁量子数 ms, 也就是说,每个原子轨道只能占两个电子,且它们的自旋不同。 ②核外电子可能的空间状态——电子云的形状。 s 电子云(球形) p 电子云,亚铃形,有三个方向 px py pz 。 d 电子云有五个方向 dxy dxz dyz dx2-y2 dz2 (称五个简并轨道,即能量相同的轨道)
0

f 电子云有七个方向。 3、核外电子的排布 (1)多电子原子的能级 ①鲍林的轨道能级图 能级交错 能级分裂 鲍林根据光谱实验的结果,提出了多电子原子中原子轨道的近似能级图,见下图,要注意的是图中的
- 第一讲 2 -

能级顺序是指价电子层填入电子时各能级能量的相对高低。 多电子原子的近似能级图有如下几个特点: (a)近似能级图是按原子轨道的能量高低排列的, 而不是按原子轨道离核远近排列的。它把能量相近的能 级划为一组,称为能级组,共分成七个能级组。能级组 之间的能量差比较大。徐光宪教授提出用 n + 0.7 l 计算 各能级相对高低值,并将第一位数相同的能级组成相应 的能级组, 如 4s、 3d 和 4p 的 n + 0.7 l 计算值相应为 4.0、 4.4 和 4.7,它们组成第四能级组。 (b)主量子数 n 相同、角量子数 l 不同的能级,它 们的能量随 l 的增大而升高,即发生“能级分裂”现象。 例如 E 4 s <E 4 d <E 4 f 。 (c) “能级交错”现象。例如 E 4 s <E 3 d <E 4 p ,E 6 s <E 4 f <E 5 d <E 6 p 。 ②屏蔽效应和有效核电荷 在多电子原子中,一个电子不仅受到原子核的引力,而且还要受到其他电子的排斥力。这种排斥力显 然要削弱原子核对该电子的吸引,可以认为排斥作用部分抵消或屏蔽了核电荷对该电子的作用,相当于使 该电子受到的有效核电荷数减少了。于是有 Z* = Z-σ ,式中 Z*为有效核电荷,Z 为核电荷。σ 为屏蔽 常数,它代表由于电子间的斥力而使原核电荷减少的部分。我们把由于其他电子对某一电子的排斥作用而 抵消了一部分核电荷,使该电子受到的有效核电荷降低的现象称为屏蔽效应。一个电子受到其他电子的屏 蔽,其能量升高。 ③钻穿效应 与屏蔽效应相反,外层电子有钻穿效应。外层角量子数小的能级上的电子,如 4s 电子能钻到近核内 层空间运动,这样它受到其他电子的屏蔽作用就小,受核引力就强,因而电子能量降低,造成 E 4 s <E 3 d 。 我们把外层电子钻穿到近核内层空间运动,因而使电子能量降低的现象,称为钻穿效应。钻穿效应可以解 释原子轨道的能级交错现象。 (2)排布规则: ①能量最低原理:原子中的电子按照能量由低 到高的顺序排布到原子轨道上, 遵循能量最低原理。 例如,氢原子只有一个电子,排布在能量最低的 1s 轨道上, 表示为 1s1, 这里右上角的数字表示电子的 数目。 根据能量最低原理,电子在原子轨道上排布的 先后顺序与原子轨道的能量高低有关,人们发现绝 大多数原子的电子排布遵循下图的能量高低顺序, 这张图被称为构造原理。 ②泡利原理:(Pauli exclusion principle) 一个原 3p 子轨道上最多能排布几个电子的呢?物理学家泡利 3s 指出一个原子轨道上最多排布两个电子,且这两个电子必须具有不同的自旋。 ? 按照能量最低原理和泡利不相容原理,硼原子 B 的电子排布是 1s22s22p1。 2p

2s 其轨道表示式如图: ③洪特规则:氮原子的电子排布是 1s22s22p3,那么 2p 轨道上的 3 个电子 1s ?? 在 3 个 2p 轨道如何排布呢? 洪特在研究了大量原子光谱的实验后总结出了一个规律,即电子在能量相同的轨道上排布时,尽量分 占不同的轨道且自旋平行,这样的排布方式使原子的能量最低。可见,洪特规则是能量最低原理的一个特 例。因此,氮原子的 3 个 2p 电子在 3 个在 2p 轨道上的排布为:2p 。
经验的补充规则:等价轨道全充满、半充满、全空的状态比较稳定。如 24 号元素 Cr 和 29 号元素 Cu 的电子排布式分别写为: Cr: 1s22s22p63s23p63d54s1 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1。 电子填入轨道的次序:

??

