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2.1 第1课时　人类对原子结构的认识　原子核外电子的运动特征
【学习目标】
1.能举例说明原子结构模型发展演变的历程,认识基于实验证据建构和优化模型的思路。
2.能用轨道和能级概念描述核外电子的运动状态。
【合作探究】
【学习情境】
　　人类对原子及其结构的认识是一个由浅入深、由现象到本质、由不全面到比较全面的不断深化、不断完善的过程。这种过程将继续下去,而不会停止。人类对原子及其结构的认识大约可分为17世纪前古代时期;17、18和19世纪近代萌芽时期;19世纪末、20世纪初近代时期和20世纪20年代至今的现代时期。若以学说、理论为里程碑,与上述时期相应的有古代素朴的原子论、原子—分子论、卢瑟福的原子有核模型和旧量子论——玻尔学说及现代原子结构理论。
任务1　人类对原子结构的认识
【新知生成】
1.根据卢瑟福α粒子散射现象(下图),能得到关于原子结构特点是　 。
2.玻尔原子结构模型的观点主要有:
(1)原子核外电子在一系列　　 　　上运动;电子在原子轨道上运动时,电子既不　　能量,也不　　能量。
(2)不同的原子轨道具有的能量　　　　,轨道的能量变化是　　　　　　。
(3)当电子吸收或放出能量后,电子会在能量不同的轨道上发生　　　　。
3.电子云:用小黑点的疏密来描述电子在原子核外空间出现　　　　的大小所得的图形叫电子云。离核越近,电子出现的机会　　　　,电子云密度越　　　　;离核越远,电子出现的机会　　　　,电子云密度越　　　　。
【答案】1.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电荷的电子在核外空间里绕核旋转
2.(1) 稳定的轨道　放出　吸收　(2) 不同　不连续的　(3) 跃迁
3.机会　越大　大　越小　小
【核心突破】
　　典例1　氢原子的电子云如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.电子云图中小黑点的密度越小,电子数目越少
B.电子云图中小黑点的密度越大,单位体积内电子出现的概率越大
C.所有电子云轮廓图都是球形
D.电子云图中小黑点的密度小,表示电子在该区域内运动的速率慢
【答案】B
【解析】电子在原子核外的运动可以用电子在核外空间出现的概率的大小来描述,通常用小黑点的疏密程度来表示电子在原子核外出现概率的大小。小黑点密集的地方,表示电子在那里出现的概率大;小黑点稀疏的地方,表示电子在那里出现的概率小。这种形象描述电子在核外空间出现概率大小的图形就是电子云。氢原子的电子云轮廓图是球形,但不是所有电子云轮廓图都是球形。
疑难点拨　电子云图中黑点的意义
电子云图中的黑点绝无具体数目的意义,而有相对多少的意义。单位体积内黑点数目较多(黑点密度较大),表示电子在该空间的单位体积内出现的机会相对较大;单位体积内黑点数目相对较少(黑点密度较小),表示电子在该空间的单位体积内出现的机会相对较小。电子的运动无宏观物体那样的运动规律,但有它自身的规律。
　　训练1　1909年,科学家卢瑟福用带正电荷的α粒子轰击金箔,发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生了较大的偏转,极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°而被反弹回来。依据上述实验现象可以得出的推论是 (　　)
A.金原子内的质量是均匀分布的
B.金原子内的正电荷和负电荷是均匀分布的
C.金原子内有体积很小、质量远大于α粒子的核
D.金原子核内含有质子和中子
【答案】C
【解析】绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,说明原子内部绝大部分空间是空的,A项错误;若原子内的正电荷和负电荷是均匀分布的,则不只是少数α粒子发生偏转,而是大多数发生偏转,B项错误;少数α粒子发生了较大的偏转,原因是α粒子在运动中途经原子核附近时,受到斥力,能说明金原子内有体积很小、质量远大于α粒子的核,C项正确;通过上述实验,能说明原子核位于原子中心,质量主要集中在原子核上,但不能说明金原子核内含有质子和中子,D项错误。
任务2　原子核外电子的运动特征
【新知生成】
1.根据电子分层排布示意图,交流讨论:
(1)每一层最多排布的电子数为　 。
(2)54号元素的原子结构示意图为　　　　　　　　　　　。
2.原子轨道是量子力学描述电子在原子核外空间运动的　　　　　　　　,轨道的类型不同,能量不同,形状也不同,包括　　　　　　　　　　　。
完成下表:
轨道符号 …
轨道形状 … …
轨道数目 (轨道伸展方向)
　　3.1个原子轨道最多排　　　　个电子,它们的自旋方向　　　　,　　　　运动状态完全相同的电子。
4.填写下表,并回答下列问题:
电子层 原子轨道(能级)类型 原子轨道数目 可容纳的电子数
1
2
3
4
n
(1)n=4的电子层有　　种原子轨道,有　　个原子轨道,最多容纳的电子数是　　　个,电子有　　　种运动状态。
(2)每层最多容纳的电子数是2n2的原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
5.决定电子能量高低的因素有　 。
【答案】1.(1)2n2,最外层电子数不超过8个(K为最外层时不超过2个),次外层不超过18个,倒数第三层不超过32个
(2)
2.主要区域　s、p、d、f
轨道符号 s p d f …
轨道形状 球形 纺锤形 花瓣形 … …
轨道数目 (轨道伸展方向) 1 3 5 7
　　3.2　相反　没有
4.
