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第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
课时四 泡利原理、洪特规则、能量最低原理
学习目标
1.掌握泡利原理、洪特规则、能量最低原理，能够根据三条规则书写轨道表示式，熟知核外电子排布的表示方法。
2.掌握1～36号元素的原子核外电子轨道表示式。
3.能够根据核外电子的表示方法，推导出对应的原子或离子。
01
知识回顾
原子
光谱
能量
量子化
能级
能层
原子结构示意图
构造原理
问题：每个原子轨道中最多可容纳两个电子，那么这两个电子的运动状态有什么差异吗？
原子轨道
电子排布式
Na
1s22s22p63s1
每个原子轨道中最多可容纳两个电子
泡利原理
02
泡利原理
资料卡片-电子自旋
钠原子光谱实验
斯特恩-盖拉赫实验
提出猜想 ：轨道中的单电子可能存在两种不同的运动状态
1925年：乌伦贝克和哥德斯密“电子自旋”概念的提出
只有1个最外层电子的碱金属原子光谱会在光谱里呈现双线
只有1个最外层电子的银原子在外加电场里加速飞行通过一个不对称磁场时会分成两束
02
泡利原理
电子自旋有顺时针和逆时针两种状态，常用上下箭头（↑和↓）表示自旋状态相反的电子。
自旋是微观粒子的内在属性，如同它的电荷、质量一样。
电子自旋
02
泡利原理
基于光谱事实，在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反，这个原理是由泡利首先提出，
称为泡利原理，也称泡利不相容原理。
同一个原子中不能有两个或两个以上的电子处于完全相同的运动状态。
02
泡利原理
电子排布的轨道表示式
常用轨道表示式研究原子的核外电子在原子轨道中的排布。
1、用方框(或圆圈)表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连。
2、各轨道按照离核由近到远，从左到右依次排列，且在方框的下方用能级符号表示轨道所属能级。
3、用箭头表示处于特定自旋方向的电子。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
02
泡利原理
电子排布的轨道表示式
常用轨道表示式研究原子的核外电子在原子轨道中的排布。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
电子对
单电子(或未成对电子)
箭头同向的单电子称自旋平行。
↑
↑
2p
02
泡利原理
同一个原子轨道:
只有一个电子
2
1
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
电子对
自旋方向相反的一对电子
单电子
B 原子中: 有 对电子对，有 个单电子。
电子排布的轨道表示式
02
泡利原理
电子排布的轨道表示式
有 种空间运动状态，有 种运动状态不同的电子。
3
5
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
轨道数
电子数
02
泡利原理
请写出基态Li、Be、B的轨道表示式。
Li
1s 2s
↑↓
↑
【巩固 评价】
Be
1s 2s
↑↓
↑↓
B
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
简并轨道的空轨道也要画出来。
02
泡利原理
【思考 讨论】
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑↓
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↑
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑↑
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↓
√
不符合泡利原理
请写出基态碳原子可能的轨道表示式。
洪特规则
03
洪特规则
基态原子中，填入简并轨道的电子总是优先以自旋平行方式分别占据不同轨道，称为洪特规则。
1925年，洪特在诠释复杂原子光谱时，得出判断基态原子光谱的三条经验规则，后人归并简化为一条：
03
洪特规则
【思考 讨论】
请写出7-24号元素原子的轨道表示式
K
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑
Ca
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
03
洪特规则
请写出7-24号元素原子的轨道表示式
Sc
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
Ti
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
V
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
↑
03
洪特规则
Cr
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
↑
请写出7-24号元素原子的轨道表示式
↑
Cr
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
3d
↑
↑
↑
↑
↑
↑
思考：哪一种轨道表示式正确表达了基态铬原子核外电子的排布呢？
03
洪特规则
洪特规则特例*
能量相同的简并轨道在______、_____和_______条件时，体系能量较低，原子较稳定。
光谱实验发现
3d 4s
↑↓
Cr
↑
↑
↑
↑
3d 4s
↑
Cr
↑
↑
↑
↑
↑
只有一组全满的简并轨道
有两组半满的简并轨道
全满
半满
全空
半充满状态
√
03
洪特规则
洪特规则特例*
能量相同的简并轨道在______、_____和_______条件时，体系能量较低，原子较稳定。
光谱实验发现
全满
半满
全空
3d 4s
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
