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第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
教学目标
1、教学目标
1) 知道电子运动的能量状态具有量子化的特征，能从电子跃迁角度初步解释原子光谱的形成，进一步强化“结构决定性质”的观念。
2) 了解原子核外电子排布的构造原理，能写出1~36号元素基态原子的电子排布式，进一步增强证据推理意识。
3) 知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述，能说明微观粒子运动状态与宏观物质运动特点的差异，建立对原子结构的模型认知。
4) 认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则，能写出1~36号元素基态原子的轨道表示式，初步学会运用模型解决实际问题。
教学目标
2、教学重点和难点
1) 重点：根据构造原理写出1~36号元素的基态原子的电子排布式；核外电子的运动状态，电子云与原子轨道；泡利原理和洪特规则。
2) 难点：基态、激发态与原子光谱；电子云与原子轨道。
导入新课
绚丽多彩的烟花
焰色试验：很多金属或它们的化合物在灼烧时都会使火焰呈现特殊的颜色，据此判断试样所含金属元素，把这种定性分析操作称为焰色试验。
原子理论发展史
1803年，英国科学家道尔顿才把原子从一个扑朔迷离的哲学名词变为化学中具有确定意义的实在微粒，并提出了原子论
1904年汤姆孙在发现电子的基础上提出原子结构的“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根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。
1913年丹麦科学家玻尔根据原子光谱实验，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。
1936年马德隆发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理。
一、能层与能级
1、能层
(1) 划分依据：
(2) 能层序数：
(3) 符号表示：
(4) 能量关系：
核外电子按能量不同分成能层(即电子层)。
分别为1、2、3、4、5、6、7
分别用K、L、M、N、O、P、Q
能层越高，电子的能量越高
即： E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)
思考：同一能层中电子的能量是否就相同的呢？
一、能层与能级
2、能级
1) 划分依据：
2) 种类代号：
3) 表示方法：
4) 能量关系：
5) 最大容量：
同一能层，又按能量被分成不同能级。
任一能层的能级总是从s能级开始，按s、p、d、f …… 排序，且：能层的能级数＝能层序数
能层序号＋能级代号：1s、2s、2p、3d、4f……
同能层不同能级顺序：E(ns)s、p、d、f能级中最多可容纳的电子数依次为1、3、5、7……的2倍
一、能层与能级
能层 K L M N ……
能级 ……
最多 电子数
2 8 18 32 2n2
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
2
2
2
2
6
6
6
10
10
14
练、下列能级符号①5s、②2d、③3f、④6p表示正确的组合是 (　　)
A．①④ B．②③ C．③④ D．①②
练、下列各能层不包含d能级的是 (　　)
A．N B．M C．Q D．K
思考：电子的能量及电子所在能级是否就一成不变呢？
基态
激发态
原子光谱
二、基态与激发态 原子光谱
1、基态原子与激发态原子
1) 定义
基态原子：
激发态原子：
2) 关系：
处于最低能量状态的原子
基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高能级，变为激发态原子。相反……
基态原子
吸收能量
激发态原子
释放能量
思考：化学反应中的能量变化通常以热、光的形式呈现，那么，电子发生跃迁时能量变化又以什么形式呈现呢？
光(辐射)是电子跃迁是释放能量的重要形式
二、基态与激发态 原子光谱
2、原子光谱与光谱分析
1) 原子光谱
① 定义:
② 类型:
③ 生活实例:
不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的吸收或发射光谱，总称原子光谱。
发射光谱 (高跃到低)
暗色背景明亮谱线
吸收光谱 (低跃到高)
明亮背景暗色谱线
霓虹灯
二、基态与激发态 原子光谱
2、原子光谱与光谱分析
2) 光谱分析
定义:
依据:
应用:
现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
一种元素对应一种原子光谱
焰色试验
解释：基态原子→吸收能量→激发态原子→以光的形式释放能量→较低能量的激发态或基态原子。
知识回顾
能层 K L M N ……
能级 ……
最多 电子数
2 8 18 32 2n2
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
规律：①能层的能级数＝能层序数
2
2
2
2
6
6
6
10
10
14
②以s、p、d、f······排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7······的2倍。
③同一能层不同能级电子的能量：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)