- 第一讲 3 -

注意:具体元素原子的电子排布情况应尊重实验事实。 (3)表示方法: 根据以上电子排布的三条规则,就可 以确定各元素原子基态时的排布情况,电 子在核外的排布情况简称电子构型,表示 的方法通常有两种。 ①轨道表示法 如: 1s 2s 2p C 一个方框表示一个轨道。↑、↓表示 不同自旋方向的电子。 ②电子排布式(亦称电子组态) 如:C 1s2 2s2 2p2 式中右上角的数字表示该轨道中电子的数目。 为了简化,常用“原子实”来代替部分内电子层构型。所谓原子实,是指某原子内电子层构型与某一 稀有气体原子的电子层构型相同的那一部分实体。如 24Fe:2s22p63p23p63d6 s2 可表示为[Ar]3d64s2 说明:竟赛要求能够根据原子序数写出元素周期表中所有元素的电子排布式。下面是需要重点记忆的 几种特殊情况:

Cu d 4S Mo d 5S Pd d Ru d 5s Rh d 5S Pt d 6S N b 5d16s2 稀土 La Ce Gd Lu 其它 4f n5d06s2 铈 钆 镥 6d17s2 6d27s2 锕系 Ac Pa U Np Cm Lr Th 其它 5f n6d 07s2 锕 镤 铀 镎 锔 铹 钍 Cr
二、元素周期律 1、原子的电子层结构和周期律

3

d 5 4 s1

3 10

1

4 5

1

4 10

4

7

1

4

8

1

5

9

1

4

d 4 5 s1

W

5

d 4 4s 2

La

4

f 0 5d1 6S 2

?? p 逐个增入。 (1)随核电荷增大电子呈周期性分布,每个周期的电子由 s ? (2)新周期开始出现新电子层。 周期序数= 原子的电子层数 n 每周期中元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子的总数。 (3)主族元素的族序数 = 原子最外层电子数 副族元素的族序数= 原子次外层 d 电子数与最外层 s 电子数之和(ⅧB、ⅠB、ⅡB 除外) (4)周期表按电子层结构分五个区(s、p、d、ds、f ) ,如下图所示。

s区
ns
1~2

d区
(n-1)d
1 ~9

ds区
ns
1~2

(n-1)d10ns1~2

p区
ns2np1~6

f 区
(n-2)f
0~14

(n-1)d 0~1ns2

元素金属性和非金属性的递变:从左到右,金属性逐渐减弱;从上到下,金属性逐渐增强。 周期律:元素的性质随元素原子序数的增加而呈周期性变化的规律。 2、元素基本性质的周期性——原子结构与原子参数的关系 (1)有效核电荷:Z*
- 第一讲 4 -

Z*= Z-σ 内层电子σ 大; 同层电子间σ 小; 外层电子σ = 0; 对称结构σ 大。 (2)原子半径:两个原子核间距的一半(原子半径通常包括金属半径、共价半径和范德华半径) 。 H He 37 122 Li Be B C N O F Ne Zr Nb Mo Ru Rh Pd 123 89 80 77 70 66 64 160 145 134 129 124 125 128 Na Mg Al Si P S Cl Ar La Hf Ta W Os Ir Pt 157 136 125 117 110 104 99 191 169 144 134 130 126 127 130 K Ca 203 174 La 系收缩结果使镧系以后的元素原子半径与下一周期相应的同族元素原子半径非常接近。故性质相 部分元素原子半径/pm 似,难分离,自然界共生。 (3)电离能(势)I 定义:元素的气态原子在基态时失去一个电子成为一价气态正离子所需要的能量,称元素的第一电离 能。

?? M+(g) ? ?? M2+(g) ? ?? M3+(g) 基态 M(g) ?

