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第1章　原子结构与元素性质
第1节　原子结构模型
第2课时　量子力学对原子核外电子运动状态的描述
第*页
研习任务一　原子轨道
[目标导航]1.理解描述原子核外电子运动状态的四个量子数的含义。2.学会用四个量 子数描述原子核外电子的运动状态。3.了解原子轨道和电子云的含义。
教材　认知
1. 电子层（n）
分层标准 电子离核远近
取值 1 2 3 4 5 6 7
符号
能量
离核
K
L
M
N
O
P
Q
2. 能级
当n相同时，电子具有的能量也可能 ，即同一个电子层内的电子可处于不 同 ，当n＝x时，有 个能级，分别用符号 等表示。
不同　
能级　
x　
s、p、d、f　
低
高
远
近
3. 原子轨道
（1）概念：原子中单个电子的 状态。
空间运动　
（2）n值所对应的能级和原子轨道的情况：
n（电子层） 能级种类 原子轨道
取值 符号 符号 符号 数目
1 K s 1
2 L s 1
p 3
1s
2s
2p
n（电子层） 能级种类 原子轨道
取值 符号 符号 符号 数目
3 M s 1
p 3
d 5
4 N s 1
p 3
d 5
f 4f 7
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4. 自旋状态
处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有两种，分别用符号“ ”和“ ” 表示。
[思考]　（1）每个电子层上的能级数目与电子层序数n有什么关系？是不是每个电子 层上都有s、p、d、f能级？
提示：电子层上的能级数目＝电子层序数n，当n＝1，有一个能级：s；当n＝2，
有两个能级：s、p；当n＝3，有s、p、d三个能级；当n＝4，有s、p、d、f四个能级。
↑　
↓　
（2）在同一电子层的同一能级上运动的电子，其运动状态相同吗？
提示：不相同，同一能级上运动的电子所处的轨道不一定相同，即使是同一原子轨道，电子的自旋状态有2种，运动状态也不同，故同一原子层的各电子的运动状态都不同。
判断
×
×
√
√
×
探究　活动
如图所示，在多电子原子中，核外电子是分层排布的。
1. 多电子原子中，各电子的能量是否相同？
提示：多电子原子中，各电子的能量是不同的。
2. 核外电子共分为几个能层？它们的能量高低顺序是什么？
提示：核外电子共分为7个能层，由内向外能量越来越高。
3. 同一原子中同一能层不同能级的电子最根本的区别是什么？
提示：将同一能层中的电子划分为不同能级的依据是能量大小不同。
4. 理论上第8能层有几个能级？该能层最多能容纳多少个电子？
提示：由能级数＝能层序数知，第8能层有8个能级，每一能层最多容纳的电子数为 2n2，则该能层可容纳128个电子。
重点　讲解
1. 能层与能级的规律
能层 一 二 三 四 五……
符号 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 ……
电子离核远近 近→远
电子能量高低 低→高
（1）原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数为2n2（n为能层序数）。
例如，K层最多容纳2个电子；L层最多容纳8个电子；M层最多容纳18个电子；N层最 多容纳32个电子……
（2）在每一个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf…… （n代表能层）。
（3）能层序数等于该能层所包含的能级数。任一能层的能级总是从s能级开始，而且 能级数等于该能层序数，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。
（4）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。
（5）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。
2. 能层与能级的能量比较
（1）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）。
（2）在相同能层各能级能量由低到高的顺序是ns＜np＜nd＜nf。
（3）不同能层中同一能级，能层数越大，能量越高。例如：1s＜2s＜3s＜4s……
研习　经典
A. 原子核外每能层最多可容纳的电子数为n2
B. 能层序数较大的能级，能量不一定较高
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能容纳的电子数逐渐增多
解析：原子核外每能层最多可容纳的电子数为2n2，故A错误；能层序数越大的能 级，能量不一定越高，如4s的能量低于3d，故B正确；不同能层的s轨道，能层序数越 大，其能量越高，即1s＜2s＜3s，故C错误；p能级上有3个原子轨道，最多能容纳的 电子数均为6，故D错误。
