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第1节　原子结构模型
必备知识·自主学习
一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
1．原子结构模型的演变
时间或年代 原子结构模型 科学家及模型
1803年 道尔顿实心球原子模型(原子论)
1904年 汤姆孙“葡萄干布丁”模型
1911年 卢瑟福核式模型
1913年 玻尔核外电子分层排布的原子结构模型
20世纪20年代中期 量子力学模型
2.光谱及氢原子光谱
(1)光谱
①含义：利用原子光谱仪将物质吸收的光或发射的光的频率(或波长)和强度分布记录下来的谱线。
②形成原因：电子在不同轨道间跃迁时，会辐射或吸收能量。
(2)氢原子光谱属于线状光谱。
3．玻尔的原子结构模型
(1)基本观点
运动轨迹 原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量
能量分布 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量值是不连续的。轨道能量依n(量子数)值(1、2、3…)的增大而升高
电子跃迁 对氢原子而言，电子处在n＝1的轨道时能量最低，这种状态称为基态；能量高于基态能量的状态，称为激发态。电子在能量不同的轨道之间跃迁时，辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来，就形成了光谱
(2)贡献
①成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。
②阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是量子化的。
【自主探索】
1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)氢原子核外只有一个电子，故氢原子光谱只有一条谱线。(　×　)
提示：电子发生跃迁，能产生很多谱线。
(2)基态氢原子转变成激发态氢原子时释放能量。(　×　)
提示：基态氢原子转变成激发态氢原子时需要吸收能量。
(3)玻尔理论不能解释在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线。(　√　)
提示：在外加磁场时，氢原子有多条谱线，玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象，必须借助量子力学加以解释。
2．为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的？
提示：根据玻尔理论，电子所处的轨道的能量是量子化的，轨道间的能量差也是确定的，因此形成的是具有特定波长的线状光谱。
二、核外电子运动状态的描述
1．电子层(n)
2.能级
当n相同时，电子所具有的能量可能不同，即同一电子层可分成不同的能级，当n＝x时，有x个能级，分别用符号s、p、d、f等表示。
3．原子轨道
概念 原子中单个电子的空间运动状态
各能级上对应的原子轨道数 ns np nd nf
1 3 5 7
4.自旋运动状态
处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只有两种，分别用符号“↑”和“↓”表示。
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(1)是否所有的电子层都有s、p、d、f能级？在同一个原子中，2p、3p、4p……能级的原子轨道数会依次增多吗？
提示：不是所有的电子层都有s、p、d、f能级，能级数与电子层数相等，如当n＝2时，有2个能级，符号分别为s、p；当n＝3时，有3个能级，符号分别为s、p、d。在任何电子层上，p能级的原子轨道数始终是3。
(2)电子层上的能级数与该能级上的原子轨道数之间有什么关系？
提示：s能级有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，d能级有5个原子轨道，f能级有7个原子轨道。由此可以看出，某一能级数为x，则该能级上的原子轨道数等于2x－1。
三、原子轨道的图形描述和电子在核外的空间分布
1．原子轨道的图形描述
(1)表述：原子中单个电子的空间运动状态。
(2)形状：
s轨道 呈球形，具有球对称性
p轨道 相对于x、y、z轴对称，呈哑铃形(∞)
2.电子云图
(1)概念：描述电子在原子核外空间某处单位体积内的概率分布的图形。
(2)含义：用单位体积内小点的疏密程度表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小。
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(1)图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。
①图1中每个小黑点表示一个电子吗？
②图2表明1s轨道呈什么形状，有多少条对称轴？
提示：①电子云图就是用小黑点疏密来表示空间各电子出现概率大小的一种图形，小黑点疏密程度表示空间各电子出现的概率大小。②1s轨道呈球形，有无数条对称轴。
(2)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吗？
