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第一章　
原子结构与性质
第一节　
原子结构
第2课时　
构造原理　电子云与原子轨道
[明确学习目标]
1．了解构造原理，熟记基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序。
2．能正确书写1～36号元素基态原子的核外电子排布式。
[核心素养对接]
1．宏观辨识与微观探析：通过认识原子结构及核外电子排布，辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态。
2．证据推理与模型认知：结合原子结构模型的演变过程，能论证证据与模型的建立及其发展之间的关系。
课前篇
·
自主学习固基础
一、构造原理
[知识梳理]
随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子，这个电子大多是按如图所示的能级顺序填充的，填满一个能级再填下一个能级。
能层　
能级
二、电子排布式
将能级上所容纳的电子数标在该能级符号的________角，并按照________从左到右的顺序排列的式子，称为电子排布式。
右上　
能层
三、电子云
1．电子运动的特点
现代量子力学指出，不可能像描述宏观物体运动那样确定核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定在原子核外各处出现的________。用P表示电子在某处出现的________，V表示该处的体积，则称为__________，用ρ表示。
概率　
概率　
概率密度　
2．电子云
电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的__________分布的形象化描述。小点越密，表示概率密度越大。由于核外电子的__________分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。
概率密度　
概率密度
四、原子轨道
量子力学把电子在原子核外的一个_____________称为一个原子轨道。
能级 符号 电子云 形状 空间延伸方向
s ____形 ____种
空间运动状态
球　
一　
能级 符号 电子云 形状 空间延伸方向
p ____形 ____种(相互垂直，分别相对于x、y、z轴对称)
d — —
f — —
哑铃
三
[自我排查]
一、微判断
(1)电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定轨道上高速旋转(　　)
(2)1s电子云示意图，一个小点表示一个自由运动的电子
(　　)


(3)1s电子云中小点的疏密表示电子在某一位置出现机会的多少(　　)
(4)能层序数越大，s电子云的半径越大(　　)


二、填空
(1)根据构造原理，试比较下列能级的能量高低(填“>”或“<”)。
①4s________3d；②6s________4f________5d。
(2)根据构造原理，写出下列基态原子的核外电子排布式
①2He：______________________________________；
<　
<　
<
1s2　
②8O：__________________________________________；
③10Ne：________________________________________；
④14Si：________________________________________；
⑤18Ar：________________________________________；
⑥19K：__________________________________________。
1s22s22p4
1s22s22p6　
1s22s22p63s23p2
1s22s22p63s23p6　
1s22s22p63s23p64s1
课堂篇
·
重点难点要突破
研习1　构造原理
元素周期表中铁元素的相关内容如图：
[探究活动]
[问题探讨]
1．上图中3d64s2表示的含义是什么？
提示：3d64s2是指铁的价层电子排布式，表示在化学变化中可能发生电子变动的铁的能级电子排布。
2．你能写出铁的电子排布式和简化电子排布式吗？
提示：铁的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2；简化电子排布式为[Ar]3d64s2。
3．书写电子排布式时，电子是不是先填满一个能层后再开始填入下一个能层？原因是什么？铁的电子排布式为什么不书写成1s22s22p63s23p63d8
提示：不是；因为会出现能级交错现象，如电子按3p→4s→3d的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充；铁的电子排布式不能书写成1s22s22p63s23p63d8的原因是4s能级的能量低于3d能级的能量，电子首先填充在能量低的能级。
4．钠的电子排布式可简化为[Ne]3s1，上式方括号里的符号的意义是什么？请仿照钠原子的简化电子排布式写出硅和铜(29号元素)的简化电子排布式。
