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第一节 原子结构
第一章 原子结构和性质
第三课时
原子轨道、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
学习目标
1.知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。
2.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，
3.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。
宏观物体与微观物体（电子）的运动有什么区别
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
1920年，海森堡提出著名的海森堡测不准原理：
无法同时精确测量某个电子在某一时刻的位置和动量
【思考与讨论】
1.概率密度 ρ =
（电子在某处出现的概率）
（该处的体积）
氢原子1s电子的
概率密度分布图
—— 核外电子的概率密度分布（看起来像一片云雾）
四、电子云
（1）定义：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分布的形象化描述。
2.电子云
①小黑点表示电子在原子核外出现的概率密度。
②小点越密，表明概率密度越大。
③电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。
（2）注意：
将电子在原子核外空间出现的概率P＝90% 的空间圈出来，绘制电子云的轮廓图，便可描绘电子云的形状。
氢原子的1s电子云轮廓绘制过程
x
y
z
3.电子云轮廓图
相同原子的s电子的电子云轮廓图
规律：①不同能级s电子的电子云形状一致，均为球形。
②能层越高，s电子的电子云半径越大。
原因：由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率增大，电子云越来越向更大的空间扩展
(1)s电子云轮廓形状
注意：
①p电子云轮廓图是哑铃形的，每个p能级有3个相互垂直的电子云，分别以px、py、pz表示，右下角标x、y、z分别是P电子云在直角坐标系的取向。
②在同一能层中px、py、pz的能量相同。
③ p电子云轮廓图的平均半径随n增大而增大。
px、py、pz的电子云轮廓图
(2)P电子云轮廓形状
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__________。
2.表示：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。
（1）s能级：只有____个原子轨道，呈_______
球形
原子轨道
1
五、原子轨道
3.轨道数：
x
y
z
哑铃形
（2）p能级: 有____个原子轨道，相对于x、y、z轴_____，它们相互垂直， 呈_______，3个P原子轨道的能量相同。
对称
3
3、轨道数：
同一能级中能量相同的原子轨道称为简并轨道。所以p能级有3个简并轨道 px、py、pz。
d能级原子轨道（5个）
f 能级原子轨道（7个）
不同能层的能级、原子轨道及电子云轮廓图
能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称 电子云轮廓图的性质与取向 形状 取向
K 1s 1 1s 球形
L 2s 1 2s 球形
2p 3 2px、2py、2pz 哑铃形 相互垂直
M 3s 1 3s 球形
3p 3 3px、3py、3pz 哑铃形 相互垂直
3d 5 …… …… ……
4
9
2
3
N 4s 1 4s 球形
4p 3 4px、4py、4pz 哑铃形 相互垂直
4d 5 …… …… ……
4f 7 …… …… ……
4
16
小结：原子轨道的特点
1.s原子轨道是球形的，p原子轨道是哑铃形的；
2.能层序数n越大，原子轨道的半径越大；
3.不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，只是半径不同；相同能层的同种能级的原子轨道形状相似，半径相同，能量相同，方向不同；
4. s能级只有一个原子轨道；p能级有3个原子轨道，互相垂直，可分别以px、py、pz表示，能量相等。如2px、2py、2pz轨道的能量相等。
5.原子轨道数与能层序数(n)的关系：原子轨道数目＝n2
课堂练习1：下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是(　　)
A．原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动
C．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大
D．基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz)
C
课堂练习2：下列说法正确的是（ ）
A. 不同的原子轨道形状一定不相同
B. p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形
C. 2p能级有3个p轨道
D. 氢原子的电子运动轨迹呈球形
C
课堂练习3：下列对核外电子运动状态的描述正确的是(　　)
A．电子的运动与行星的运动相似，围绕原子核在固定的轨道上高速旋转
B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f 四个轨道
C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道
D．在同一能级上运动的电子，其能量肯定相同
D
能层数 K L M N O P Q n
能级数 1 2 3 4 5 6 7
轨道数 1 4 9 16 25 36 49
最多容纳电子数 2 8 18 32 50 72 98
【思考】为什么每个原子轨道中最多可容纳2个电子？
这2个电子的运动状态又是什么样呢？
n
n2
2n2
1、电子自旋
(1)定义：1925年，乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出假设：电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋。
(2)两种取向及表示方法：
电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头（ “↑”“↓” ）表示自旋相反的电子。
六、核外电子排布规律
（3）注意：
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，电子能量与能层、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。
每个原子轨道里最多只能容纳 个电子，且自旋状态 。这个原理被称为泡利原理（也称泡利不相容原理）。
2
相反
能级 s p d f
原子轨道数
最多容纳电子数
填多少
如2s轨道上的电子排布为 ， 不能表示为 。
1
7
5
3
2
14
10
6
2．泡利原理
3．电子排布的轨道表示式(电子排布图)
(1) 轨道表示式（又称电子排布图）是表述电子排布的一种图式。
(2)表示方法：用方框（也可用圆圈）表示原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连，箭头（↑或↓）表示一种自旋状态电子。
如：氢和氧的基态原子的轨道表示式为
↑
1s
H
O
2s
2p
1s
↑
↑↓
↑
↑↓
↑↓
通常应在方框下方或上方标记能级符号
不要标记电子数
电子对
单电子（未成对电子）
（3）轨道表示式中各符号数字的意义：
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
【注意】①电子的空间运动状态指的是原子轨道；
②一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。
怎么填
4．洪特规则
当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是 占
据一个轨道，且自旋状态 。
如2p3的电子排布为 ，不能表示为 或 。
洪特规则特例：当能量相同的原子轨道在 (p6、d10、f14)、 (p3、d5、f7)和 (p0、d0、f0)状态时，体系的能量最低。
优先单独
全满
半满
全空
能量相同的轨道（简并轨道）
相同
如：24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。
29Cu的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
注意： ①洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。
②洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的，并不适用于电子填入
能量不同的轨道。
练习：(1)下列轨道表示式中哪个是硼的基态原子 为什么
(2)下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子 为什么

