1、版权所有请勿擅自用本书制作各类出版物违者必究如对教材内容有意见、建议或发现印装质量问题，请与山东科学技术出版社联系电话：0531-82098030电子邮箱：责任编辑：刘宗寅 曲丕丞 林翠丽杨春苗封面设计：魏 然欢迎同学们进入高中化学课程的学习！依据普通高中化学课程标准（2017 年版），化学课程分为必修课程、选择性必修课程和选修课程三大类。其中，必修课程是普通高中学生发展的共同基础，努力体现化学基本观念与发展趋势，促进同学们化学学科核心素养的发展，以适应未来社会发展需求，是全体同学必须修习的课程。选择性必修课程包括“化学反应原理”“物质结构与性质” “有机化学基础”三个模块，培养同学们深入学习
2、与探索化学的志向，引导同学们更加深入地认识化学科学、了解化学研究的内容与方法、提升化学学科核心素养的水平，是同学们根据个人需求与升学考试要求选择修习的课程。 选修课程包括 “实验化学” “化学与社会”“发展中的化学科学”三个系列，面向对化学学科有不同兴趣和不同需要的同学，拓展化学视野，深化对化学科学及其价值的认识，是同学们自主选择修习的课程。依据普通高中化学课程标准（2017 年版）的理念和要求，我们编写了本套教材，力求选取最具化学学科核心素养发展价值的素材， 按照科学、 合理、 有效的学习进阶， 安排学习内容， 设计学习活动，引导同学们学习最为核心的基础知识和基本技能，掌握最有价值的科学方法
3、和思想方法，形成正确的思想观念和科学态度，达成“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等方面化学学科核心素养的发展目标。本册为选择性必修 2物质结构与性质教材。在学习本册教材的过程中，同学们将以必修课程为基础，遵照选择性必修课程标准，围绕“原子结构与元素的性质” “微粒间的相互作用与物质的性质” “研究物质结构的方法与价值”三大主题，从原子、分子水平上认识物质构成的规律，提升有关物质结构的基本认识；以微粒1致同学们致同学们第1章通过初中化学课程和高中化学必修课程的学习，你对原子结构的知识已经有了初步了解。那么，你是否深入思考
4、过：宏观物体的运动与微观粒子的运动有什么区别？原子核外电子的运动状态应当如何描述？元素的性质与原子结构之间究竟有什么关系？随着原子序数的递增，元素的哪些性质会呈现周期性变化？化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的自然科学。这其中，关于原子结构的知识是探究化学问题的基础。化学反应不会引起原子核结构的变化，因此化学科学对原子结构的研究主要集中在原子核外电子的运动行为上，即主要研究原子核外电子的运动状态及变化规律。原子核外电子的运动状态及变化规律。第 1 节 原子结构模型第 2 节 原子结构与元素周期表第 3 节 元素性质及其变化规律微项目 甲醛的危害与去除 利用电负性分
5、析与预测物质性质本章自我评价原 子 结 构 与 元 素 性 质第 3 节第 3 节元素性质及其变化规律微项目 甲醛的危害与去除利用电负性分析与预测物质性质本章自我评价本章自我评价第2章通过化学必修课程的学习，你已经了解了原子之间能够通过强烈的相互作用化学键结合在一起。那么，原子之间为什么能够以不同类型的化学键互相结合？原子形成的分子为什么会有不同的空间结构？分子之间是否也存在着相互作用？要解决这些问题，就要学习化学键与分子间作用力的理论。关于化学键和分子间作用力的理论，是关于物质结构的基本理论。基于这些理论，人们能够深入地探讨物质的微观结构与宏观性质之间的关系，从而进一步认识并制备具有特定化学
6、组成和结构的物质。第 1 节 共价键模型 第 2 节 共价键与分子的空间结构 第 3 节 离子键、配位键与金属键 第 4 节 分子间作用力微项目 补铁剂中铁元素的检验 应用配合物进行物质检验 本章自我评价 应用配合物进行物质检验微粒间相互作用与物质性质第3 章物质通常有三种聚集状态：气态、液态和固态。固态物质通常又分为晶体和非晶体两大类。那么，晶体和非晶体的主要区别是什么？晶体有哪些基本特征？晶体的这些特征又有哪些重要应用？构成物质的微粒是否还会以其他的方式聚集？对物质的性质又会产生怎样的影响？丰富多彩的物质是由大量微粒聚集而成的。物质的性质、变化和用途与物质的聚集状态密切相关。因此，在研究物
7、质的结构与性质时，不仅要研究微粒的空间排布状况和微粒之间的相互作用，还要研究物质的聚集状态。不同聚集状态的物质与性质第 1 节 认识晶体 第 2 节 几种简单的晶体结构模型 第 3 节 液晶、纳米材料与超分子微项目 青蒿素分子的结构测定 晶体在分子结构测定中的应用本章自我评价 之间的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，深入认识物质的结构与性质之间的关系，进一步发展化学学科核心素养。本册教材的呈现形式保持着整套教材的特色：每节开始设置“联想质疑”栏目，铺设情境，提出问题，为同学们的探究学习做好铺垫；通过 “观察思考”“活动探究”“交流研讨”等活动性栏目组织同学们进行自主探究和开展合作学