提示：[Ne]是指该部分与Ne的电子排布式相同；硅和铜的简化电子排布式分别为[Ne]3s23p2、[Ar]3d104s1。
5．依据铁的价层电子排布式，你能写出Al、S、Mn(25号元素)的价层电子排布式吗？
提示：Al：3s23p1；S：3s23p4；Mn：3d54s2。
[重点讲解]
1．构造原理的含义
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。在多电子原子中，电子先排在能量较低的能级上，然后依次排在能量较高的能级上。
2．构造原理示意图
3．“能级交错”现象
由构造原理可知，随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。电子是按3p→4s→3d的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充的，这种现象被称为能级交错。当出现d能级时，电子按(n－1)p、ns、(n－1)d的顺序填充；当出现f能级时，电子通常按(n－1)p、ns、(n－2)f、(n－1)d的顺序填充。
4．根据构造原理理解各能级的能量大小关系
(1)不同能层中的同种能级，能层序数越大，能量越高。例如，1s<2s<3s……，2p<3p<4p……。
(2)同一能层中，各能级之间的能量大小关系是ns(3)能层和能级都相同的各原子轨道能量相等。例如，2px＝2py＝2pz。
(4) 从第三能层开始出现能级交错现象，能级交错的顺序即为能量由低到高的顺序：Ens[典例1]　下列有关能层和能级的叙述中，正确的是
(　　)
A．M能层有s、p共2个能级，有4个原子轨道
B．3d能级最多容纳10个电子，3f能级最多容纳14个电子
C．无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2
D．任一能层都有s、p能级，但不一定有d能级
C
解析：A错，M能层有s、p、d共3个能级，有9个原子轨道。B错，从N能层开始有f能级，不存在3f能级。D错，K能层只有s能级，没有p能级。
[举一反三]
1．下列说法正确的是(　　)
A．第三能层有s、p共2个能级
B．3d能级最多容纳5个电子
C．第三能层最多容纳8个电子
D．无论是哪一能层的s能级，最多容纳的电子数均为2
D
解析：每一能层的能级数等于该能层的序数，故第三能层有s、p、d 3个能级，故A错误；s、d能级最多容纳的电子数分别是2、10，故B错误、D正确；每一能层最多容纳的电子数为2n2，第三能层最多容纳18个电子，故C错误。
2．下列有关构造原理的说法错误的是(　　)
A．原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序一般为3p→4s→3d
B．某基态原子部分核外电子的排布式为3s24s2
C．在多电子原子中，电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级
D．从第三能层开始出现能级交错现象，即电子填入能级的顺序与能层顺序不同
B
解析：根据构造原理判断，A项正确；根据构造原理可知，3s与4s能级之间还有3p能级，B项错误；电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级，如某些过渡元素，C项正确；从M能层开始，电子填入的顺序是3s→3p→4s→3d……，与能层的顺序不同，D项正确。
研习2　电子排布式
[探究活动]
[问题探讨]
1．决定电子能量高低的因素有哪些？
提示：①能层：能级符号相同时，能层序数越大，电子能量越高；②能级：在同一能层的不同能级中，s、p、d、f能级的能量依次升高；③在多电子原子中会发生能级交错现象。
2．在多电子原子中，不同能级能量高低有什么关系？1s与3d,3s与3d的能量高低如何？
提示：相同能层上不同能级能量的高低为ns3．电子排布式中各符号的意义是什么？
提示：电子排布式中各符号的意义：
4．如何书写基态原子的电子排布式？
提示：在书写电子排布式时，一般情况下，能层低的能级要写在左边，而不是按照构造原理顺序写。例如，原子序数为21的钪的电子排布式中最后两个能级为3d14s2，不应写成4s23d1。
[重点讲解]
1．原子的电子排布式
(1)简单原子：按照构造原埋将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中。如14Si：1s22s22p63s23p2。
(2)复杂原子：先根据构造原理写出填充电子的能级，然后将同能层的能级移到一起。
如26Fe：先排列为1s22s22p63s23p64s23d6，然后将同一能层的能级排到一起，即该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2。
(3)特殊原子：当能量相等的轨道处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。
如24Cr的电子排布式的书写：
29 Cu的电子排布式的书写：
2．离子的电子排布式
(1)判断该原子变成离子时会得到或失去的电子数。