违背了泡利原理

BC选项 违背了洪特规则
（1）内容：在构建基态原子时，电子将尽可能占据能量最低的原子轨道,使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。
（2）能级的能量高低顺序：如构造原理所示(对于1～36号元素来说，应重点掌握和记忆“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”这一顺序)。
（3）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。
5．能量最低原理
提示　氦原子核外有2个电子，根据能量最低原理和泡利原理，基态氦原子的2个电子以自旋相反的形式填充在能量最低的1s轨道中，且1s轨道和2s轨道能量相差较大，所以基态氦原子不会出现2个电子单独分占1s、2s轨道的情况。
1.为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1
思考与讨论
2.为什么基态氮原子的轨道表示式是 ，而不是
提示　根据洪特规则，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。
？
思考与讨论
提示　根据泡利原理，每个原子轨道上最多容纳2个电子。
3.为什么基态Sc的价层电子排布是3d14s2，而不是4s3
思考与讨论
26Fe
↑↓
4s
↑↓
↑
↑
3d
↑
↑
课堂练习4：写出铁原子、亚铁离子、铁离子的价电子轨道表示式。
Fe3+
Fe2+
↑↓
↑
↑
3d
↑
↑
↑
↑
↑
3d
↑
↑
3d6
3d5
电子的填入顺序与失去顺序并非完全相反。
原子核外电子排布遵循的原理和规则
原子核外电子排布的表示式
能量最低原理
泡利原理
洪特规则
电子排布式、价电子排布式
电子排布图
原子结构示意图
全满、半满、全空相对稳定
遵循的原理和规则
学习小结
专题：原子核外电子排布的表示方法
原子(离子)结构示意图 意义 将每个能层上的电子总数表示在原子核外的式子
实例
电子 排布式 意义 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数
实例 Al：1s22s22p63s23p1
简化 电子 排布式 意义 为了避免电子排布式书写过于繁琐,把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示
实例 Al：[Ne] 3s23p1
价电子 排布式 意义 主族元素的价层电子指最外层电子,价层电子排布式即外围电子排布式,副族元素还包括次外层的d电子及次次外层的f电子
实例 Al：3s23p1；
Cu：3d104s1
轨道 表示式（电子排布图） 意义 每个方框代表一个原子轨道,每个箭头代表一个电子
实例 Al
专题：原子核外电子排布的表示方法
表示方法
原子结构示意图
电子式
电子排布式
简化电子排布式
价电子排布式
电子排布图
价电子排布图
以硫(S)为举例
S：1s22s22p63s23p4
[Ne]3s23p4
S：3s23p4
基态原子核外电子排布的表示方法
S：
——七图式
量子力学的发展
19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。
第一排：欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨得里克·洛仑兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch.
E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森
第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔
第三排：奥古斯特·皮卡尔德、E. Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、欧文·薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊
1927年 第五届索尔维会议
课外拓展
课堂练习6：写出15P、25Mn的轨道表示式，并按要求填空。
15P：____________________________________________，
有_____对电子对，有______个单电子。
25Mn：___________________________________________________________________，
有 种空间运动状态，有 个单电子，属于半充满。
6
3
15
5
课堂练习5：以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是( )
A. B. C.1s2 D.
D
课堂练习7：按要求填空。
(1)17Cl的电子排布式：__________________________。
(2)17Cl的价电子排布式：_________________________。
(3)17Cl－的电子式：___________。
1s22s22p63s23p5
3s23p5
(4)17Cl的价电子轨道表示式：__________________。
(5)17Cl的原子结构示意图：________。
(6)第四周期中最外层只有1个电子的所有基态原子的简化电子排布式：______________________________。
[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1
课堂练习8：某元素原子序数为24，试问：
(1)该元素电子排布式：
1s2 2s22p6 3s23p63d5 4s1
(2)它有 个能层； 个能级；占有 个原子轨道。
(3)此元素有 个未成对电子；它的价电子数是 。
6
4
7
15
6
(4)此元素有 种不同运动状态的电子；有 种不同能量的电子。
24
7
课堂练习8：真题填空：
(1)[2021·全国甲卷，35(1)节选]太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅。
Si的价电子层的电子排布式为________。
3s23p2
(2)[2021·广东，20(1)]基态硫原子价层电子排布式为_______。
3s23p4
(3)[2021·海南，19(1)]基态锰原子的价层电子排布式为_______。
3d54s2
(4)[2021·湖南，18(1)节选]基态硅原子最外层的轨道表示式为______________。
(5)[2021·山东，16(1)]基态F原子核外电子的运动状态有___种。
9

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