8、习，并利用“方法导引”栏目对有关活动进行有效的指导；利用“资料在线”“拓展视野”“化学与生命”“化学与技术”等资料性栏目丰富同学们的知识、拓展同学们的思路；每节的 “练习与活动” 分为 “学习理解” “应用实践”两个层次， 每章的自我评价分为 “学习 理解”“应用 实践”“迁移创新”三个层次，提供精选习题和有关活动，以提升同学们理论联系实际的迁移应用能力以及发现问题、分析问题和解决问题的能力；每章在“本章自我评价”中列出化学学科核心素养的发展重点和学业要求，以便于同学们据此检查自己的学习情况；每章设置一个微项目，开展项目式学习，引导同学们面对实际的化学问题，学以致用，实现所学知识向关键能力和核
9、心素养的转化。本册教材共 3 章，含 10 节和 3 个微项目，全面反映了选择性必修课程“物质结构与性质”在发展同学们化学学科核心素养方面的要求和学业要求。相信本套教材能够成为同学们认识化学科学、学习化学学科的好帮手，为同学们在学校的组织和老师的指导下发展化学学科核心素养、提高学业水平，打下坚实的基础，开辟广阔的空间。2目 录CONTENTS第 1 章原子结构与元素性质第 1 节 原子结构模型 /2第 2 节 原子结构与元素周期表 /10第 3 节 元素性质及其变化规律 /20微项目 甲醛的危害与去除 利用电负性分析与预测物质性质 /29本章自我评价 /33第 2 章微粒间相互作用与物质性质第
10、 1 节 共价键模型 /37第 2 节 共价键与分子的空间结构 /45第 3 节 离子键、配位键与金属键 /58第 4 节 分子间作用力 /69微项目 补铁剂中铁元素的检验 应用配合物进行物质检验 /76本章自我评价 /811第 3 章不同聚集状态的物质与性质第 1 节 认识晶体 /87第 2 节 几种简单的晶体结构模型 /94第 3 节 液晶、纳米材料与超分子 /108微项目 青蒿素分子的结构测定 晶体在分子结构测定中的应用 /117本章自我评价 /1221. 某些共价键的键长 /1252. 某些共价键的键能 /1263. 各章节中的主要术语与物质名称 /127元素周期表 /129附录2第
11、1 章通过初中化学课程和高中化学必修课程的学习，你对原子结构的知识已经有了初步了解。那么，你是否深入思考过：宏观物体的运动与微观粒子的运动有什么区别？原子核外电子的运动状态应当如何描述？元素的性质与原子结构之间究竟有什么关系？随着原子序数的递增，元素的哪些性质会呈现周期性变化？化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的自然科学。这其中，关于原子结构的知识是探究化学问题的基础。化学反应不会引起原子核结构的变化，因此化学科学对原子结构的研究主要集中在原子核外电子的运动行为上，即主要研究原子核外电子的运动状态及变化规律。原子核外电子的运动状态及变化规律。第 1 节 原子结构模
12、型第 2 节 原子结构与元素周期表第 3 节 元素性质及其变化规律微项目 甲醛的危害与去除 利用电负性分析与预测物质性质本章自我评价原子 结 构与 元 素 性 质第 3 节第 3 节元素性质及其变化规律微项目 甲醛的危害与去除利用电负性分析与预测物质性质本章自我评价本章自我评价2图1-1-1 不同时期的原子结构模型第 1 节 原子结构模型联想质疑人类对原子结构的认识经历了一个漫长的、不断深化的过程。早在公元前 400 多年，古希腊哲学家从哲学意义上把构成物质的最小单位称为原子，但直到 1803 年，英国化学家道尔顿（J.Dalton）才把原子从一个扑朔迷离的哲学名词变为具有实在意义的微粒的概念
13、，并提出了原子论。1904 年，汤姆孙（J.J.Thomson）在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子内部的结构。1911 年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据 粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。丹麦科学家玻尔（N.Bohr）于 1913 年根据原子光谱实验，进一步建立起核外电子分层排布的原子结构模型。20 世纪 20 年代中期建立的量子力学理论，使人们对原子结构有了更深刻的认识，从而产生了原子结构的量子力学模型。回顾人类对原子结构的认识过程，你受到了哪些启发？现代科学对原子结构的描述究竟是怎样的？一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型通过化学必修
