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第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
1.知道电子运动的能量状态具有量子化的特征(能量不连续)，电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。2.能熟练书写1～36号元素的电子排布式。
3.能根据核外电子的表示方法，推导出对应的原子或离子
教学目标：
引言
化学研究的是构成宏观物体的物质。
一、研究物质的组成与结构
二、研究物质的性质与变化
决定
决定
“原性论”
物质的元素组成
分子的组成
分子的结构
晶体结构
“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
原子结构的探索历史
1869年
俄国化学家门捷列夫发现了元素周期表
1920年
玻尔在氢原子模型(1913年)基础上，提出构造原理：从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入原子核外“壳层”的顺序。
1936年
德国科学家马德隆
发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理
5年后，玻尔的“壳层” 落实为“能层”与”能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释
时间或年代 1803年 1903年 1911年 1913年 20世纪20年代中期
原子结构模型
模型 名称
相关科学家
道尔顿
葡萄干布丁模型
汤姆孙
核式模型
卢瑟福
电子分层排布模型
玻尔
量子力学模型
实心球
原子模型
薛定谔
不同时期的原子结构模型
温故知新
原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成；
含有多个电子的原子里，电子分别在能量不同的区域内运动：核外电子是分层排布的;
多电子原子中，电子的能量不同，离核越远的电子能量越高。
1. 能层
核外电子按能量不同分成能层。（K、L、M、N、O、P、Q等）
2.电子的能层由内向外排序，其序号、符号以及能容纳的最多电子数
能层 一 二 三 四 五 六 七 n
符号 K L M N O P Q -----
最多电子数 2 8 18 32 50 72 98
2n2
3.数量规律: ①每一层最多容纳的电子数：2n2个。
②最外层电子数不超过8个（K层为最外层时不超过2个）。
③次外层电子数不超过18个，倒数第三层不超过32个。
一、能层与能级
4.能量规律:
①原子核外电子总是尽可能先排布在能量较低的能层上，然后由内向外依次排布在能量逐渐升高的能层。
②能层越高，电子的能量越高。
③能量的高低顺序为E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)。
能层 一 二 三 四 五 六 七
符号 K L M N O P Q
最多电子数 2 8 18 32 50 72 98
2. 能级
多电子原子的同一能层电子的能量不同，分为不同的能级。（s、p、d、f 等）
2.表示方法：分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f 等表示。
3.能级的符号和所能容纳的最多电子数
能层 一 二 三 四 五 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 …
①任一能层的能级总是从s能级开始，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf......(n为能层序数)。
②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)，依次类推。
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。
③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。
能层 一 二 三 四 五 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 …
能层或能级的能量关系
相同能层
ns＜np＜nd＜nf
符号相同的能级
1s ＜ 2s ＜ 3s ＜ 4s
不同能级
不同能层
2px=2py=2pz
原子
吸收能量
释放能量
处于最低能量状态
处于较高能量状态
基态原子
激发态原子
电子跃迁
光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式
二、基态与激发态 原子光谱
特别提醒：
①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。
②一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。如1s22s22p2 表示基态碳原子，1s22s12p3为激发态碳原子（电子数不变）。
③激发态原子不稳定，易释放能量变为基态原子。
基态
K
L
M
N
激发态
K
L
M
N
能量
能量
K
L
M
N
光
K
L
M
N
不稳定
吸收能量
电子跃迁
释放能量
3.原子光谱
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发射光谱或吸收光谱，总称原子光谱。
发射光谱
吸收光谱
特征:暗背景，亮线， 线状不连续
特征:亮背景，暗线，线状不连续
原子光谱的应用
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。
He 氦
充有氖气的霓虹灯能发出红光，产生这一现象的原因是通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量后跃迁到能量较高的能级，且处在能量较高的能级上的电子会很快地以光的形式释放能量而跃迁回能量较低的能级上，该光的波长恰好处于可见光区域中的红色波段。
分析霓虹灯发光的原理
1.一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
能层的能级数等于该能层序数。一个能层最多可容纳的电子数为2n2个。
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？
3.第五能层最多可容纳多少个电子？它们分别容纳在几个能级中？各能级最多容纳多少个电子？
以s、p、d、f为符号的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7的二倍。3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数相同。
第五能层最多可容纳50个电子；5个能级；各能级最多容纳电子数分别为2,6,10,14,18个。
三、构造原理与电子排布式
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。
在多电子原子中，电子在能级上的排布顺序：电子最先排布在能量低的能级上，然后依次排布在能量较高的能级上。
1. 构造原理：
2.示意图
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p ……
① 随电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。从第三能层开始，不同能层的能级出现“能级交错” 现象。
②一般规律为：ns＜(n－2)f＜(n－1)d＜np。
2. 电子排布式
（1）定义：将能级上所容纳的电子数标在该能级符号右上角，并按照能层从左到右的顺序排列的式子
（2）书写方法：①先按构造原理从低到高填入电子；
②后将同能层的能级移到一起。
如氮原子的电子排布式为
能级
电子数
请写出1—30号基态原子的电子排布式
H 1s1
He 1s2
Li 1s22s1
Be 1s22s2