提示：s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小。
关键能力·合作学习
知识点一　氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
1．玻尔原子结构模型
(1)内容归纳
①原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁；
②电子所处的轨道的能量是量子化的；
③电子跃迁吸收(或放出)的能量也是量子化的。
(2)局限性：玻尔理论中只引入一个量子数n，只能解释氢原子光谱是线状光谱。无法解释多电子原子光谱的复杂现象及其在外磁场存在的谱线分裂现象，需要引入更多的量子数。
2．光谱分类
INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" \* MERGEFORMAT
利用焰色试验，人们在烟花中有意识地加入特定金属元素，使焰火更加绚丽多彩。在化学上，常用来测试某种金属是否存在于化合物中。焰色试验属于物理变化还是化学变化？原理是什么？
提示：焰色试验属于物理变化。当碱金属及其盐在火焰上灼烧时，原子中的电子吸收了能量，从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，但处于能量较高轨道上的电子是不稳定的，很快跃迁回能量较低的轨道，这时就将多余的能量以光的形式放出，因而能使火焰呈现颜色。在焰色试验中，不同金属或它们的化合物在灼烧时会放出多种不同波长的光，在肉眼能感知的可见光范围内，因不同光的波长不同，呈现的颜色也就存在差异。
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【典例】在实验室中用下列装置可以得到氢原子光谱，实验证明该光谱为线状光谱，该光谱的发现在原子结构的认识过程中，有极为重要的意义，根据它产生了(　　)
A.卢瑟福核式原子模型
B．汤姆孙“葡萄干布丁”模型
C．玻尔核外电子分层排布的原子结构模型
D．原子结构的量子力学模型
【解析】选C。玻尔的原子结构模型是为了解释氢原子光谱为线状光谱而不是连续光谱而提出的。
【母题追问】
上述光谱属于吸收光谱还是发射光谱？二者形成过程有什么区别？
提示：发射光谱。吸收光谱是指原子的电子由基态跃迁到激发态吸收能量后形成的光谱，而激发态的电子从高能级跃迁到基态，多余的能量以光的形式释放出来，这就是发射光谱。
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1913年，丹麦科学家玻尔第一次认识到氢原子光谱是氢原子的电子跃迁产生的。玻尔的原子结构理论，一个很大的成就是(　　)
A．证明了原子核外电子在圆形轨道上运动
B．提出了原子核是可以进一步细分的
C．解决了氢原子光谱和原子能级之间的关系
D．应用了量子力学理论中的概念和方法
【解析】选D。玻尔提出电子在一定轨道上运动的原子结构模型，成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的原因，为后来人们用更多的量子数来标记核外电子的运动状态，来解释复杂的原子光谱提供了可以借鉴的方法，所以D说法正确。
知识点二　核外电子运动状态的描述
1．电子层数(n)、能级数、原子轨道数、最多容纳电子数的关系
n(电子层) 能级 原子轨道 最多容纳电子数
取值 符号 符号 符号 数目 合计
1 K s 1s 1 1 2
2 L s 2s 1 4 8
p 2px、2py、2pz 3
3 M s 3s 1 9 18
p 3px、3py、3pz 3
d 3d 5
4 N s 4s 1 16 32
p 4px、4py、4pz 3
d 4d 5
f 4f 7
n …… n2 2n2
2.不同原子轨道能量高低的关系
INCLUDEPICTURE "易错提醒JS.TIF" INCLUDEPICTURE "易错提醒JS.TIF" \* MERGEFORMAT 对能级与电子层关系的认识误区
并不是每个电子层上都有s、p、d、f能级。由于电子层数等于该电子层上的能级的数目，如K层只有s能级。
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(1)Na原子核外有多少个电子？有多少种运动状态？原子核外电子的运动状态决定因素有哪些？
提示：11；11；电子层、能级、原子轨道、自旋运动状态共同决定了原子核外电子运动状态，即一个原子中不存在运动状态完全相同的电子。
(2)如何比较两个原子轨道能量的高低？
提示：①原子轨道的能量取决于电子层和能级，若两者相同则能量相等，如npx＝npy＝npz。
②相同电子层不同能级的原子轨道能量的高低：ns③不同电子层相同能级的原子轨道能量的高低：1s<2s<3s<4s。
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【典例】下列有关电子层和能级的叙述中正确的是(　　)
A．M电子层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子
B．3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多容纳7个电子
C．无论哪一电子层的s能级，最多容纳的电子数均为2