3d 4s
↑↓
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
全充满状态
√
能量最低原理
04
整个原子的能量由____________、____________和 ___________三个因素共同决定。
能量最低原理
核电荷数
电子数
电子状态
在构建基态原子时，电子将尽可能地占据 的原子轨道，使整个原子的能量最低。
能量最低
04
能量最低原理
① 相邻能级能量相差很大时，电子填入能量较低的能级可使原子能量最低。如所有主族元素的基态原子。
② 当相邻能级能量差别不大时，有1-2个电子填入能量稍高的能级可能反而降低电子的排斥能，进而使原子整体能量最低。如所有副族元素的基态原子。
04
能量最低原理
【思考 讨论】
不符合能量最低原理
(1)为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1
(2)为什么基态氮原子的轨道表示式是 ，而不是
(3)为什么基态Sc的价电子是3d1 4s2，而不是4s3
不符合洪特规则
不符合泡利原理
04
能量最低原理
【思考 讨论】
(1)下列轨道表示式中哪个是硼的基态原子 为什么
(2)下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子 为什么
√
√
不符合泡利原理
不符合洪特规则
04
能量最低原理
【思考 讨论】
1s
↑
↑↓
2s
2p
A
1s
↑
↑↓
2s
2p
B
1s
↑↓
↑
2s
2p
C
1s
↑↓
↑
2s
2p
D
基态原子
激发态原子： 1个电子1s→2s
还有1个电子1s→2p
激发态原子：1个电子1s→2s
激发态原子： 2个电子1s→2p
以下锂原子的轨道表示式表示的状态中，能量最高的是（ ），能量最低的是（ ）
C
D
04
能量最低原理
原子结构示意图 电子排布式 轨道表示式
意义 原子或离子各能层上的核外电子总数的式子 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子
实例 1s22s22p63s23p63d64s2 [Ar]3d64s2 3d64s2
原子结构的表示方法
简化电子排布式
价层电子排布式
04
能量最低原理
1.下列化学用语的表达正确的是
A.原子核内有10个中子的氧原子：
B.氯原子的结构示意图：
C.Fe3＋的最外层电子排布式：3s23p63d5
D.基态铜原子的价层电子轨道表示式：
√
【巩固 评价】
04
能量最低原理
原子核内有10个中子的氧原子的质量数为10＋8＝18，应该表示为 ，故A错误；
氯原子核外电子总数为17，则氯原子的结构示意图为 ，故B错误；
铁为26号元素，铁离子最外层电子数为13，根据构造原理可得：Fe3＋的最外层电子排布式为3s23p63d5，故C正确；
Cu是29号元素，其原子核外有29个电子，基态原子价层电子排布为3d104s1，图示中3d和4s能级电子数目不符，基态铜原子的价层电子轨道
表示式为 ，故D错误。
04
能量最低原理
2.下列有关化学用语中不能体现氮原子核外电子能量有差异的是
A.
B.
C.
D.1s22s22p3
√
【巩固 评价】
05
课堂总结
泡利原理、洪特规则
能量最低原理
洪特规则
泡利原理
在一个原子轨道里：最多只能容纳______个电子，它们的自旋________
2
相反
基态原子：填入__________的电子总是____________，且__________。
简并轨道
先单独分占
自旋平行
课堂练习
06
课堂练习
1．下列轨道表示式能表示基态硫原子最外层结构的是
A. B.
C. D.
3s 3p
↑↓
↑↓
↑
↑
3s 3p
↑↓
↓
↑
↑↓
3s 3p
↑↓
↑↓
↑
3s 3p
↑↓
↑
↑
↑↓
D
06
课堂练习
2.下列硼原子轨道表示式表示的状态中，能量最高的是
A.
B.
C.
D.
A
06
课堂练习
3．基态原子的核外电子填充在6个轨道中的元素有___________种，填充在7个轨道中的元素有___________种。
2 1
原子核外电子填充在6个轨道上的原子，此原子可能排布式为1s22s22p63s1或1s22s22p63s2，所以基态原子的核外电子填充在6个轨道中的元素有2种元素；
填充在7个轨道中的元素有1s22s22p63s23p1共1种。
06
课堂练习
(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，其元
素符号为___；其价层电子轨道表示式为___________________。
N
解析　A元素基态原子的轨道表示式由题意可写成：
，则该元素核外有7个电子，为氮元素，其元素符号为N。
4．A、B、C、D、E、F均为36号以前的元素。请完成下列空白：
06
课堂练习
(2)B元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝____；原子中能量
最高的是_____电子，价电子轨道表示式为____________________。
2
2p
4．A、B、C、D、E、F均为36号以前的元素。请完成下列空白：
06
课堂练习
(3) C元素基态的正三价离子的3d轨道为半充满(即有5个电子)，其元素符号为______，其基态原子的电子排布式为_______。
Fe
1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
3d 4s
↑↓
↑
↑
↑
↑
↑↓
3d 4s
↑
↑
↑
↑
↑
06
课堂练习
4． A、B、C、D、E、F均为36号以前的元素。请完成下列空白：
(4)D元素基态原子的M层全充满；N层没有成对电子，只有一个未成对电子。D的元素符号为___________，其基态原子的价层电子的轨道表示式为___________。
Cu
3d 4s
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
3d10 4s1
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