④不同能层相同能级电子的能量：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)
三、构造原理与电子排布式
活动：根据已学的知识，试写出铁原子的原子结构示意图。
阅读教材：请同学们阅读课本第8 ~ 10页。
1、构造原理：
以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
1) 原子核外电子的填充顺序
1s→2s→2p→
3s→3p→4s→3d→4p→
5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p
2) 能级交错现象：
随着核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。 如：4s→3d→4p
规律：ns＜(n 2)f＜(n 1)d＜np
三、构造原理与电子排布式
2、电子排布式：用核外电子填充的能级符号及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。
活动：阅读课本P9-10表1-1，总结电子排布式的书写原则。
按照构造原理写出电子填充能级的顺序；
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p······
根据各能级容纳的电子数填充电子；
去掉空能级，并按照能层顺序排列。
1) 电子排布式的书写原则
三、构造原理与电子排布式
练、(1)试写出钠、钾、铁基态原子的电子排布式
(2)写出稀有气体氦、氖、氩、氪基态原子的电子排布式，寻找它们的共同点？
11Na：1s2 2s22p6 3s1
19K：1s2 2s22p6 3s23p6 4s1
26Fe：1s2 2s22p6 3s23p6 3d64s2
2He：1s2
10Ne：1s2 2s22p6
18Ar：1s2 2s22p6 3s23p6
36Kr：1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6
2) 简化电子排布式：将电子排布式中的内层电子已达到稀有气体结构的部分 (可称为原子实) 用对应元素符号外加方括号表示的式子。
三、构造原理与电子排布式
练、请分别写出26Fe、33As和35Br基态原子的简化电子排布式
26Fe：[Ar]3d6 4s2
33As：[Ar]3d10 4s24p3
35Br：[Ar]3d10 4s24p5
2) 简化电子排布式：将电子排布式中的内层电子已达到稀有气体结构的部分 (可称为原子实) 用对应元素符号外加方括号表示的式子。
活动：找找As、Br和Fe常见化合价与电子排布式间的联系？
价电子：将在化学反应中可能发生电子变动的能级上的电子
主族元素：一般是在最外面能层的电子 (即：最外层电子)
过渡元素：通常包括最外能级组的电子 (即：最外层电子和部分内层电子)
三、构造原理与电子排布式
3) 价层电子层：为突出化合价与电子排布式的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)
练、写出25Mn、23V基态原子的价层电子排布式，并推测25Mn、23V两种元素可能的化合价。
25Mn：3d54s2
23V：3d34s2
+2、+3、+4、+5、+6、+7
+2、+3、+4、+5、
三、构造原理与电子排布式
练、基态Fe2＋的价层电子排布式：____________
基态Fe3＋的简化电子排布式：____________
基态Cl 的核外电子排布式：_____________
3d6
[Ar]3d5
1s22s22p63s23p6
或 [Ne]3s23p6
课堂小结
原子的核外电子排布
排布规律
表示方法
构造原理
能量最低原理
泡利原理
洪特规则
电子排布式
简化电子排布式
价电子排布式
轨道表示式
四、电子云与原子轨道
思考：原子核外电子的运动状态是怎样的呢？
印象中：质量小、运动空间大、运动速率快
1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上运行
薛定谔
1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可用一个数学方程描述核外电子的运动状态，为近代量子力学奠定了理论基础。量子力学推翻了玻尔的氢原子模型。
量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不是在波尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同。
四、电子云与原子轨道
1、概率密度＝
(P：电子在某处出现的概率；V：该处的体积)
P
V
氢原子1s电子的概率密度分布图
2、概率密度分布图与电子云图
1) 小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。
2) 小点并不是电子本身，只表示电子曾在这里出现过一次；小点的疏密表示电子在原子核外空间出现的概率大小。
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为“电子云”。
四、电子云与原子轨道
3、电子云图与电子云轮廓图
电子云图难绘制、使用不便
概率P＝90%的空间圈出来
电子云轮廓图
1s电子的电子云轮廓图绘制过程
四、电子云与原子轨道
3、电子云图与电子云轮廓图——s电子云
1s 2s 3s 4s
同一原子的s电子云轮廓图
你发现了什么规律？
① 不同能层的s电子的电子云轮廓图形状相同，均为球形；
② 能层越高， s电子的电子云半径越大。