电子层 原子轨道(能级)类型 原子轨道数目 可容纳的电子数
1 s 1 2
2 s　p 4 8
3 s　p　d 9 18
4 s　p　d　f 16 32
n — n2 2n2
(1)4　16　32　32
(2)轨道数为n2,每个轨道最多容纳2个电子
5.①电子层:原子轨道符号相同时,电子层序数越大,电子能量越高
②原子轨道:在同一电子层的不同原子轨道中,s、p、d、f轨道的能量依次升高
【核心突破】
　　典例2　s能级和p能级的原子轨道示意图如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.s能级和p能级的原子轨道形状相同
B.每个p能级都有6个原子轨道
C.s能级的原子轨道的半径与电子层序数有关
D.Na原子的电子在11个原子轨道上高速运动
【答案】C
【解析】s轨道为球形,p轨道为纺锤形,它们的原子轨道形状不同,A项错误;每个p能级只有3个原子轨道,B项错误;电子层序数越小,s能级的原子轨道的半径越小,C项正确;Na原子核外有3层电子,电子在1s、2s、2p(有3个原子轨道)、3s共6个原子轨道上高速运动,D项错误。
疑难点拨　要完整地描述某个核外电子的运动状态,必须从电子层、原子轨道的形状、原子轨道的伸展方向和电子的自旋方向四个方面来描述,归纳如下:
其中电子的能量高低由n、l两个方面决定,电子所处的原子轨道是由n、l、m三个方面决定的;电子的运动状态则由n、l、m、ms四个方面决定。
　　训练2　下列有关电子层和能级的叙述正确的是 (　　)
A.M电子层共有s、p 2个能级,最多能容纳8个电子
B.第n电子层中有n个原子轨道
C.第n电子层上有n个能级
D.任一电子层都有s、p能级,但不一定有d能级
【答案】C
【解析】M电子层有s、p、d三个能级,M电子层最多容纳的电子数为2n2=2×32=18个,A项错误;第n电子层上有n2个原子轨道,B项错误;第n电子层上有n个能级,C项正确;K电子层只有s能级,没有p能级,D项错误。
　　训练3　按照量子力学对原子核外电子运动状态的描述,下列说法不正确的是 (　　)
A.原子的核外电子处于能量最低的状态称为基态
B.在一个原子中,不可能出现运动状态完全相同的两个电子
C.原子核外电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,会辐射或吸收能量
D.电子云图中点密集的地方表示电子在此处单位体积内出现的数量多
【答案】D
【解析】基态是电子按构造原理的顺序进入原子核外的轨道,此时整个原子的能量最低,基态原子是处于最低能量状态的原子,A项正确;1个原子中有几个电子就有几种运动状态,在一个原子中,不可能出现运动状态完全相同的两个电子,B项正确;原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,不同的轨道能量不同,且能量是量子化的,电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,才会辐射或吸收能量,C项正确;小黑点密度大表示电子在原子核外空间的单位体积内出现的概率大,D项错误。
课堂小结
【随堂检测】
1.多电子原子中,原子轨道能量高低排列错误的是 (　　)
A.2s<3s<4s B.2px<2py<2pz C.3s<3p<3d D.2s<3p<4d
【答案】B
【解析】在多电子原子中,原子轨道的能量与电子所处的电子层、原子轨道的形状有关。当电子层和轨道形状确定时,电子的能量就确定了,电子能量与原子轨道的伸展方向无关,B项错误。
2.下列说法中正确的是 (　　)
A.3p能级有两个轨道
B.处于最低能量的原子叫作基态原子
C.同一原子中,1s、2s、3s电子的能量逐渐减小
D.同一原子中,2p、3p、4p能级的轨道数依次增多
【答案】B
【解析】3p能级有三个轨道,A项错误;处于最低能量的原子叫作基态原子,B项正确;同一原子中,1s、2s、3s电子的能量逐渐增大,C项错误;同一原子中,2p、3p、4p能级的轨道数都是3,D项错误。
