化学-原子结构与元素周期表

大一化学 思维导图，包含原子结构理论的发展概况、 微观粒子运动的特征、核外电子运动状态的量子力学描述、核外电子的排布等。

原子结构与元素周期表 （世界是由元素组成的， 而原子是体现元素化学 性质的最小单元）

• 1️⃣原子结构理论的发展概况
  • 1 原子的有核模型
    • 1911年，英国物理学家卢瑟福用一束平行的α射线射向 金箔进行实验，结果发现穿过金箔的α粒子，有一部分改变了原来的直线射程 而发生不同程度的偏转，甚至有极少数的α粒子被折回。根据此实验， 卢瑟福提出核原子模型
  • 2 氢原子光谱
    • 混合光通过三棱镜折射后，分成红橙黄绿青蓝紫等不同波长的光，这些波长连续的光 组成的光谱叫连续光谱
    • 当原子受带电粒子的撞击或加高温时，发出的光辐射经过三棱镜后只能看到几条亮线， 是不连续的光谱，称线状光谱（氢原子光谱就是一种最简单的不连续光谱）
    • 每种原子都有自己特定的不连续光谱，发出特定颜色的光，我们称为原子光谱。
    • 氢原子光谱在可见光范围内有四条比较明显的谱线，可见光区的几条谱线被命名为巴尔麦线系。
    • 里德堡公式
  • 3 波尔模型
    • 1990年，德国物理学家普朗克首先提出了著名的，当时被誉为物理学上的一次革命的量子化理论
    • 普朗克认为在微观领域能量像物质微粒一样是不连续的，它具有最小的分立的能量单位——量子。
    • 物质吸收或发射的能量总是量子能量的整倍数。 爱因斯坦认为能量以光的形式传播时，其最小单位又称光量子，也叫光子。
    • 物质以光的形式吸收或发射能量只能是光量子能量的整倍数，即称这种能量是量子化的。
    • 电量的最小单位是一个电子的电量，故电量也是量子化的。
  • 原子理论的三点假设
    • 电子不是在任意轨道上绕核旋转，而只能在一些符合一定条件的轨道上运动。
    • 电子在不同轨道上旋转时具有不同的能量，电子运动时所处的能量状态称为能级。
    • 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时会以光子形式放出能量， 即释放光能。
• 2️⃣微观粒子运动的特征
  • 1 微观粒子的波粒二象性
    • 光的波粒二象性
      • 人们根据光的干涉 衍射和光电效应等各种实验结果认识到了光既具有 波的性质，又具有粒子的性质，即光具有波粒二象性
      • 波粒二象性是光的属性，在一定条件下，波动性比较明显；在另一种条件下， 粒子性比较明显。
    • 电子的波粒二象性
      • 德布罗意波
      • 电子衍射实验
        • 电子发生衍射现象，说明电子运动与光相似具有波动性。
        • 波粒二象性是微观粒子的运动特征。
  • 2 测不准原理
    • 1927年，德国物理学家海森堡提出了量子力学中的一个重要关系式——测不准关系，又称测不准原理。
    • 测不准原理概念
    • 测不准原理启示——微观粒子运动有其特殊的规律，不能采用经典力学中利用确定的轨道描述宏观物体运动规律的方法，而这种特殊规律 是由微粒自身的本质所决定的。
  • 3微观粒子运动的统计规律
    • 海森堡测不准原理，否定了波尔提出的原子结构模型
    • 电子的波动性可以看成是大量电子粒子性运动的统计性规律的表现
    • 根据微观粒子波粒二象性的统计解释，人们建立了一种全新的力学体系——量子力学，用来对微观粒子的运动状态进行研究。
• 3️⃣核外电子运动状态的量子力学描述
  • 1 薛定谔方程
  • 2 波函数与原子轨道
  • 3 概率密度和电子云
  • 4 四个量子数
    • 主量子数n
      • 来描述原子中电子出现概率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层数的。
    • 角量子数l
      • 角量子数l的一个重要物理意义就是它表示原子轨道或电子云的形状。
      • 在多电子原子中，电子的能量不仅取决于n，而且与l有关。
    • 磁量子数m
      • 磁量子数与原子轨道的能量无关，它是与原子结构的空间伸展方向有关的参数。
      • 在一个电子亚层中，各原子轨道的能量是相等的，这种能量相等的原子轨道称为简并 轨道，简并轨道的数目称为简并度。