B 1s22s22p1
C 1s22s22p2
N 1s22s22p3
O 1s22s22p4
F 1s22s22p5
Ne 1s22s22p6
Na 1s22s22p63s1
Mg 1s22s22p63s2
Al 1s22s22p63s23p1
Si 1s22s22p63s23p2
P 1s22s22p63s23p3
S 1s22s22p63s23p4
Cl 1s22s22p63s23p5
Ar 1s22s22p63s23p6
K 1s22s22p63s23p64s1
Ca 1s22s22p63s23p64s2
Sc 1s22s22p63s23p63d14s2
Ti 1s22s22p63s23p63d24s2
V 1s22s22p63s23p63d34s2
Cr 1s22s22p63s23p63d54s1
Mn 1s22s22p63s23p63d54s2
Fe 1s22s22p63s23p63d64s2
Co 1s22s22p63s23p63d74s2
Ni 1s22s22p63s23p63d84s2
Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
Zn 1s22s22p63s23p63d104s2
当p、d、f 能级处于全空、全充满p6、d10、f14 或半充满状态p3、d5、f7 时，能量相对较低，原子结构较稳定。
3.简化电子排布式
为了避免电子排布式过于繁琐，我们可以把内层电子达到稀有气体结构的部分，以相应稀有气体元素符号外加方括号来表示。
Li 1s22s1 [He] 2s1
O 1s22s22p4 [He] 2s22p4
F 1s22s22p5 [He] 2s22p5
Si 1s22s22p63s23p2 [Ne] 3s23p2
P 1s22s22p63s23p3 [Ne] 3s23p3
K 1s22s22p63s23p64s1 [Ar] 4s1
Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 [Ar] 3d54s1
Zn 1s22s22p63s23p63d104s2 [Ar] 3d104s2
4.价层电子排布式
为突出化合价与电子排布的关系，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)。通常元素周期表只给出价层电子排布。
Li 1s22s1 [He] 2s1
O 1s22s22p4 [He] 2s22p4
F 1s22s22p5 [He] 2s22p5
Si 1s22s22p63s23p2 [Ne] 3s23p2
P 1s22s22p63s23p3 [Ne] 3s23p3
K 1s22s22p63s23p64s1 [Ar] 4s1
Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 [Ar] 3d54s1
Zn 1s22s22p63s23p63d104s2 [Ar] 3d104s2
2s1
2s22p4
2s22p5
3s23p2
3s23p3
4s1
3d54s1
3d104s2
5.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)原子得到电子形成阴离子，则得到的电子填充在最外一个能层的某一个能级上。
(3)原子失去电子时，总是从最外的能层失去电子，即失去电子的顺序是由外向里。一般来说，主族元素只失去它们的最外层电子，而副族和Ⅷ族元素可能还会进一步向里失去内层电子。
Cl 1s22s22p63s23p5
Cl－ 1s22s22p63s23p6
Fe 1s22s22p63s23p63d64s2
Fe2+ 1s22s22p63s23p63d6
Fe3+ 1s22s22p63s23p63d5
原子核外电子的运动状态是怎么样的呢？
1913年
玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行。
1926年
玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。
量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻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，可以算出它们的概率密度(ρ)分布。
1.概率密度
用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则
称为概率密度，用ρ表示。
四、电子云与原子轨道
宏观物体 微观粒子
质量 很大 很小
速度 较慢 很快（接近光速）
位移 可测 位移、能量
不可同时测定
能量 可测 轨迹 可描述 （画图或函数描述） 不可确定
宏观、微观运动的不同
2.氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图
小点不是电子本身，小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。
小点越密，表明概率密度越大。
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。
2. 电子云：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。不代表电子的运动轨迹。
3. 电子云轮廓图
电子云图很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图。
①绘制电子云轮廓图的目的：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。
②绘制电子云轮廓图：把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来。
电子云轮廓图的绘制过程
球形轮廓图
x
y
z
同一原子的s电子的电子云轮廓图
【思考与讨论】你能发现什么规律？
1.所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是一个球形，只是球的半径不同。
2.同一原子的能层越高，s电子云半径越大。由于电子能量依次增高，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。
3. s电子云只有一种空间伸展方向。
4.除s电子云外，其他电子云轮廓图都不是球形的。
x
y
z
y
x
z
y
x
z
y
x
z
y
z
x
pz
z
y
x
py
z
y
x
px
①p电子云轮廓图是哑铃形或纺锤形。能层序数越大，p电子云半径越大。
Pz、Py、Px的电子云轮廓图
Pz、Py、Px的电子云
②无论2p、3p还是4p…..都有3个相互垂直的电子云(3种空间伸展方向)，分别称为Px、Py、Pz，右下标x、y、z分别是p电子云在直角坐标系里的取向。
③同一能层中px、py、pz的能量相同。
d电子云轮廓图是花瓣形或双哑铃形。
有5种空间伸展方向。
f 电子云轮廓图有7种空间伸展方向。
ns原子轨道
nd原子轨道有5个
np原子轨道有3个
nf 原子轨道有7个
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。
常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。
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。
能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称 原子轨道的形状和取向 K 1s 1 1s 球形 ——
L 2s 1 2s 球形 ——
2p 3 2px、2py、2pz 哑铃形 互相垂直
M 3s 1 3s 球形 ——
3p 3 3px、3py、3pz 哑铃形 互相垂直
3d 5 …… …… ……
N 4s 1 4s 球形 ——
4p 3 4px、4py、4pz 哑铃形 互相垂直
4d 5 …… …… …...