14、课程的学习，你已经知道原子是由原子核和核外电子构成的，原子中核外电子的运动状态是分析、解释和预测元素性质的基础。那么，核外电子的运动状态是怎样的呢？科学家通过研究原子光谱，进一步揭示了核外电子的运动状态。道尔顿原子论汤姆孙“葡萄干布丁”模型卢瑟福核式模型玻尔原子结构模型量子力学模型+1803年1904年1911年1913年20世纪20年代-变第 1 节 原子结构模型等3观察思考请描述氢原子光谱的特点，并说明这对你推测氢原子核外电子的运动特点有什么启示。许多物质都能够吸收光或发射光，人们常常利用原子光谱仪将物质吸收的光或发射的光的频率（或波长）和强度分布记录下来得到光谱。如果原子结构真如卢瑟福的
15、核式模型所描述的那样，根据经典的电动力学观点，围绕原子核高速运动的电子一定会自动且连续地辐射能量，最终坍塌到原子核上。这样，不仅原子是不稳定的，而且原子的光谱应当是连续光谱，即波长的变化呈连续分布。那么，实际情况如何呢？在一个被抽成真空、两端含有电极的玻璃管中充入低压氢气，然后在两个电极上施加高压，使氢原子在电场的激发下发光图 1-1-2（a） ，发出的光经过三棱镜分光后得到如图 1-1-2（b） 所示的氢原子光谱图。图1-1-2 氢原子光谱的测定示意图和氢原子光谱图（a）（b）实验证明，氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的线状光谱，这与根据卢瑟福原子结构核式模型得到的推论是不一致
16、的。为了解释这一实验事实，玻尔在卢瑟福核式模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型，其基本观点是：（1）原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit）上绕原子核运动，并且不辐射能量。（2）在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量值是不连续的，这称为能量“量子化”。轨道能量依 n 值（1、2、3、）的增大而升高，n 称为量子数。对氢原子而言，电子处在 n=1 的轨道时能量最低，这种状态称为基态；能量高于基态能量的状态，称为激发态。含有氢气的放电管透镜狭缝窄光束410nm434nm486nm656nm屏或照相底片三棱镜Chemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 4（
17、3）只有当电子从一个轨道（能量为 Ei）跃迁到另一个轨道（能量为 Ej）时，才会辐射或吸收能量。当辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录时，就形成了光谱。玻尔原子结构模型成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实，阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，指出了电子所处的轨道的能量是量子化的。玻尔提出的这些重要概念和观点至今对我们理解原子结构仍然具有启发性。追 根 寻 源为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的根据玻尔模型，电子所处的轨道的能量是量子化的，轨道间的能量差也是确定的，而光的频率与轨道所具有的能量 E 之间的关系可用下式表示。h | Ej - Ei |
18、 式中：h 为普朗克常数，其值为6.62610-34Js。由上式计算得到的光的频率 （或波长 =c/ / ，c 为光速）只能是不连续的，此时形成的是具有特征波长的线状光谱。对氢原子而言，人们可以依据玻尔理论计算得到氢原子中的电子处于不同轨道时的能量，这样就可由上式求得电子在不同轨道之间跃迁时所形成的光的频率。图 1-1-3 给出的是氢原子光谱的形成原理以及氢原子光谱与玻尔模型中原子轨道之间的关系。电子从能量较高的轨道跃迁到 n=1 的轨道所形成的谱线在紫外光区；电子从能量较高的轨道跃迁到 n=2 的轨道所形成的谱线在可见光区，可见光区的四条谱线分别为一条红色的、一条蓝色的和两条紫色的；电子从能
19、量较高的轨道跃迁到 n=3 的轨道所形成的谱线在红外光区。 反过来， 人们通过光谱实验获得谱线的频率 （或波长），就能知道电子在哪些轨道之间跃迁了。红外系列图1-1-3 氢原子光谱与玻尔模型中的原子轨道可见系列紫外系列二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述联想质疑玻尔引入一个量子数 n，解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。但是，某些复杂的光谱现象却难以用玻尔原子结构模型予以解释。1. 原子轨道变第 1 节 原子结构模型等5显然，上述问题只用玻尔的轨道概念和量子数 n 是无法解释的。那么，应当如何解释氢原子的光谱和多电子原子的光谱的复杂现象呢？原子核外电子的运动状态是否还存在玻尔原子结构模型