D．任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级
【解题指南】
能级数等于电子层数(n)，第n层有n个能级，n2个原子轨道，最多只能填充2n2个电子。
【解析】选C。A项，M电子层有s、p、d共3个能级，最多容纳18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子且不存在3f能级；D项，K电子层只有s能级，不含有p能级。
【母题追问】
(1)L电子层有s、p共2个能级，这两个能级的能量高低相同吗？p能级有3个轨道，这三个轨道的能量高低相同吗？
提示：能量不相同，2s<2p；能量相同，2px＝2py＝2pz。
(2)任意一层的s能级最多容纳2个电子，这两个电子的运动状态是否相同？
提示：不相同，同一轨道上的两个电子自旋状态不同，因此运动状态也不同。
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根据所学知识，回答下列问题：
(1)K层有______个能级，用符号表示为________；L层有________个能级，用符号分别表示为________；M层有______个能级，用符号分别表示为________。由此可推知第n电子层有________个能级。每个电子层中一定含有的能级符号为______，其对应的原子轨道电子云形状为________。
(2)基态钙原子电子占据的能量最高电子层符号是________，其核外共有________种运动状态不同的电子。
(3)比较下列多电子的原子轨道的能量高低(填“>”“<”或“＝”)。
2s______3s，2s______3d，2px______2py，4f________6f。
【解析】(1)第n个电子层有n个能级；每个电子层中都含有s能级，s能级对应的原子轨道电子云形状为球形。(2)一个原子中，不存在运动状态完全相同的两个电子。(3)相同电子层上原子轨道能量由低到高的顺序是ns答案：(1)1　1s　2　2s、2p　3　3s、3p、3d　n　s　球形
(2)N　20　　(3)<　<　＝　<
知识点三　原子轨道的图形描述和电子在核外的空间分布
1．原子轨道的图形描述
(1)s能级的原子轨道：
特征：s能级的原子轨道是球形的，电子序数越大，原子轨道的半径越大。
原因：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。因而2s电子云必然比1s电子云更稀疏。
(2)p能级的原子轨道：
特征：p能级的原子轨道是哑铃形的，每个p能级有3个轨道，分别相对于x、y、z轴呈轴对称，相互垂直，分别以px、py、pz为符号。p能级的原子轨道的平均半径也随着电子层序数的增大而增大。
2．电子云
(1)电子的特点：质量非常小、运行速度极快、运动空间极小。
(2)电子云的含义：由于微观电子运动的特点与宏观物体运动的特点不同，人们无法同时准确地测定它的位置和速度，只能确定它在原子核外各处出现的概率。概率分布图看起来像一片云雾，因而被形象地称为“电子云”。
【特别提醒】(1)电子云只是运用统计学的方法形象地描述核外电子运动的一种图形。并不能表示核外电子运动状态的真实图像。
(2)小点不仅不代表1个电子，也不代表电子在某一时刻在此一定出现过。
(3)原子轨道的形状和电子云的形状一致。
INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" \* MERGEFORMAT
【典例】下列说法中正确的是(　　)
A．电子云是电子绕核运动形成的一团带负电荷的云雾
B．因为p轨道是“∞”字形的，所以p能级电子绕核做“∞”形运动
C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道
D．原子轨道与电子云图都是用来形象描述电子运动状态的
【解题指南】(1)原子轨道是描述原子中单个电子的运动状态；
(2)电子云是指电子在原子核外空间某处单位体积内的概率分布的图形。
【解析】选D。电子云仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹。p轨道呈哑铃形，是指电子出现概率高的区域，而不是电子的形状。氢原子中只有一个电子，填充在1s轨道上，但也存在其他空轨道，使电子跃迁，产生光谱。为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用小点的疏密程度来表示电子在原子核外出现概率的大小；点密集的地方，表示电子出现的概率大，稀疏的地方出现的概率小。
INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" \* MERGEFORMAT
观察2pz轨道电子云示意图(如图所示)，下列说法中错误的是(　　)
A.2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布呈z轴对称
B．点密集的地方表明电子出现的概率大
C．电子先沿z轴正半轴运动，然后在负半轴运动
D．2pz轨道的形状为两个椭圆球
【解析】选C。观察2pz轨道电子云示意图发现，处于2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布相对于z轴对称，A正确；电子云中的小黑点疏密程度代表电子出现概率的大小，所以点密集的地方表明电子出现的概率大，B正确；在图中，电子在空间出现的概率分布关于z轴对称，电子云并不是电子的真实运动轨迹，C错误；2pz轨道电子云形状为两个椭圆球，而不是面，D正确。
INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" \* MERGEFORMAT
INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" \* MERGEFORMAT 三言两语话重点 INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" \* MERGEFORMAT
1．玻尔理论解释了氢原子光谱是线状光谱。
2．原子核外电子运动状态的描述必记
(1)电子层数(n)＝能级数。
(2)每一电子层(n)有n2个轨道，最多填充2n2个电子。
(3)同一个原子中，不存在运动状态相同的两个电子。
3．原子轨道能量
npx＝npy＝npz；ns4．电子云图疏密程度表示电子在原子核外出现概率的大小。
课堂检测·素养达标
1．(2020·日照高二检测)如图①②③④原子结构模型中依次符合卢瑟福、道尔顿、汤姆孙、玻尔的观点的是(　　)
A.①②③④　　B．①②④③　　C．④①②③　　D．③④①②
【解析】选B。卢瑟福提出了带核的原子结构模型，应为图①；道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体，应为图②；汤姆孙发现了电子，1904年提出“葡萄干布丁式”的原子结构模型，应为图④；玻尔提出了核外电子分层排布的原子结构模型，应为图③。
2．(2020·黄石高二检测)下列有关原子轨道的叙述中正确的是(　　)
A．氢原子的2s轨道能量较3p轨道高
B．电子层n＝4的原子轨道最多可容纳16个电子
C．p能级的原子轨道呈哑铃形，随着电子层序数的增加，p能级原子轨道也在增多
D．锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布
【解析】选D。H原子的2s轨道能量低于3p轨道，故A错误；每个电子层最多能容纳2n2个电子，所以电子层n＝4的原子轨道最多可容纳32个电子，故B错误；所有的p能级轨道都含有3个轨道，所以随着电子层序数的增加，p能级原子轨道不变，故C错误；所有的s轨道电子云轮廓图都是球形，所以锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布，故D正确。
【补偿训练】
(双选)下列关于核外电子的运动状态的说法错误的是(　　)
A．核外电子是分层运动的
B．只有电子层、能级以及电子云的空间伸展方向都确定时，电子运动状态就能被确定
C．只有电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态都确定时，才能确定一个电子层的最多轨道数
D．电子云的空间伸展方向与电子的能量大小无关
【解析】选B、C。电子所具有的能量不同，就会在不同的电子层上运动，A项正确；电子运动状态是由电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子自旋状态共同决定的，B项错误；电子层数确定电子层中的最多原子轨道数，C项错误；同一能级的电子具有相同的能量，与电子云的空间伸展方向无关，与其自旋状态也无关，D项正确。
3．(双选)下列各式中能级能量高低的排列顺序正确的是(　　)
A．E(5s)>E(4s) B．E(3d)>E(2p)
C．E(3px)E(3d)
【解析】选A、B。相同电子层上原子轨道能量由低到高的顺序是ns4．符号3px所代表的含义是(　　)
A．px轨道上有3个电子
B．第三个电子层px轨道有3个伸展方向
C．px电子云有3个伸展方向
D．第三个电子层沿x轴方向伸展的p轨道
【解析】选D。3px中，3表示第三电子层，p原子轨道在三维空间的分布分别沿x、y、z三个方向，px表示沿x轴方向伸展的p轨道。
INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" \* MERGEFORMAT 素养新思维 INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" \* MERGEFORMAT
5．(新思维·新考向)在动力电池领域，磷酸铁锂电池与三元电池是两大技术路线。当前电动汽车制造商通常在乘用车中采用镍钴铝电池和镍钴锰电池等三元电池。该种电池能量密度更高，且具备更强续航能力，但其中的钴元素也是动力电池中最昂贵的金属之一。钴元素的原子结构示意图如图：若核外电子在进入原子轨道时优先进入能量低的原子轨道，后进入能量高的原子轨道
(1)预测钴元素n＝3和n＝4的电子层上各能级上的电子数目分别是多少？并指明预测依据。
电子层数 预测各能级上的电子数目 预测依据
3 s
p
d
4 s
p
d
f
(2)镓与铝同主族，均处于第ⅢA族，镓位于第4周期，那么镓原子具有几个电子层？最外层电子占据的能级符号及电子数目是什么？
【解析】同一电子层的能量高低为ns答案：(1)
电子层数 预测各能级上的电子数目 预测依据
3 s 2 同一电子层上的原子轨道的能量高低为nsp 6
d 7
4 s 2
p 0
d 0
f 0
(2)4　4s能级2个电子，4p能级1个电子
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