4f 7 …… …… ……
3.不同能层的能级、原子轨道数、原子轨道名称以及形状和取向
原子轨道数与能层序数(n)的关系：原子轨道数目=n2。
1.s能级和p能级的原子轨道存在哪些方面的差异？
提示　轨道图形、形状、数目、最多容纳电子数等不同。
2.不同能层中的s轨道和p轨道电子云轮廓分别相同吗？能量分别相同吗？
提示　电子云轮廓相同(s轨道均为球形，p轨道均为哑铃形)；能量不同(能层序数越大，能量越高)。
3.基态原子的核外电子填充在6个轨道的元素有几种？填充在7个轨道中的元素有几种？
提示　s、p能级分别有1、3个原子轨道，按照构造原理，核外电子填充在6个轨道的元素为1s22s22p63s1(Na)和1s22s22p63s2(Mg)，共2种；填充在7个轨道中的元素只有1s22s22p63s23p1(Al)一种元素。
自旋
顺时针和逆时针两种取向（简称自旋相反）
1.电子自旋的取向：
为什么一个原子轨道里能容纳两个电子？
1925年，乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出假设：电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。
2.符号表示：
↑和↓表示自旋相反的电子
①自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。
②电子能量与能层、能级有关，电子的空间运动状态与原子轨道有关，能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态。
H
H 1s1
O 1s22s22p4
（又称泡利不相容原理）：
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。
1.泡利原理
2.轨道表示式（电子排布图）：是表述电子排布的一种图示。
原子轨道
简并轨道：能量相同的原子轨道
电子对
单电子(未成对电子)
自旋平行
能级符号
1、用□或〇代表一个原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连。不同能级中的□要相互分开。
2、整个电子排布图中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。
4、通常在方框下方或上方标记能级符号。
3、箭头表示一种自旋状态的电子，一个箭头表示一个电子，↓↑”称电子
对 ，“↑”或“↓”表示单电子（或称未成对电子），箭头同向的单电子称自旋平行。
H
H 1s1
O 1s22s22p4
5、有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
练一练：请画出铝原子的轨道表示式
铝原子外层有 个电子对，有 个单电子。
电子有 种空间运动状态，有 种运动状态不同的电子。
13
1
7
6
下列基态碳原子的轨道表示式哪个是正确的？
② C
1s
↑↑
↑↓
↑↓
2s
2p
① C
1s
↑↓
↑↓
↑↓
2s
2p
2p
③ C
↑
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
④ C
↓
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
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。
2p3的电子排布图
X
X
√
√
能量较低
状态稳定
全充满（p6，d10，f14）
全空时（p0，d0，f0 ）
半充满（p3，d5，f7 ）
注：在简并轨道上的电子排布处于全满、半充满、全空状态，具有较低的能量和较大的稳定性。
Cr：1s22s22p63s23p63d44s2
Cu：1s22s22p63s23p63d94s2
Cr：1s22s22p63s23p63d54s1
Cu：1s22s22p63s23p63d104s1
√
√
3.总结：洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。
洪特规则适用于电子填入简并轨道，并不适用于电子填入能量不同的轨道。
4. 能量最低原理
在构建基态原子时，电子将尽可能地先占据能量低的原子轨道，使整个原子的能量最低。
2.因素：整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。
3.注意：书写轨道表示式时，常出现的错误及正确书写
拓展提升
(1)最外层只有1个未成对电子的元素
(2)最外层有2个未成对电子的元素
(3)最外层有3个未成对电子的元素
(4)核外电子排布中，未成对电子数最多的元素
ⅠA族(ns1：H、Li、Na、K)； ⅢA族(ns2np1：B、Al、Ga)；
ⅦA族(ns2np5：F、Cl、Br)； Cr(3d54s1)、Cu(3d104s1)。
ⅣA族(ns2np2：C、Si、Ge)； ⅥA族(ns2np4：O、S、Se)。
ⅤA族(ns2np3：N、P、As)。
Cr(3d54s1，共有6个未成对电子)。

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