?e

?e

?e

?? Al+(g)?? 例如:Al(g) ? 第一电离能 I1= 578 kJ·mol-1;第二电离能 I2=1823 kJ·mol-1; 第三电离能 I3=2751 kJ·mol-1

?e

I 大,难失电子;I 小,易失电子,金属性强。 规律:①同周期 Z* 增大,半径减小,稍有起伏(半充满、全充满结构稳定) 。 ②同族元素 Z*增加不多,半径增大起主导作用。 ③长周期中也有起伏,I 增大不如短周期明显。 (4)电子亲合能 定义:一个基态的气态原子得到一个电子形成一价气态负离子所放出的能量。称该原子的第一电子亲 合能。 习惯上把放出能量的电子亲合能 EA 用正号表示。

?? O (g) EA=141.8 kJ·mol 1 O(g)+e ? EA 反映原子得电子难易程度。EA 大,易得电子,非金属性强。
- -

H 72.8 Li 59.6 Na 59.6 K 48.4 Rb 46.9 Cs 45.5

B 26.7 Al 42.5 Ga 28.9 In 28.9 Tl 19.3

C 122 Si 134 Ge 119 Sn 107 Pb 35.1

N

-7

O 141 S 200 Se 195 Te 190 Po 183


F 328 Cl 349 Br 325 I 295 At 270

P 72.0 As 78.2 Sb 103 Bi 91.3

部分元素的第一电子亲合能(kJ·mol 1) 规律:①自左向右 Z*核电荷大,半径减小,易与电子形成 8 电子稳定结构。
- 第一讲 5 -

②半充满,全充满时 EA 小,例如:氮族,稀有气体。 ③同一主族自上而下 EA 变小,但第二周期例外,如:F、O、N 比 Cl、S、P 小。 (5)电负性:原子在分子中吸引电子的能力。 1932 年化学家鲍林(L. Pauling)指出:“电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度。”并 提出:F 的负电性为 4.0,其它原子的负电性均为相对值,以 Xp 表示。Xp 的数值越大, 表示该元素的原 子吸引电子的能力就越强; 反之, Xp 的数值越小, 表示该元素的原子吸引电子的能力就越弱。 。 H 2.30 Li 0.91 Na 0.87 K 0.73 Rb 0.71 Cs 0.66 Be 1.58 Mg 1.29 Ca 1.03 Sr 0.96 Ba 0.88 B 2.05 Al 1.61 Ga 1.76 In 1.66 Tl 1.79 C 2.54 Si 1.92 Ge 1.99 Sn 1.82 Pb 1.85 N 3.07 P 2.25 As 2.21 Sb 1.98 Bi (2.01) O 3.61 S 2.59 Se 2.42 Te 2.16 Po (2.19) F 4.19 Cl 2.87 Br 2.68 I 2.36 At (2.39) He 4.16 Ne 4.79 Ar 3.24 Kr 2.97 Xe 2.58 Rn (2.6)

从上表可以看出: 部分元素的电负性 ①周期表中从左到右电负性逐渐增大,从上到下电负性逐渐减小。电负性可用于区分金属和非金属。 金属的电负性一般小于 1.9,而非金属元素的电负性一般大于 2.2,处于 1.9 与 2.2 之间的元素人们把它们 称为“类金属” ,它们既有金属性又有非金属性。 ②周期表中左上角与右下角的相邻元素,如锂和镁、铍和铝、硼和硅等,有许多相似的性质。例如, 锂和镁都能在空气中燃烧,除生成氧化物外同时生成氮化物;铍和铝的氢氧化物都具有两性;硼和硅都是 “类金属”等等。人们把这种现象称为对角线规则。 【典型例题】 例 1、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时的能量多 2.04×10-18J。 试求这个核外电子由第四轨道跃入第一轨道时,所发出的光的频率和波长。 分析:由 v = 解:求 v: 方法一:v=
?E 2.04 ?10?18 J = =3.80× 1015s-1 h 6.626 ?10?34 J · s 1 1 15 15 ?E 1 1 或 v = 3.289×1015( 2 - 2 )s-1 h n1 n2