20、未能描述的其他量子化现象呢？图1-1-4 钠原子的部分光谱589.0589.6550560570580590600610620630640650 nm例如，在进行原子光谱实验时，通常条件下，钠原子中处于 n=4 的状态上的核外电子跃迁到 n=3 的状态，会产生多条谱线；在外磁场存在的情况下，无论是氢原子还是多电子原子的光谱中，原来的一条谱线都可能分裂为多条；在无外磁场的情况下，用高分辨光谱仪可观测到氢原子中的核外电子由 n=2 的状态跃迁到 n=1 的状态时得到的是两条靠得很近的谱线，同样情况下钠原子的黄色谱线也是靠得很近的两条谱线（图 1-1-4）。原子线状光谱的产生是原子核外的电子在不同的
21、、 能量量子化的状态之间跃迁导致的，因此，根据多电子原子光谱现象的复杂性及其在外磁场存在时的谱线分裂现象，可以推测同一量子数 n 所标记的核外电子运动状态中的不同电子所具有的能量可能还存在差异。20 世纪 20 年代中期建立的量子力学理论不仅能够较圆满地解释原子光谱的实验事实，而且为解释和预测物质结构与性质提供了全新的理论支撑， 已经成为现代化学理论的基础。量子力学理论仍然使用量子数 n。习惯上，将 n 所描述的电子运动状态称为电子层。n 的取值为正整数 1、2、3、4、5、6 等，对应的符号分别为 K、L、M、N、O、P 等。一般而言，n 越大，电子离核的平均距离越远，电子具有的能量越高。当
22、 n 相同时，电子具有的能量也可能不同，即同一个电子层内的电子可处于不同能级。当 n=x 时，有 x 个能级，分别用符号 s、p、d、f 等表示。例如，n=2 时，有 2 个能级，符号分别为 s、p；n=4 和 n=3 时，分别有 4 个和 3 个不同的能级。于是，当钠原子中的电子由 n=4 的电子层的不同能级跃迁到 n=3 的电子层的不同能级时，形成的光谱就会有多条谱线。科学实验又发现，在存在外磁场时，处于同一能级的电子的空间运动状态的能量还会不同。因此，当有外磁场时，氢原子或多电子原子光谱中的一条谱线就可能分裂为多条。习惯上， 人们用 “原子轨道 （atomicorbital） ” 来描述
23、原子中单个电子的空间运动状态。不过，此处定义的原子轨道被赋予了新的含义。电子层为 n 的状态含有 n2个原子轨道。当 n=1 时，有 1 个能级，记为 1s；也只有 1 个原子轨道，记作 1s。当 n=2 时，有 2 个能级，分别记为 2s 和 2p；共有 4 个原子轨道，包括 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道（分别记作 2s、2px、2py、2pz）。当 n=3 时，有 3 个能级，分别记为 3s、3p 和 3d；共有 9 个原子轨道，包Chemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 6追 根 寻 源霓虹灯为什么能够发出五颜六色的光霓虹灯自 1910 年问世以来，将城市夜景装扮得格外
24、美丽。霓虹灯的发光机制与氢原子光谱形成的机制基本相同。对霓虹灯而言，灯管中填充的气体不同，在高电压的激发下发出的光的颜色就不同。例如，在灯管中充入氖气，通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量后激发到能量较高的轨道，但处在能量较高轨道上的电子会很快以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，所以我们看到的是红色光。通电后氩气发蓝紫色光、氦气发粉红色光等也是同样的道理。随着技术的发展，霓虹灯正在被 LED 灯带等光源取代。括 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道（分别记作 3s、3px、3py、3pz），以及 5 个 d 轨道。在无外磁场的
25、条件下，处于同一能级的原子轨道能量相同。表 1-1-1 总结了 n 值所对应的能级和原子轨道的情况。表 1-1-1 n 值所对应的能级和原子轨道的情况电子层或量子数 n符号能级原子轨道n=1K1s1sn=2L2s2p2s2px2py2pzn=3M3s3p3d3s3px3py3pz3d( 包含 5 个原子轨道 )n=4N4s4p4d4f4s4px4py4pz4d( 包含 5 个原子轨道 )4f( 包含 7 个原子轨道 )不仅如此 , 核外运动的电子还存在一种被称为“自旋”的量子化状态。处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有两种，分别用符号“”和“”表示。氢原子的电子由n=2 的状态跃迁到 n=1