(2)原子失去电子时，总是先失去最外层电子。一般来说，主族元素只失去最外层电子，而副族和第Ⅷ族元素可能还会进一步失去内层电子。
(3)原子得到电子形成阴离子时，得到的电子填充在最外层的能级上。
[典例2]　隐形战机的核心材料是金属钛，我国探明钛储量世界第一，其有“第三金属”之美誉。下列有关推断不正确的是(　　)
A．钛的原子序数为22
B．钛位于元素周期表第四周期
C．基态钛原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d4
D．钛属于过渡元素
C
解析：由元素周期表可知，钛是22号元素，位于第四周期ⅣB族，A、B正确；钛属于过渡元素，D正确；依据构造原理，4s能级能量低于3d能级，故应先排满4s能级后再排3d能级，则基态钛原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，C错误。
1．下列属于基态原子电子排布式的是(　　)
A．1s12s1 B．1s22s12p1
C．1s22s22p63p1 D．1s22s22p63s2
[举一反三]
D
解析：A、B、C三项基态原子的电子排布式应分别为1s2、1s22s2、1s22s22p63s1。
2．(1)某元素的原子序数为33，则：
① 该元素原子的核外电子总数是________；
② 该元素原子有________个电子层，________个能级；
③ 该元素原子的电子排布式为_____________________。
(2)写出S、Cl－的电子排布式：
①S________________；② Cl－：________________。
33　
4　
8　
1s22s22p63s23p63d104s24p3
1s22s22p63s23p4　
1s22s22p63s23p6
解析：(1)某元素的原子序数为33，原子的核外电子总数等于原子序数，则该元素原子的核外电子总数为33。根据核外电子的排布规律，可知该元素原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3，则含有4个电子层，8个能级。
(2)①S的原子序数为16，核外电子数为16，核外电子排布式为1s22s22p63s23p4。
②Cl的原子序数为17，Cl－的核外电子数为18，核外电子排布式为1s22s22p63s23p6。
研习3　电子云
[探究活动]
如图是氘原子及1s电子云轮廓图的绘制过程：
[问题探讨]
1．电子的质量很小，约为9.109 5×10－31 kg，原子核外电子的运动有何特点？
提示：电子的质量很小，运动速度很快(接近光速)，相对于原子和电子的体积而言，电子运动的空间较大，因此无法准确确定某一时刻电子的运动状态。
2．图中的小点是不是代表一个电子？若不是代表一个电子，那么图中小点代表的是什么？
提示：氘原子只有一个电子，那么图2中大量的小点不是电子本身。图中小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象化描述。
3．电子云轮廓图中的小点密度的大小是否表示电子的多少？
4．任一能级s电子云的形状相同吗？2p、3p电子云的形状相同吗？
提示：不是；它是电子出现的概率密度，小点越密，表明概率密度越大。
提示：相同，s电子云的形状均为球形；相同，2p、3p电子云的形状均为哑铃形。
5．什么是原子轨道？M层共有几个原子轨道？
提示：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；M层含3s、3p、3d三个能级，共9(1＋3＋5)个原子轨道。
[重点讲解]
1．电子云
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。换句话说，电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。
2．电子云轮廓图
(1) 含义
绘制电子云轮廓图的目的是表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。例如，绘制电子云轮廓图时，把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，如图所示。
电子云轮廓图的绘制过程
(2) s电子、p电子的电子云轮廓图
所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是球形，同一原子的能层越高，s电子云的半径越大，如图所示。这是由于1s、2s、3s……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展。
同一原子的s电子的电子云轮廓图
除s电子云外，其他电子云轮廓图都不是球形的，如p电子云轮廓图是哑铃形的。每个p能级都有3个相互垂直的电子云，分别称为px、py和pz，如图所示。p电子云轮廓图的平均半径随能层序数的增大而增大。
3．原子轨道
(1) 定义
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于轨道。各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。