原因：由于电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩散。
四、电子云与原子轨道
3、电子云图与电子云轮廓图——p电子云
p电子云有什么特点？
p电子的电子云形状相同，均为哑铃形；且px、py、pz 的电子云互相垂直。
四、电子云与原子轨道
3、电子云图与电子云轮廓图
s电子有一种空间运动状态，p电子有三种空间运动状态
量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
四、电子云与原子轨道
4、原子轨道：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
能级 s p d f
最多可容纳电子数 2 6 10 14
原子轨道数
每个轨道容纳电子数
练、请填写下表，并预测d、f能级中的原子轨道数量。
1
3
2
2
2
2
5
7
注：①同一能级的几个原子轨道的能量相同。
②把同一能级的几个能量相同的原子轨道称为简并轨道
四、电子云与原子轨道
请整理能层、能级和原子轨道之间的关系，并填表。
能层
能级
原子轨道数
原子轨道名称
电子云轮廓图的形状和取向
形状 取向
K
L
M
N
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
1s
2s
2px、2py、2pz
3s
3px、3py、3pz
4s
4px、4py、4pz
球形
球形
哑铃(纺锤)形
球形
哑铃(纺锤)形
球形
哑铃(纺锤)形
相互垂直
相互垂直
相互垂直
回顾
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d ......
各能级 轨道数 ......
各能层 轨道数
最多容纳 电子数
1
1
1
3
3
5
1
4
9
n2
2
8
18
2n2
提出问题：为什么每个轨道最多能容纳两个电子呢？同一轨道中的两个电子的状态是否完全相同呢？
资料卡片-电子自旋
资料卡片-电子自旋
钠原子光谱实验
最外层只有1个电子的碱金属原子光谱会在光谱里呈现双线
斯特恩-盖拉赫实验
最外层只有1个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
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：“电子自旋”概念的提出
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
1、电子自旋与泡利原理
(1)电子自旋：
电子除空间运动状态外，还有一种运动状态叫做自旋，电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，分别用“↑”和“↓”表示自旋相反的电子。
(2)泡利原理：
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反。(又称泡利不相容原理)
说明：(1)自旋是微观粒子普遍存在的一种内在属性。
(2)电子运动状态由能层、能级、原子轨道和自旋状态4个方面共同决定；电子的能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关。
(3)一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
思考：核外电子在原子轨道中的排布应该如何表示？
2、轨道表示式 (又称电子排布图)：
表述电子排布的一种图式
如：基态Al原子轨道表示式：
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
↑
↑
3s
↑
3p
↑
↑
↑
↑
Al：
原子轨道
能级符号
“↑↓”代表自旋相反的电子对
能量相同的原子轨道(简并轨道)
单电子
(未成对电子)
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
练、请写出基态碳原子可能的轨道表示式
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
①
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
②
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
③
思考：哪一种轨道表示式正确表达了基态碳原子核外电子的排布呢？
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
3、洪特规则：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
①
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
②
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
③
√
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
洪特规则特列：简并轨道全充满、半充满或全空状态是能量较低的稳定状态。
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
如24Cr：
只有一组全满的简并轨道
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
有两组半满的简并轨道
√
练、请写出29Cu的价层电子的轨道表示式