26、 的状态时得到两条靠得很近的谱线，钠的原子光谱中存在靠得很近的两条黄色谱线，都与电子的自旋有关。这里的“自旋”并不意味着电子像地球那样绕轴“自转”，它的实质仍在探索之中。图1-1-5 五颜六色的霓虹灯变第 1 节 原子结构模型等72. 原子轨道的图形描述原子中单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述，而原子轨道在量子力学中用波函数来表示，并可以将其以图形的方式在直角坐标系中呈现出来。图 1-1-6 给出了 1s和 2p 原子轨道示意图。从图 1-1-6 中可以看出，s 轨道在三维空间分布的图形为球形，即该原子轨道具有球对称性；p 轨道在三维空间分布的图形与 s 轨道明显不同，它的空间分布特点是分
27、别相对于 x、y、z 轴对称，也就是说，p 轨道在空间分别沿 x、y、z 轴的方向分布。联想质疑3. 电子在核外的空间分布原子轨道可以用波函数来表示，那么，又该如何理解波函数？怎样形象地描述电子在空间中的运动与分布呢？图1-1-6 1s和2p原子轨道示意图与对宏观物体运动的描述不同，对于质量非常小、运行速度极快且运动空间极小的微观粒子（如电子，其质量仅为 9.110-31 kg）而言，人们不可能同时准确地测定它的位置和速度，但能通过对波函数进行数学处理计算出电子在什么地方出现的概率大、在什么地方出现的概率小。通常用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小：点密集
28、的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。这种形象地描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形称为电子云图。图 1-1-7 是电子处在 1s 轨道的电子云图。由图可知，处于 1s 轨道上的电子（通常也称 1s 电子）的概率分布呈球图1-1-7 电子处在1s 轨道的电子云图1s2px2py2pzzzzx+-xxxyyyyzChemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 8拓 展 视 野量子力学的诞生量子力学诞生于 1925 年末至 1926 年初，它是由两组物理学家相互独立地用不同方法建立的。直接因量子力学而获得诺贝尔物理学奖的就
29、有六位：德布罗意（L.deBroglie,1929 年）、海森堡（W.Heisenberg,1932 年）、狄拉克（P.Dirac,1933 年）、薛定谔（E.Schrdinger,1933 年）、泡利（W.Pauli,1945 年）和波恩（M.Born,1954 年）。受到光既具有波动性又具有粒子性的事实的启发，法国物理学家德布罗意提出了微观粒子具有波动性的观点。德布罗意还天才性地预测“一束电子通过一个非常小的孔时可能会产生衍射现象” 。 爱因斯坦对德布罗意的观点给予了极高的赞誉，称其“揭开了一幅大幕的一角”。1927 年，美国物理学家戴维孙（C.Davisson）和革末（L.Germer）
30、将电子射到镍的单晶上，得到了完全类似于 X 射线被晶体衍射的图样，证实了电子的确具有波动性。图 1-1-9 显示的是铝箔的电子衍射图样。后来用中子、 原子、 分子等粒子流代替电子流， 也都观察到了衍射现象。人们之所以不能同时准确地测定微观粒子的位置和速度，正是因为微观粒子具有波动性。以德国物理学家海森堡和泡利为代表的一组物理学家为了解释原子分立能级，创立了矩阵力学。另一组以奥地利物理学家薛定谔为代表，通过建立描述电子运动状态的波动方程来解释电子的波动性，从而创立了波动力学。两种看起来完全不同的理论在计算氢原子能级时，得到了完全一致并且符合实验现象的结果。波恩提出了关于微观粒子波动性的统计解释。
31、随后，薛定谔证明了这两种表现形式完全不同的理论实际上是同一种物理规律的两种不同的数学表达形式。后来经过英国物理学家狄拉克的发展，该理论成为一门相对完整的、研究微观粒子运动规律的物理学分支，即量子力学。量子力学是目前解决低能量的微观粒子问题的最佳理论。 近代量子力学不仅揭示了原子结构、放射性、化学键以及原子光谱的实质，而且与其他理论（如相对论）相结合，成功地解释了核结构与核反应，固体的电性、热性与超导性，物质的基本粒子的产生与湮灭，反物质的存在，某些坍塌恒星的稳定性等问题。该理论的产生同时促进了包括电子显微镜、顺磁共振仪、激光器、晶体管和扫描隧道显微镜在内的许多先进仪器及相应实用技术的快速发展。