求出 v,再由 ? =

c 求出 ? 。 v

方法二:v= 3.289×10 (

1

2



4

2

)= 3.80× 10 s-1

c 3 ?108 m· s ?1 求?:? = = = 9.74×10-8m = 97.4nm v 3.08 ?1015 s ?1

例 2、下列说法是否正确?如不正确,应如何改正? (1)s 电子绕核旋转,其轨道为一圆圈,而 p 电子是走∞字形。 (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。 分析:本题是涉及电子云及量子数的概念题。必须从基本概念出发,判断正误。 解(1)不正确。因为电子运动并无固定轨道。应改正为:s 电子在核外运动电子云图像或几率分布 是一个球体,其剖面图是个圆。而 p 电子云图或几率密度分布是一个纺锤体,其剖面图是∞形。 (2)不正确。因为 n = 1,l = 0 ,m = 0,只有一个 1s 原子轨道。应改为:主量子数为 1 时,在 1s 原子轨道中有两个自旋相反的电子。 (3)不正确。因为 n = 3 时,l 只能取 0、1、2,所以没有 3f。另外 3s、3p、3d 的电子云形状不同, 3p 还有 m = 0、 ? 1 三种空间取向不同的运动状态,有 3 个原子轨道,3d 有 m = 0、 ? 1、 ? 2 五种空间 取向,有 5 个原子轨道。因此应改为:主量子数为 3 时,有 9 个原子轨道。 例 3、试写出下列物种的电子排布式 - (1)13Al3+ (2)17Cl (3)24Cr (4)47Ag
- 第一讲 6 -

分析:由物种的带电性,确定其电子总数,再按电子排布规律写出电子结构。 解: 物种 电子排布式 3+ 1s2 2s2 2p6 或[He]2s2 2p6 Al
13 17Cl


1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 或[Ne]3s2 3p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 或[Ar]3d5 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s1 或[Kr]4d10 5s1

24Cr 47Ag

例 4、试比较 Li2+离子的 2s 和 2p 轨道能量的高低。 分析:Li2+单质电子体系,是类氢离子,没有电子的屏蔽作用( ? = 0)其能量公式为: E = -2.179×10-18×
Z2 n2