    • 自旋量子数m
  • 5 原子轨道和电子云的图像
    • 原子轨道角度分布图突出地表示了原子轨道的极大值方向以及原子轨道的正负号，它将在化学键的成键方向 以及能否成键方面有着重要的意义，这将在分子结构中加以讨论。
• 4️⃣核外电子的排布
  • 1 多电子原子的能级
    • 屏蔽效应
      • 在多电子原子中，电子不仅受到原子核的吸引，而且电子和电子之间存在着排斥作用。
      • 通常把电子实际受到的，发自原子中心的正电荷，称为有效核电荷，用Z表示。
      • 由于屏蔽作用，有效核电荷要小于核电荷。这种将其他电子对 某个电子的排斥作用，归结为抵消一部分核电荷的作用，称为屏蔽效应。
    • 钻穿效应
      • 外层电子可钻入内电子壳层而更靠近原子核，结果降低了其他电子对它的屏蔽作用， 起到了增加有效核电荷降低原子轨道能量的作用。
      • 多电子原子中的钻穿效应，可以借用氢原子的径向概率分布图来粗略地加以解释。
      • 钻穿作用的大小对轨道有明显的影响。不难理解，电子钻的越深，受其他电子屏蔽的作用越小， 受核的吸引力越强，因而能量就越低。
      • 由于电子钻穿作用的不同导致n相同而l不同的轨道能级发生了分裂的现象。
    • 鲍林近似能级图
      • 在多电子原子中，因为屏蔽效应和钻穿效应的影响，多电子原子中电子的能量要由n和l两个量子数决定， 原子中各原子轨道能级的高低主要是根据光谱实验决定的。
      • 原子轨道能级的相对高低情况，如果用图示发近似表示，这就是所谓的近似能级图。
      • 必须指出，鲍林近似能级图反映了多电子原子中原子轨道能量的近似高低，不能认为所有 元素原子中能级高低都是一成不变的，更不能用它来比较不同元素原子轨道能级的相对高低。
  • 2 核外电子排布的规则
    • 能量最低原理
      • 能量越低越稳定，这是自然界的一个普遍规律 原子中的电子也是如此，电子在原子中所处状态总是尽可能使整个体系的能量最低，这样的体系最稳定。
      • 多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能使整个体系的能量最低， 这样的体系最稳定。
    • 保利不相容原理
      • 在一个原子中不可能有4个量子数完全相同的两个电子存在，或者说在同一个原子中没有运动状态完全相同的电子。
    • 洪特规则 （等价轨道原理）
      • 电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自旋相同的状态，尽可能分占不同的轨道 或者说在等价轨道中自旋状态相同的单电子越多，体系就越稳定。
• ⑤元素周期律
  • 1 元素周期表
    • 元素周期表是元素周期律的具体表现形式。
    • 周期
      • 7个周期 第一周期有2种元素（特短周期 第二 三周期各有8种元素（短周期 第四 五周期共有18种元素（长周期 第六周期32种元素（特长周期） 第七周期 （不完全周期）
    • 族和区
      • 元素原子的价电子结构，决定该元素在周期表中所处的族数。
  • 2 原子结构与元素性质的关系
    • 原子半径
      • 共价半径 金属半径 范德华半径
      • 同种元素的两个原子以共价单键连接时，它们核间距的一半称为该原子的共价半径
      • 把金属晶体看成是由球状的金属原子堆积而成的，假定相邻的两个原子彼此互相接触，它们核间距离的一半 就是该原子的金属半径
      • 当两个原子之间没有化学键而只靠分子间作用力互相接近时，两个原子核之间的距离的一半称为范德华半径
      • 一般来说，原子的金属半径比共价半径大些，这是因形成共价键时，轨道的重叠程度大些，而范德华半径的值 总是较大，因此分子间力不能将单原子分子拉得很紧密。
    • 电离能
    • 电子亲和能
      • 某元素的一个基态的气态原子得到一个电子形成气态负离子时所放出的能量叫该元素的电子亲和能
    • 电负性
      • 电负性最高的是氟，电负性最低的是钫和铯
      • 金属元素的电负性在2.0以下，非金属元素的电负性在2.0以上