32、图1-1-9 铝箔的电子衍射图样形对称，而且电子在原子核附近单位体积内出现的概率大， 离核越远， 单位体积内电子出现的概率越小。图 1-1-8 是电子处在 2p 轨道的电子云图，与 1s 电子云的球形对称不同， 2p电子云具有一定的空间取向。由此可知，量子力学中轨道（orbital）的含义已与玻尔轨道（orbit）的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。图1-1-8 电子处在2p轨道的电子云图变第 1 节 原子结构模型等9学习理解1. 下列是不同时期的原子结构模型，按提出时间的先后顺序排列正确的是（ ）。 玻尔原子结构模型“葡萄干布丁”模型量子力学模型 道尔顿原子论
33、核式模型A. B. C. D. 2. 下列能级符号中，错误的是（ ）。A. 3s B. 3pC. 3dD. 2d3. 下列各项中，利用玻尔原子结构模型可以较好地解释的是（ ）。A. 氢原子光谱为线状光谱B. 通常条件下，钠原子处于 n=4 的状态上的核外电子跃迁到 n=3 的状态时会产生多条谱线C. 在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线D. 钠原子光谱中有靠得很近的两条黄色谱线4. 下列能级中，轨道数为 5 的是（ ）。A. 2s B. 2pC. 4dD. 4f5. 下列叙述中，正确的是（ ）。A.s、p、d 能级所含有的原子轨道数分别为 1、3、5B. 各电子层的能级都是从 s 能级开始，到
34、f 能级结束C. 不同的电子层所含的 s 能级的原子轨道数是不同的D. 各电子层含有的原子轨道数为 2n26. 玻尔原子结构模型的主要内容是什么？请简述其成功之处和不足之处。应用实践7. 对充有氩气的霓虹灯管通电，灯管发出蓝紫色光。产生这一现象的主要原因是（ ）。A. 电子由能量较高的轨道向能量较低的轨道跃迁时以光的形式辐射能量B. 电子由能量较低的轨道向能量较高的轨道跃迁时吸收除蓝紫色光以外的光C. 氩原子获得电子后转变成发出蓝紫色光的物质D. 在电流的作用下，氩原子与构成灯管的物质发生反应练习与活动10第 2 节 原子结构与元素周期表联想质疑你已经了解到电子在原子核外是分层排布的。请回顾一
35、下 118 号元素的原子结构示意图，思考以下问题。为什么原子核外第一层最多只能容纳2个电子， 第二层最多只能容纳8个电子？原子核外第三、四、五层及其他电子层最多能容纳的电子数分别是多少？原子核外电子的排布与原子轨道有什么关系？活动探究118号元素基态原子的电子排布请根据有关原子轨道的知识猜想 118 号元素基态原子的核外电子排布情况，并尝试推测基态原子的核外电子排布规律。一、基态原子的核外电子排布研究发现，原子中的核外电子按照一定规律分布在各原子轨道上。那么，多电子原子中的电子是如何分布在各原子轨道上的呢？本节探讨能量最低状态即基态原子的核外电子排布的规律。1. 基态原子的核外电子排布规律图1
36、-2-1 原子核外电子排布与原子轨道存在怎样的关联+11182Na？变第 2 节 原子结构与元素周期表等11核外电子在原子轨道上的排布遵循能量最低原理（Thelowestenergyprinciple），这是核外电子在原子轨道上排布遵循的第一个原则。氢原子的原子轨道有 1s、2s、2px、2py、2pz等，其核外的唯一电子在基态时只能处在能量最低的 1s 原子轨道上。氦原子有两个电子， 按照能量最低原理， 这两个电子都应当排布在1s原子轨道上。 显然，这两个电子在 1s 轨道上的排布可能是下列两种状态之一：自旋状态相同（ 或 ）或自旋状态不同（ ）。泡利通过总结诸多光谱实验事实确定，基态氦原子
37、的电子排布只能是 。这就是核外电子在原子轨道上排布必须严格遵循的第二个原则泡利不相容原理（Pauliexclusionprinciple）。泡利不相容原理可以简单叙述为：一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，且这两个电子的自旋状态不同。图 1-2-2 给出了基态氦原子的能级和核外电子排布示意图。基态原子的核外电子排布可以用电子排布式（或轨道表示式）来表示。例如，基态氢原子的电子排布式为1s1，基态氦原子的电子排布式为 1s2。2p2s3s3p1s 能量图1-2-2 基态氦原子的能级和核外电子排布示意图根据能量最低原理和泡利不相容原理，可以推断基态碳原子的核外电子排布式为1s22s22p2。由于三