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3d
↑
4s
↑
↑
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
4、能量最低原理：
在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。
观察与思考：以下几种元素的基态原子的价电子排布并分析：是否符合构造原理及洪特规则特例？如何理解这些排布方式？
Nb: 4d45s1 Ru:4d75s1 Rh:4d85s1 W:5d46s2
以上四种元素的基态原子价层电子排布既不遵守构造原理，也不能用洪特规则特例来解释。但根据客观事实，以上排布符合能量最低原理。
总结：原子核外电子的运动状态和排布规律
核外电子
运动状态
核外电子
排布规律
核外电子排布表示方法
能量的量子化
能层
能级
原子轨道
电子自旋
原子结构示意图
构造原理
电子排布式
泡利原理
洪特规则
洪特规则特列
能量最低原理
轨道表示式
随堂检测
练、下列核外电子排布式(或轨道表示式)不正确的是( )
基态Cr的电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1
B. 基态K的简化电子排布式：[Ar]4s1
C. 基态N原子的核外电子轨道表示式：
D. 基态S原子的核外电子轨道表示式：
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
↑
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3s
↑
3p
↑
↑
↑
随堂检测
练、已知X、Y、Z、W、Q、R、E七种元素的原子序数依次增大，其原子或离子结构或性质信息如下表所示。
元素 结构或性质信息
X 原子的L层上s电子数等于p电子数
Y 元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1
Z 单质在常温常压下是气体，原子的M层上有1个未成对的p电子
W 元素的正一价离子的电子层结构与氩相同
Q 元素的核电荷数为Y和Z之和
R 元素的正三价离子的3d能级为半充满
E 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
请根据信息回答下列问题：
(1)元素X的原子核外共有____种不同运动状态的电子，有____种不同能级的电子。
(2)元素Y的原子中能量最高的是______电子，其原子轨道呈_______状。
6
3
2p
哑铃
随堂检测
元素 结构或性质信息
X 原子的L层上s电子数等于p电子数
Y 元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1
Z 单质在常温常压下是气体，原子的M层上有1个未成对的p电子
W 元素的正一价离子的电子层结构与氩相同
Q 元素的核电荷数为Y和Z之和
R 元素的正三价离子的3d能级为半充满
E 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
(3)Q的基态原子简化电子排布式为_______________，R的元素符号为_______， E元素原子的价层电子排布式为________。
(4)含有元素W的盐的焰色试验为_________色，许多金属盐都可以发生焰色反应，其原因是______________________________________________________________
_______________________________________。
[Ar]3d54s1
3d104s1
紫
激发态的电子从能量高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以一定波长的光的形式释放能量，形成不同的焰色
Fe
高考真题中的电子排布问题
[2021全国甲卷] Si的价层电子排布式为 。
3s23p2
[2021广东卷] 基态硫原子价电子排布式为 。
3s23p4
[2021山东卷] 基态F原子核外电子的运动状态有 种。
9
[2021湖南卷] 基态硅原子最外层的电子排布图为 。
↑
↑
3s
↑
3p
↑
高考真题中的电子排布问题
[2021河北卷] (1)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排布相同的是 (填离子符号)。
(2)原子中运动电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用+1/2表示，与之相反的用 1/2表示，称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子，其价电子自旋磁量子数的代数和为 。
[2021八省联考湖南卷] As4S4俗称雄黄，其中As基态原子的核外电子排布式为[Ar] ，有 个未成对电子。
K＋和P3
+3/2或 3/2
3d104s24p3
3
As为33号元素
高考真题中的电子排布问题
[2022全国甲卷] 基态F原子的价层电子排布图(轨道表示式)为 。
[2022全国乙卷] 氟原子激发态的电子排布式有 ，其中能量较高的是 (填编号)。
a. 1s22s22p43s1 b. 1s22s22p43d2 c. 1s22s12p5 d. 1s22s22p33p2
[2022全国北京卷] 基态Si原子的价层电子的轨道表示式： 。

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