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第1课时 能级与能层 原子光谱
第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
学习目标
1.通过认识原子结构与核外电子排布理解能层与能级的关系。
2.通过核外电子能量不同分析、理解基态与激发态的含义与关系。
3.能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。
“原子”一词源自古希腊语“ATOM”，是不可再分的意思。古希腊哲学家假想原子是世间万物最小的微粒。19世纪初，英国人道尔顿创立了近代原子学说，假设原子是化学元素中的最小粒子，每一种元素有一种原子。20世纪初，人们终于认识到原子不是最小的粒子，而且有复杂的结构。对原子结构的认识为元素周期律找到了理论根据。原子的基本性质，如原子半径、电离能和电负性等都与原子结构密切相关，因而也呈现周期性。
原子的来源
新课导入
原子结构模型的演变
1.公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为 ： 万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。
2.道尔顿原子模型(1803年) ：原子是坚实的、不可再分的实心球。
3.汤姆孙原子模型(1904年) ：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。
4.卢瑟福原子模型( 1911年) ：原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。
5.玻尔原子模型(1913年)电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速圆周运动。
又称分层模型：
当原子只有一个电子时，电子沿特定球形轨道运转；
当原子有多个电子时，它们将分布在多个球壳中绕核运动。
不同的电子运转轨道是具有一定级差的稳定轨道。
6.电子云模型 （1927~1935年）：现代物质结构学说。
电子在原子核外很小的空间内做高速运动，其运动规律与一般物体不同，没有确定的轨道。
如右图所示氢原子电子云图。
原子
原子核
核外电子
质子
中子
→
带正电
→
不带电
→
带负电
不带电
核电荷数=核内质子数=核外电子数
质量数=质子数+中子数
【思考与讨论】
核外电子是怎样排布的？有啥规律呢？
一、能层与能级
1.能层（电子层）
新知梳理
(1)含义：在多电子的原子里核外电子的能量是不同的，根据核外电子的能量差异，将核外电子分成不同的能层。
(2)能层的表示方法及各能层最多容纳的电子数
能层 一 二 三 四 五 六 七
符号 K　 L　 M　 N　 O P Q
最多电子数 　 　
2=2×12
8=2×22
18=2×32
32=2×42
50=2×52
72=2×62
98=2×72
电子的能层由内向外排序，其序号、符号以及所能容纳的最多电子数如下：
①原子核外电子总是尽可能先排布在能量较低的电子层上，然后由内向外依次排布在能量逐渐升高的电子层。
(3)能量规律：
①先排能量低的电子层，再排能量高的电子层，由里往外
②每一层最多容纳电子数：2n2个
③最外层电子数不超过8个（K层为最外层时不超过2个）
④次外层电子数不超过18个，倒数第三层不超过32个
(4)核外电子的排布规律:（一低四不超）
②能层越高，电子的能量越高，能量的高低顺序为：
E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)
(1)含义：多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，所以，同一能层的电子，又被分成不同的能级，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。
2.能级（电子亚层）
(2)能级的符号和所能容纳的最多电子数
能层 K L M N O 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p …
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 …
（同一个能层中电子的能量相同的电子亚层分别用字母s、p、d、f等表示）
(3)能层与能级的组成以及能量的关系
①任一能层的能级总是从s能级开始，能级数=能层序数，即第一能层只有1个能级（1s），第二能层有2个能级（2s和2p），第三能层有3个能级（3s、3p和3d），依次类推……
②在每一个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf.....(n为能层序数)。
③能级的字母代号总是s、p、d、f....排序的，字母前的数字是它们所处的能层序数，它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1、3、5、7....的2倍。
④英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s......能级最多都只能容纳2个电子。
⑤能层或能级的能量关系
不同能层中，能级的能量高低是 1s<2s<3s<4s……；2p<3p<4p…..