38、个 p 轨道的能量完全一样，那么，你认为 p 轨道上的两个电子应当采取以下哪种排布方式呢？交流研讨电子排布式与轨道表示式电子排布式是表示原子核外电子排布的一种方式。在 ns、np、nd 等各能级符号的右上角用数字表示出该能级中的电子数目，如基态锂原子的电子排布式为 1s22s1。 轨道表示式用方框（或小圆圈、短线）表示一个原子轨道，用箭头“”或“”来区别自旋状态不同的电子，如基态锂原子的轨道表示式为2s1s。方法导引需要强调的是，原子中的核外电子是不可区分的，实际上人们并不能确定哪个电子排布在哪个原子轨道上。给出核外电子排入各原子轨道的顺序及探讨基态原子的核外电子排布，仅仅是为了给学习和研究提
39、供方便。Chemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 12（1）2p （2）2p （3）2p （4）其他排布方式洪特（F.Hund）在研究了大量原子光谱后总结出一个规律：对于基态原子，核外电子在能量相同的原子轨道上排布时，将尽可能分占不同的原子轨道并且自旋状态相同。这就是原子核外电子在原子轨道上排布所遵循的第三个原则洪特规则（Hund srule）。由此可以得知，基态碳原子的电子排布应如图 1-2-3所示。基态原子的核外电子在原子轨道上排布，要遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则，其中能量最低原理可叙述为：在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原
40、子体系的能量最低。根据基态原子的核外电子排布原则，可以写出 118 号元素基态原子的电子排布式和轨道表示式，如表 1-2-1 所示。表 1-2-1 118 号元素基态原子的电子排布式和轨道表示式元素符号原子序数电子排布式轨道表示式HHe121s11s21s1s LiBeBCNOFNe3456789101s22s11s22s21s22s22p11s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p61s 1s 1s 1s 1s 1s 1s 2p2p2p2p2p 2p2s 2s 2s 2s1s 2s 2s 2s 2s 2p1s2s3s3p 图1-2-3 基态碳原子
41、的能级和核外电子排布示意图能量变第 2 节 原子结构与元素周期表等13图1-2-4 基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序 2. 19 36 号元素基态原子的核外电子排布活动探究基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序如图 1-2-4 所示，它表示随着原子序数的递增，基态原子的“外层电子”按照箭头的方向依次排布在各原子轨道上：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s这一规律称为构造原理。例如，原子序数为 20 的Ca，4s 轨道刚好填满；原子序数为 21 的 Sc，增加的 1 个电子排布在 3d 轨道上。值得指出的是，图 1-2-4 只是给出了基态原子外层电子在原子
42、轨道上排布的规律，即只有原子最外层电子在原子轨道上填充时才出现先填 ns 轨道再填 (n-1) d 轨道。但这一顺序并不代表电子填充后在原子中各原子轨道的能级高低顺序。 例如， 对于ns和(n-1)d轨道都填有电子的原子，在许多情况下 (n-1)d 轨道的电子能量更低。元素符号原子序数电子排布式轨道表示式NaMgAlSiPSClAr11121314151617181s22s22p63s11s22s22p63s21s22s22p63s23p11s22s22p63s23p21s22s22p63s23p31s22s22p63s23p41s22s22p63s23p51s22s22p63s23p61s
43、1s 1s 1s 1s 1s 1s 1s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 3p3p3p3p3p 3p3s 3s 3s 3s3s 3s 3s 3s 2p 2p 2p 2p 2p 2p 2p 2p2s 续表1936号元素基态原子的核外电子排布按照前面介绍的原则和方法，请尝试写出 1936 号元素 KKr 的基态原子的核外电子排布式。Chemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 14图 1-2-5 是元素周期表的轮廓图。请观察此图分析讨论原子的核外电子排布与元素周期表中周期、族的划分有什么内在联系。二、核外电子排布与元素周期表在书写 1936 号元素基态原子的电子排布式时，你可能会将