(J) ,只与核电荷数(已一定)和主量子数有关。

解:因 Li2+是单质电子体系,其各轨道的能量只与主量子数 n 有关,与角量子数 l 无关,所以在 Li2+ 离子中,2s 和 2p 轨道的能量相等。 例 5 甲元素是第三周期 p 区元素,其最低化合价为 -1 价;乙元素是第四周期 d 区元素,其最高化合 价为 +4 价,填写下表: 元素 价层电子构型 周期 族 金属或非金属 电负性相对高低 甲 乙 分析:根据题意,甲元素处于周期表 p 区,为主族元素,其最低化合价为 –1 价,则它最外层电子构 型为 3s2 3p5,所以甲为第三周期 VII A 族的非金属元素,具有较高的电负性。 同理可推测乙元素的外层电子构型及其在周期表中的位置和它较低的电负性。 解: 元素 价层电子构型 周期 族 金属或非金属 电负性相对高低 3s2 3p5 3 VII A 甲 非金属 较高 I 3d2 4s2 4 乙 金属 较低 VB 例 6 某元素原子共有 3 个价电子,其中一个价电子的四个量子数为 n = 3、l = 2、m = 2、ms = + 。 试回答: (1)写出该元素原子核外电子排布式 (2)写出该元素的原子序数,指出在周期表中所处的分区、周期数和族序数,是金属还是非金属以 及最高正价化合价。 分析:本题关键是根据量子数推出价层电子构型,由此即可写出核外电子排布式并回答其他问题。 解: (1)由一个价电子的量子数可知,该电子为 3d 电子,则其它二个价电子必为 4s 电子(因为 E3d <E4s=价层电子构型为 3d1 4s2。所以电子排布式为 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2。 (2)该元素的原子序数为 21,处于周期表中的 d 区第四周期 III B 族,是金属元素,最高正价为 +3。 例 7、现有 A、B、C、D 四种元素,A 是第五周期 IA 族元素,B 是第三周期元素。B、C、D 的价电 子分别为 2、2 和 7 个。四种元素原子序数从小到大的顺序是 B、C、D、A。已知 C 和 D 的次外层电子均 为 18 个。 (1)判断 A、B、C、D 是什么元素? (2)写出 A、B、C、D 的简单离子; (3)写出碱性最强的最高价氧化物水化物的化学式; (4)写出酸性最强的最高价氧化物水化物的化学式; (5)哪种元素的第一电离能最小?哪一种元素的电负性最大? 分析:本题是一道“位—构—性”的综合推断题,根据 A 在周期表的位置、B 的周期数及最外层电 子数,C、D 的最外层和次外层的电子数及四元素原子序数的大小关系,就可以判断出四元素,继而在此 基础上回答其他问题。 - 解: (1)A—Rb、B—Mg、C—Zn、D—Br。 (2)Rb+、Mg2+、Zn2+、Br (3)碱性最强的为 RbOH (4)酸性最强的为 HBrO4 (5)元素 Rb 的第一电离能最小;Br 的电负性最大。 例 8 下列各组量子数哪些是不合理的,为什么? (1)n = 2,l = 1,m = 0 (2)n = 2,l = 2 m = -1
- 第一讲 7 1 2

(3)n = 3,l = 0,m = 0 (4)n = 3,l = 1,m = +1 (5)n = 2,l = 0,m = -1 (6)n = 2,l = 3,m = +2 分析:此题是考查四各量子数之间的关系,所以掌握了四个量子数之间的关系,此题就不难解决。 解: (2) 、 (5) 、 (6)不合理。 在(2)中 l = n 是不对的,l 只能是取小于 n 的正整数,故减小 l 或增大 n 均可。 在(5)中,∣m∣>l 是不对的,当 l 取值一定时,∣m∣最大和 l 的值 相等,所以减小∣m∣或增 大 l 均可。 在(6)中,l > n 也是不对的,l 取值 最大为 n-1,考虑到 m = +2,所以本题只能增大 n 的取值。 例 9、已知某元素在氪前,当此元素的原子失去 3 个电子后,它的角量子数为 2 的轨道内电子恰好为 半充满,试推断该元素。 分析: 此题是根据离子的结构推断相应元素的试题。 只不过常见的此类问题提到是电子层、 电子亚层, 而未涉及主量子数和角量子数,所以此题关键是搞清角量子数为 2 的轨道属于 d 亚层。 解:l = 2 为 d 亚层,只有第四周期及其后各周期的 d 区和 p 区元素才有此结构。失去 3 个电子后,d 轨道为半充满的元素一定是在 d 区,即为副族元素。氪为第四周期元素,故此元素必定为第四周期的副族 元素。 3e M3+ ??? M 3d5 3d6 4s2 (半充满) 故该元素为 26 号元素 Fe。 例 10、 若在现代原子结构理论中,假定每个原子轨道只能容纳一个电子,则原子序数为 42 的元素 的核外电子排布将是怎样的?按这种假设而设计出的元素周期表,该元素将属于第几周期、第几族?该元 素的中性原子在化学反应中得失电子情况又将怎样? 分析:解答本题有利于开阔思维。在该题的假设下,原有原子结构理论的有关规律的实质是有用的, 但具体的则要发生一些变化。如保里不相容原理和洪特规则就不适用;但能量最低原理是有用的;饱和的 概念仍然成立,只是各个轨道、各个亚层、各个电子层最多能容纳的电子数应为原来的一半,如第二层排 成 2s1 2p3 就饱和了,第三层排成 3s1 3p3 3d5 就饱和了;轨道的能级顺序没有变化,电子的填充顺序也无变 化。 解:电子排布式:1s1 2s1 2p3 3s1 3p3 3d5 4s1 4p3 4d5 4f7 5s15p3 5d5 6s1 6p2 周期表中的位置:第六周期,第 III A 族。 该元素的中性原子在化学反应中可得到一个电子显 –1 价;可失去 3 个电子显 +3 价,也可失去 2 个 p 电子而显 +2 价。 【知能训练】 1、分子和离子都是微观粒子,1996 年,科学家终于在宇宙深处发现了早在 30 年前就预言应当存在 的一种微粒,这种微观粒子由 3 个氢原子核和 2 个电子组成,它的化学式是 。 12 13 2、自然界中,碳除了有 2 种稳定同位素 C 和 C 外,还有一种半衰期很长的放射性同位素 14C,丰 度也十分稳定,如下表所示(注:数据后括号里的数字是最后一位或两位的精确度,14C 只提供了大气丰 度,地壳中的含量小于表中数据) : 同 地壳丰度(原子分 相对原子质量 位素 数)
12