在同一能层中，能级的能量高低是 ns1.一个能层的能级数与能层序数(n)间存在什么关系？
一个能层最多可容纳的电子数与能层序数(n)间存在什么关系？
能级数 = 能层序数
每个能层最多容纳的电子数= 2n2
2.以s、p、d、f为符号的能级分别最多可容纳多少个电子？3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数是否相同
【思考与讨论】
最多可容纳的电子数为：s能级2个，p能级6个，d能级10个，f能级14个。3d、4d、5d能级可容纳的最多电子数相同。
3.第五能层最多可以容纳多少个电子？分别容纳在哪些能级中？各能级最多容纳多少个电子？
方法1：第五能层最多可以容纳的电子数2n2 ＝ 2×52 ＝ 50
方法2：分别容纳在5s、5p、5d、5f、5g五个能级中
各能级最多容纳的电子数为：
5s能级 2×1=2
5p能级 2×3=6
5d能级 2×5=10
5f能级 2×7=14
5g能级 2×9=18
总计50个电子，与前面能层的计算结果相同。
节日里五颜六色的火焰是化学变化吗？霓虹灯光、LED灯光呢？与今天所学的原子结构有什么关系呢？
都与原子核外电子跃迁释放能量有关。
二、基态与激发态 原子光谱
（一）基态与激发态
1.基态原子：
处于最低能量状态的原子叫做基态原子。
2.激发态原子：
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。
3.基态原子与激发态原子的关系
电子的跃迁是物理变化（未发生电子转移），而原子得失电子时发生的是化学变化。
光（辐射）是电子跃迁释放能量的重要形式。
(1)定义：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光谱或发射光谱，总称原子光谱。
(2)形成原因：
(3)分类：
特征：暗背景， 亮线， 线状不连续
特征：亮背景， 暗线，线状不连续
锂、氦、汞的吸收光谱
锂、氦、汞的发射光谱
（二）原子光谱与光谱分析
1.原子光谱
(1)定义：在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。光谱分析的依据是每一种元素都有自己的特征谱线。
②化学研究中利用光谱分析检测一些物质的存在与含量等。
(2)应用
①通过原子光谱发现许多元素。
如：铯（1860年）和铷（1861年），其光谱中有特征的蓝光和红光。
又如：1868年科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦。
2.光谱分析
【思考】金属的焰色试验中，一些金属元素呈现不同焰色的原因是什么
焰色反应是电子跃迁的结果，焰色反应发生的过程：
③生产生活
烟花
霓虹灯
【思考】每到夜幕降临时，大街上的霓虹灯就会亮起来，产生五颜六色的光。你知道是什么原因吗？
霓虹灯内充有稀薄的氖气或其他稀有气体，当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至几万伏高压，当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，管内带电粒子（电子）就会发生跃迁，发出五颜六色的光。
科学史话
1814年，德国物理学家夫琅禾费(J. Fraunhofer, 1787- 1826) 发明了分光镜并用来观察太阳光，发现在太阳光谱中有570多条黑线(现知几千条)，后人称之为夫琅禾费线。
1859年，德国科学家本生(R. W. Bunsen,1811-1899)和基尔霍夫(G. R. Kirchhoff,1824-1887)发明了光谱仪，证实了夫琅禾费线实质上是原子的吸收光谱，并一一找到对应的元素。例如，被夫琅禾费标记为D的双线源自钠(如图1-6)，后人称为钠双线。然而，原子光谱为什么是离散的谱线而不是连续的呢？丹麦科学家玻尔破解了这个百年之谜。
1913年，玻尔创造性地假设，被束缚在原子核外的电子的能量是量子化的，只能取一定数值，称为定态，而原子光谱的谱线是不同定态的电子发生跃迁产生的，因而是离散的而不是连续的谱线。1925年，德国科学家洪特解释了复杂光谱，得出了过渡元素(包括铬和铜等)的光谱学基态原子的电子排布，为构造原理的确立奠定了基础。
离散的谱线
课堂训练
1.下列轨道含有轨道数目为3的是( )
A.1s B.2p C.3p D.4d
3.第三电子层含有的轨道数为( )
A.3 B.5 C.7 D.9
2.3d轨道中最多容纳电子数为( )
A.2 B.10 C.14 D.18
4. 第三能层中能量最高的轨道是( )
A.3s B.3p C.3d D.3f
3s、3p、3d
1 + 3 + 5 =9
BC
B
D
C
5.下列说法正确的是 ( )
A.某微粒核外电子排布为2、8、8结构，则该微粒一定是氩原子
B.最外层达稳定结构的微粒只能是稀有气体的原子
C.F-、Na+、Mg2+、Al3+是与Ne原子具有相同电子层结构的离子
D.NH4+与H3O+具有相同的质子数和电子数
CD
6.下列现象与核外电子的跃迁有关的是( )
①霓虹灯发出有色光　②棱镜分光　③激光器产生激光　④石油蒸馏 ⑤凸透镜聚光　⑥燃放的焰火，在夜空中呈现五彩缤纷的礼花　⑦日光灯通电发光　⑧冷却结晶
A.①③⑥⑦ B.②④⑤⑧
C.①③⑤⑥⑦ D.①②③⑤⑥⑦
A
7.短周期元素W、X、Y和Z的原子序数依次增大。元素W是制备一种高效电池的重要材料，X原子的最外层电子数是内层电子数的2倍，元素Y是地壳中含量最丰富的金属元素，Z原子的最外层电子数是其电子层数的2倍。下列说法错误的是( )
A. 元素W、X的氯化物中，各原子均满足8电子的稳定结构
B. 元素X与氢形成的原子比为1：1的化合物有很多种
C. 元素Y的单质与氢氧化钠溶液或盐酸反应均有氢气生成
D. 元素Z可与元素X形成共价化合物XZ2
Li
C
Al
S
LiCl中锂离子不满足8电子
A
CS2
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