3.下列说法中不正确的是 (　　)
A.同一原子中,2s、3s、4s轨道离原子核的平均距离依次增大
B.同一原子中,2p、3d、4f轨道的原子轨道数依次增多
C.p轨道呈纺锤形,随着电子层的增加,p轨道的数量也在增多
D.npx、npy、npz轨道上的电子具有相同的能量,其电子云的形状也相同
【答案】C
【解析】同一原子中,电子层数越多,表示原子轨道离原子核的平均距离越大,A项正确;2p、3d、4f轨道的原子轨道数依次为3、5、7,依次增多,B项正确;无论在哪个电子层,p轨道数都是3,C项错误;同一电子层形状相同的原子轨道的能量相等,其电子云的形状也相同,D项正确。
4.图1、图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关叙述正确的是(　　)。
图1
图2
A.图1中的每个小黑点表示1个电子
B.图2表示1s电子只能在球体内出现
C.图2表明1s轨道呈球形,有无数对称轴
D.图1中的小黑点表示某一时刻,电子在核外所处的位置
【答案】C
【解析】小黑点表示在原子核外空间电子出现的概率,A项错误;图2中,在界面内出现电子的概率大于90%,界面外出现电子的概率不足10%,B项错误;球形轨道沿剖面直径连线,所以有无数对称轴,C项正确;小黑点表示在原子核外空间电子出现的概率,D项错误。
5.下列关于能层(电子层)、能级和轨道之间的关系不正确的是 (　　)
A.每个能层上所有的能级数与能层的序数相等
B.每个能层(K、L、M…)上所有的轨道数分别为1、3、5…
C.每个能级(s、p、d…)上所有的轨道数分别为1、3、5…
D.每个能层(n)上所有的轨道总数为n2
【答案】B
【解析】每个能层所包含的轨道数等于该能层各能级的轨道数之和,即能层序数的平方(n2)。
6.回答下列问题:
(1)在基态多电子原子中,关于核外电子能量的叙述错误的是　　　　(填字母,下同)。
a.最易失去的电子能量最高
b.同一个电子层上不同能级的原子轨道的能量大小不同
c.p轨道电子能量一定高于s轨道电子能量
d.在离核最近区域内运动的电子能量最低
(2)下列说法正确的是　　　　。
a.一个原子轨道上只能有1个电子
b.处在同一原子轨道上的电子运动状态完全相同
c.处在同一电子层上的电子(基态)能量一定相同
d.处在同一能级中的电子(基态)能量一定相同
(3)比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低。
①1s,3d:　　　　;②3s,3p,3d:　　　　　　　　; ③2p,3p,4p:　　　　　;④3px,3py,3pz:　　　　　。
(4)基态铝原子核外电子云有　　　　种不同的伸展方向,共有　　　　种不同能级的电子,有　　　　种不同运动状态的电子。
【答案】(1)c　(2)d　(3)①1s<3d　②3s<3p<3d　③2p<3p<4p　④3px=3py=3pz　(4)4　5　13
【解析】(1)能量越高的电子在离核越远的区域内运动,也就越容易失去,a项正确;多电子原子在第n层中不同能级的能量大小顺序为E(ns)(2)同一原子轨道上最多容纳2个电子,并且自旋方向相反,a、b两项均错误;电子的能量由电子层和能级共同决定,同一电子层(n相同),根据能量的不同又分为不同的能级,所以同一电子层不同能级上的电子的能量不同,c项错误;处在同一能级中的电子能量相同,d项正确。
(3)在多电子原子中,原子轨道能量的高低存在如下规律:①形状相同的原子轨道能量的高低:1s<2s<3s<4s,3d<4d<
5d;②相同电子层上原子轨道能量的高低:ns(4)铝原子电子排布式为1s22s22p63s23p1,s轨道只有1种伸展方向、p轨道有3种伸展方向,Al原子核外有13个电子,涉及3个s轨道、2个p轨道,因此其核外电子云(轨道)的伸展方向有4种;有5种不同能级的电子;核外13个电子的运动状态各不相同,因此核外有13种不同运动状态的电子。
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