C
13

12(整数)

0.9893(8)

13.003354826 0.0107(8) (17) - 14 14.003241982 1.2 × 10 16 (大气 C (27) 中) 试问:为什么通常碳的相对原子质量只是其稳定同位素的加权平均值而不将 14C 也加入取平均值? 3、现代原子结构理论认为,在同一电子层上,可有 s、p、d、f、g、h??等亚层,各亚层分别有 1、 3、5、??个轨道。试根据电子填入轨道的顺序预测: (1)第 8 周期共有 种元素; (2)原子核外出现第一个 6 f 电子的元素的原子序数是 ; (3)根据“稳定岛”假说,第 114 号元素是一种稳定同位素,半衰期很长,可能在自然界都可以找 到。试推测第 114 号元素属于 周期, 族元素,原子的外围电子构型是 。 4、A、B 两元素,A 原子的 M 层和 N 层的电子数分别比 B 原子的 M 层和 N 层的电子数少 7 个和 4 个。写出 A、B 两原子的名称和电子排布式,并说明推理过程。 5、五种元素的原子电子层结构如下: A:1s22s22p63s23p63d54s2 B:1s22s22p63s2 C:1s22s22p6 D:1s22s22p63s23p2 E:1s22s1 C
- 第一讲 8 -

试问:其中, (1)哪种元素是稀有气体? (2)哪种元素最可能生成具有催化性质的氧化物? (3)哪种元素的原子的第一电离能最大? 6、写出 Eu(63 号) 、Te(52 号)元素原子的电子排布式。若原子核外出现 5 g 和 6 h 五层,请预测 第九、十周期最后一个元素原子序数和它们的电子排布。 7、目前,科学家正在设法探寻“反物质” 。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的, “反粒子”与其 对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量,但电荷的符号相反。2002 年 9 月 20 日,欧洲核子研究中心 成功制造出约 5 万个低能量状态的反氢原子,这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。试回答: (1)科学家制造出的反氢原子的质量数为 ,电荷数为 。 - (2)一对正、负电子相遇发生湮灭,转化为一对频率相同的光子,已知电子质量为 0.9×10 30kg, 那么这对电子湮灭时释放的能量是 J,这两个光子的频率约为 Hz。 (保留 2 位有效数 - 字,普朗克常数 h=6.63×10 34J· s) (3)反物质酸碱中和反应的实质可表示为: 。 8、在电势差为 100V 和 1000V 的电场中运动的电子,其德布罗意波长分别是多少? 9、假定在下列电子的各组量子数中 n 正确,请指出哪几种不能存在,为什么? (1)n=1,l=1,m=1,ms=-1。 (2)n=3,l=1,m=2,ms=+1/2。 (3)n=3,l=2,m=1,ms=-1/2。 (4)n=2,l=0,m=0,ms=0。 (5)n=2,l=-1,m=1,ms=+1/2。 (6)n=4,l=3,m=2,ms=2。 10、试用斯莱脱(Slate)规则分别计算作用于 Fe 的 3s、3p、3d 和 4s 电子的有效核电荷数,这些电 子所在各轨道的能量及 Fe 原子系统的能量。 11、下列曲线分别表示元素的某种性质与核电荷数的关系(Z 为核电荷数,Y 为元素的有关性质) ;