注意：这里所说的原子轨道与宏观物体的运动轨迹不同，它是量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。
(2) 不同能层的能级、原子轨道及电子云轮廓图
注：d轨道和f轨道各有其名称、形状和取向，此处不作要求而从略。
[典例3]　下列说法正确的是(　　)
A．2p能级有3个p轨道
B．不同的原子轨道的形状一定不同
C．同一能层的p轨道电子能量不一定高于s轨道电子能量
D．p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形
A
解析：任何能层的p能级都有3个p轨道，A项正确；不同能级的原子轨道的形状可能相同，如1s、2s能级的原子轨道都是球形，只是球的半径不同，B项错误；同一能层的p轨道电子能量一定高于s轨道电子能量，C项错误；电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述，而不是电子的实际运动轨迹，D项错误。
1．图中甲、乙分别是1s电子的概率密度分布图和电子云轮廓图。下列说法正确的是(　　)
[举一反三]
A．图甲中每个小点表示1个电子
B．图乙表明1s电子云轮廓图呈球形，有无数条对称轴
C．图乙表示1s电子只能在球体内出现
D．不同能层的s电子云轮廓图的半径相等
解析：电子云中小点的疏密程度描述的是电子在原子核外空间出现的概率大小，而非每个小点表示1个电子，A项错误；由图乙可知，1s电子云轮廓图呈球形，有无数条对称轴，B项正确；1s电子云轮廓图为球形，球体代表1s电子在原子核外空间出现概率P≥90%的区域，该区域外的其他区域，电子出现的概率较小，C项错误；能级类别相同，能层越高，电子能量越高，电子云轮廓图的半径越大，D项错误。
2．3px所代表的含义是(　　)
A．px 轨道上有3个电子
B．第三能层 px 轨道有3个伸展方向
C．px 电子云有3个伸展方向
D．第三能层沿x轴方向伸展的p轨道
D
解析：符号“3px”中“3p”表示第三能层的p轨道，“x”表示原子轨道沿x轴的方向伸展。
演习篇
·
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1．下列说法中正确的是(　　)
A．1s电子云呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动
B．ns能级的原子轨道图可表示为
C．3d3表示3d能级有3个轨道
D．电子云图中的小点密度大，说明该原子核外空间电子数目多
B
2．下列说法中正确的是(　　)
A．1s22s12p1表示的是激发态原子的核外电子排布
B．3p2表示3p能级有两个原子轨道
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能级中的轨道数依次增多
A
3．写出下列原子的电子排布式：
(1)11Na：_______________________________________；
(2)16S：_________________________________________；
(3)34Se：________________________________________；
(4)20Ca：_______________________________________；
(5)26Fe：________________________________________；
(6)30Zn：_______________________________________。
1s22s22p63s1
1s22s22p63s23p4
1s22s22p63s23p63d104s24p4　
1s22s22p63s23p64s2
1s22s22p63s23p63d64s2　
1s22s22p63s23p63d104s2
4．A、B、C、D是四种短周期元素，E是过渡元素。A、B、C同周期，C、D同主族，A的原子结构示意图为
，B是同周期除稀有气体外半径最大的元素，C的最外层有三个单电子，E的价层电子排布式为3d64s2。回答下列问题：
(1) A为________(写出元素符号，下同)；
Si　
(2) B为_________，简化电子排布式是______________；
(3) C为________，核外电子排布式是________________；
(4) D为________，价层电子排布式是________________；
(5) E原子结构示意图是________________________。
Na
[Ne]3s1　
P　
1s22s22p63s23p3
N　　
2s22p3
解析：A、B、C、D是四种短周期元素，由A的原子结构示意图可知，x＝2，A的原子序数为14，故A为Si元素；A、B、C同周期，B是同周期除稀有气体外半径最大的元素，故B为Na元素，C的最外层有三个单电子，C原子的3p能级有3个电子，故C为P元素；C、D同主族，故D为N元素；E是过渡元素，E的价层电子排布式为3d64s2，则E为Fe元素，据此答题。
本课结束
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