44、基态铬原子和基态铜原子的核外电子排布式分别写为： Cr：1s22s22p63s23p63d44s2 Cu：1s22s22p63s23p63d94s2但实际情况并非如此，这两种基态原子的电子排布式分别为： Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 Cu：1s22s22p63s23p63d104s1这是为什么呢？洪特通过分析光谱实验的结果指出，能量相同的原子轨道在全充满（如 d10）、半充满（如 d5）和全空（如 d0）状态时，体系的能量较低。基态铬原子和基态铜原子的核外电子排布就反映了这种情况。在原子中，每个电子层最多能容纳 2n2个电子，每个能级最多能容纳的电子数为其包含的原子轨道数的
45、 2 倍。交流研讨图1-2-5 元素周期表轮廓图AABAAA AA0B B B BB B主 族元 素主 族元 素0族元素副 族元 素副 族元 素过渡元素 族元 素镧 系 元 素锕 系 元 素周期变第 2 节 原子结构与元素周期表等151. 核外电子排布与周期的划分化学家曾尝试建立核外电子排布、原子轨道能级与元素周期表之间的关系，以便从能量的角度解释元素性质呈现周期性变化的原因。美国化学家鲍林（L.Pauling）基于大量光谱实验数据及近似的理论计算，提出的多电子原子的原子轨道近似能级图（图 1-2-6）。在这个图中，如果将能量相近的原子轨道归为一组，所得到的能级组按照能量从低到高的顺序与元素周
46、期表中的周期相对应。不同能级组之间的能量差较大，同一能级组内能级之间的能量差较小。进一步研究表明，通常只有最外能级组的电子才有可能参与化学反应，最外能级组中那些有可能参与化学反应的电子称为价电子（valenceelectron）。一般情况下，主族元素原子的价电子只包括最外层电子；过渡元素原子的价电子除最外层电子外，还包括次外层的部分电子，甚至倒数第三层的电子。元素性质与原子的价电子的数目密切相关。为了便于研究元素性质与核外电子间的关系，人们常常只表示出原子的价电子排布。例如，基态铁原子的价电子排布式为 3d64s2。本教科书最后的元素周期表中就只列出了元素基态原子的价电子排布。能量图1-2-6
47、 鲍林近似能级图请根据 136 号元素原子的电子排布，参照鲍林近似能级图，尝试分析原子核外电子排布与元素周期表中周期划分的内在联系。交流研讨资 料 在 线徐光宪外层电子能级顺序与能级组关于原子中电子的能级高低，我国化学家徐光宪也进行过深入的研究，提出判断外层电子能级高低的（n+0.7l）规则。其中，n 是代表电子层的量子数；l 是用于描述电子运动状态的另一个量子数，对于 s、p、d、f 能级，l 分别取 0、1、2、3。就原子的外层电子来说，（n+0.7l）越大，能级越高。将（n+0.7l）值的整数部分相同的能级合并为一组，称为“能级组”。例如，4s、3d 和 4p 的（n+0.7l）值依次等
48、于 4.0、4.4 和 4.7，它们的整数部分都是 4，故都属于第四能级组。由此，徐光宪作出与鲍林相同的能级排序和能级组划分。值得注意的是，不同原子的原子轨道能级顺序不尽相同，并不存在一个普适的能级顺序，不论是鲍林还是徐光宪所列出的能级顺序都只有近似意义。Chemistry 第 1 章 原子结构与元素性质 16通过观察和分析可以发现，族的划分与原子的价电子数目和价电子排布密切相关。一般来说，同族元素原子的价电子数目相同。主族元素原子的价电子全部排布在最外层的 ns或 ns、np 轨道上。尽管同族元素原子的电子层数从上到下逐渐增加，但价电子排布却完全相同。主族元素所在族的序数等于该元素原子的价电
49、子数。例如，镁原子的价电子排布为 3s2，镁元素属于A 族。除氦元素外，稀有气体元素原子的最外层电子排布均为 ns2np6。稀有气体元素所处的族为 0 族。对于过渡元素的原子，价电子排布为 (n-1)d110ns12。由此可以看出，虽然同一副族内不同元素原子的电子层数不同，价电子排布却基本相同，而且BB 族元素原子的价电子数目仍然与族序数相同。例如，锰原子的价电子排布为 3d54s2，价电子数为 7，锰元素对应的族序数为。B 和B 族则是根据 ns 轨道上有 1 个还是 2 个电子来划分的。在研究原子核外电子排布与元素周期表之间的关系时，人们发现价电子排布相似的元素集中在一起。据此，人们将元素
50、周期表分为 5 个区，并以最后填入电子的轨道能级符号第一能级组对应第 1 周期，该能级组仅涉及一个 s 轨道，最多能容纳 2 个电子，因此该周期只有 2 种元素。第二、三能级组涉及 s 轨道和 p 轨道，分别对应第 2、3 周期，原子的最外层电子从1 个逐渐增加到 8 个。这两个能级组能容纳的电子数分别等于第 2、3 周期包含的元素种数，这两个周期的元素种数是该能级组的原子轨道数目的 2 倍。第四能级组对应第 4 周期，从 19 号到 36 号共包含 18 种元素，其中过渡元素的原子中新增的电子逐渐填入 3d 轨道。该能级组最多能容纳的电子数等于第 4 周期包含的元素种数，该周期的元素种数也是