A

B

C

D

E F G H 把与下面的元素有关性质相符的曲线的标号填入相应括号中: (1)ⅡA 族元素的价电子数( ) (2)ⅦA 族元素氢化物的沸点( ) (3)第三周期元素单质的熔点( ) (4)第三周期元素的最高正化合价( ) - + + + (5)IA 族元素单质熔点( ) (6)F 、Na 、Mg2 、Al3 四种离子的离子半径( ) (7)短周期元素的原子半径( ) (8)短周期元素的第一电离能( ) 12、电离能是指由蒸气状态的孤立原子失去电子形成阳离子需要的能量。从中性原子中移去第一个电 子所需要的能量为第一电离能(I1) ,移去第二个电子所需要的能量为第二电离能(I2) ,依次类推。 I1/eV I2/eV I3/eV 元 素 A 13.0 23.9 40.0 B 4.3 31.9 47.8 C 5.7 47.4 71.8 D 7.7 15.1 80.3 E 21.6 41.1 65.2 现有 5 种元素, A、 B、 C、 D、 E, 其 I1~I3 分别如下表, 根据表中数据判断其中的金属元素有 , 稀有气体元素有 ,最活泼的金属是 ,显二价的金属是 。 13、根据以下数据估算第 43 号人造元素得(Tc)的金属半径(单位为 pm) ,并说明做出估计的依据: T C M F C N V 第四周期元素 i r n e o i 1 1 1 1 1 1 1 原子半径/pm 47 34 27 26 26 25 24 Z N M T R R P 第五周期元素 r b o c u h d 1 1 1 1 1 1 原子半径/pm □ 60 46 39 34 34 37 H T R O I P W 第六周期元素 f a e s r t
- 第一讲 9 -

原子半径/pm

1 59 46

1 40

1 37

1 35

1 36

1 39

1

14、 右图表示元素 X 的头五级电离能的对数值, 试推测 X 可能是哪些元素? 15、已知某元素的原子序数是 50,试推测该元素 (1)原子的电子层结构; (2)处在哪一周期哪一族? (3)是金属还是非金属? (4)最高氧化态及其氧化物的酸碱性。 参考答案: + 1、H3 2、14C 不加权不会影响计算结果的有效数字,因其丰度太低了。 3、 (1)50 (2)139 (3)七 ⅣA 7s27p2 4、A 原子的 M 层电子数比 B 原子的 M 层的电子数少 7 个,说明 B 原子的 M 层已经排满;A 原子的 N 层的电子数比 B 原子的 N 层的电子数少 4 个,说明 B 原子的 4s 轨道已经排满,由电子排布的知识很容 易判断出 A B 来。A 为钒(V) ,电子排布式为[Ar]3d34s2;B 为硒(Se) ,[Ar]3d104s24p4 2 6 5、 (1)稀有气体元素原子的外层电子构型为 ns np ,即 s 和 p 能级是全满的,因此上述 C 是稀有气 体元素,它是 Ne。 (2)过渡元素在化合物中具有可变的化合价,因此它们的氧化物往往具催化性质。 在上述五种元素中,A 是过渡元素,它的氧化物 MnO2 是 KClO3 热分解反应的催化剂。 (3)由第一电 离能在同一周期和同一族内的递变规律。可以推想到,第一电高能较大的元素应集中在 p 区元素的右上角 区域,而上述五种元素中,C 正处于这一区域,因此 C 是这五种元素中第一电离能最大的元素。 6、由于第一层仅有 s 亚层,第二层出现 2p,第三层出现 3d,第四层出现 4f,可推知第五层新增 5g, 第六层新增 6h,各亚层排布的电子数为 s2、p6、d10、f 14、g18、h22,电子的排布遵循,ns → (n-4)h → (n -3)g → (n-2)f → (n-1)d →?的顺序。 Eu(63 号)和 Te(52 号)的电子排布式分别为:Eu:[Xe]5f 76s2 Te:[Kr]4d105s25p4 第九周期最后一个元素应从 9s 开始排布,以 118 号稀有气体为原子核:[118]9s26h226g187f 148d109p6。 原子序数为:118+2+18+14+10+6=168 第十周期最后一个元素从 10s 开始排布,以 168 号稀有气体为原子核:[168]10s26h227g188f 149d1010p6, 原子序数为:168+2+22+18+14+10+6=240 - - + 7、 (1)1 ; -1 (2)1.6×10 13 ; 1.2×10 20 (3)H +OH =H2O -10 -10 8、1.23×10 (m) ; 3.88×10 (m) 9、 (1) 、 (2) 、 (4) 、 (5) 、 (6)组不能存在。因为: (1)n=l 时,l 只能为 0,m 也只能为 0,ms 能为 +1/2 或-1/2; (2)n=3,l=l 时,m 只能为 0 或+1,或-1; (4)n=2,l 只能为 0 或 1,ms 只能为 1/2 或-1/2。n=2,l 只能为 0 或 1; (6)ms 只能为 1/2 或-1/2 10、Fe 的原子序数为 26,轨道分组为: (1s2) (2s22p6) (3s23p6) (3d6) (4s2) ,其中 3s Z*=14.75 3p -18 - Z*=14.75 3d Z*=6.25 4s Z*=3.75。所以有 E3s=E3p=-52.7×10 J,E3d=-9.46×10 18J,E4s=- -18 -15 - 1.92×10 J。对于 2s、2p Z*=21.8,1s Z*=25.70。E2s=E2p=-0.260×10 J,E1s=-1.439×10 15J。 - 故 Fe 系统的能量:E=2E1s+2E2s+6E2p+2E3s+6E3p+6E3d+2E4s=-5.44×10 15J 提示:由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷,从而引起有效核电荷的降低,削 弱了核电荷对该电子的吸引,这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。因此,对于多电子原子来说,如果考虑 到屏蔽效应,则每一个电子的能量应为:E=-13.6×(Z-σ )2/n2(eV) ,从式中可见,如果能知道屏蔽常 数σ ,则可求得多电子原子中各能级的近似能量。影响屏蔽常数大小的因素很多,除了与屏蔽电子的数目 和它所处原子轨道的大小和形状有关以外,还与被屏蔽电子离校的远近和运动状态有关σ 屏蔽常数。可用 斯莱脱提出的计算屏蔽常数的规则求得。斯莱脱规则如下:将原子中的电子分成如下几组: (1s) (2s,2p) (3s,3p) (3d) (4s,4p)(4d)(4f) (5s,5p) ,如此类推。①位于被屏蔽电子右边的各组,对被屏蔽电子 的σ =0 近似的可认为:外层电子对内层电子没有屏蔽作用。②1s 轨道上两个电子之间σ =0.30。其他主 量子数相同的各分层电子之间的σ =0.35。③当被屏蔽电子为 ns 或 n p 时,则主量子数为(n-1)的各电 子对它们的σ =0.85,而小于(n-1)的各电子对它们的屏蔽常数σ =1.00。④被屏蔽电子为 nd 或 n f 电 子时,则位于它左边各组电子对它们的屏蔽常数σ =1.00。在计算某原子中某个电子的σ 值时,可将有关 屏蔽电子对该电子的σ 值相加而得。 11、B、D、E、C、F、A、G、H 12、B、C、D E B D 13、136 pm 14、X 可能是 Mg、Ca、Sr 或 Ba 15、 (1)[Kr]4d105s25p2 (2)第五周期ⅣA 族,它是 Sn 元素 (3)此元素外层轨道上有 2 个 p 电 子,应具有一定的非金属性,但所处的周期数较大,金属性更为显著,因此它是金属元素 (4)最高氧 化态是+4,相应的氧化物为 SnO2,属两性氧化物。
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