B
A. ①④ B. ②③ C. ③④ D. ①②
解析：在每一能层上都有s能级，在第二能层及以上才有p能级，在第三能层及以上才 有d能级，在第四能层及以上才有f能级，故选A。
A
A. 各能级最多可容纳的电子数按s、p、d、f……的顺序依次为1、3、5、7……的2倍
B. 各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束
C. 各能层含有的能级数为n－1
D. 各能层含有的电子数为2n2
解析：按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，A说法正确；任一能层的能级总是从s能级开始，但不一定至f能级结束，B说法 错误；能级数等于该能层序数，C说法错误；每个能层可容纳的最多电子数为2n2，但 不一定含有2n2个电子，D说法错误。
A
4. 镓元素的原子结构示意图如图所示：
（1）该元素的原子n＝3的电子层上有 个能级，这些能级的能量由高到低的顺 序是 ，该元素原子核外每一电子层上的s轨道的能量由高到低的顺序 是 。
解析：n＝3时该电子层上有3个能级，分别为3s、3p、3d，这些能级的能量按照由高到低的顺序排列为3d、3p、3s；电子层数n越大，相同能级的原子轨道的能量越高，因此该原子的s轨道的能量由高到低的顺序是4s、3s、2s、1s。
3　
3d、3p、3s　
4s、3s、2s、1s　
（2）该元素的原子n＝4的电子层上有 个能级， 个原子轨道。
解析：该元素的原子n＝4的电子层，有s、p、d、f 4个能级，轨道数为n2，则共有16个原子轨道。
（3）若电子在进入原子轨道时优先进入能量低的原子轨道，然后进入能量高的原子 轨道，且每个原子轨道上最多容纳2个电子，那么在n＝4的电子层上4p轨道上的电子 为 个。
解析：在n＝4的原子轨道上，电子先进入能量较低的4s轨道，然后进入能量较高的4p轨道，那么4p轨道上只有1个电子。
4　
16　
1　
归纳总结
不同原子轨道能量高低的关系
第*页
研习任务二　原子轨道的图形描述与电子云图
教材　认知
1. 原子轨道的图形描述
（1）描述对象：原子中单个电子的 。
（2）表示方法：将原子轨道的空间分布以图形的方式在 中呈现 出来。
（3）轨道在三维空间的图形形状：s轨道为 形，具有 性；p轨道为 哑铃形，并分别相对于 轴对称，可表示为 。
空间运动状态　
直角坐标系　
球　
球对称　
x、y、z　
px、py、pz　
2. 电子云
（1）概念：描述电子在核外空间某处单位体积内的 的图形称为电 子云图。
（2）方法：用单位体积内小点的 来表示电子在原子核外某处单位体积 内出现概率的大小。
概率分布　
疏密程度　
[思考]　（1）结合电子云和原子轨道的知识，回答下列问题。
①在电子云图中，每个小点代表1个电子吗？小点的疏密表示电子的多少吗？
②电子在原子核外出现的概率有什么规律？
③不同电子层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同？
提示：①每个小点不代表1个电子。小点的疏密表示电子在原子核外某处单位体 积内出现的概率的大小，而不是表示电子的多少。
②离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云疏散。
③不同电子层的同种能级的原子轨道形状相似，但不完全相同。只是原子轨道的半径 不同，能级序数n越大，电子的能量越大，原子轨道的半径越大。例如1s、2s、3s轨 道均为球形，原子轨道半径：r（1s）＜r（2s）＜r（3s）。
（2）对氧原子的2px、2py、2pz，有以下不同的说法，你认为正确吗？
①它们是同一原子轨道。
②电子云的形状不相同。
③电子云在空间的伸展方向相同。
④它们的能量不相同。
提示：①②③④都不正确。
判断
×
×
×
×
√
研习　经典
A. s轨道呈球形，随电子层序数的增加，s轨道数也增加
B. p轨道呈哑铃形，p轨道电子绕核做“∞”形运动
C. 电子云是笼罩在原子核外的云雾
D. 电子云表示电子在核外某处单位体积的空间出现的概率大小
解析：任何电子层的s能级都只有1个原子轨道，与电子层序数的大小无关，故A错 误；电子在p轨道上绕核高速运动，不是做“∞”形运动，故B错误；电子云不是笼 罩在原子核外的云雾，是表示电子出现的概率，小点的疏密表示电子在核外某处单位 体积内出现的概率大小，故C错误，D正确。
D
①原子中处于第三电子层的电子跃迁到第二电子层时会辐射能量　
②M电子层可以有s、p、d、f能级　③3pz表示有3个pz轨道
④在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的2个电子　
⑤2s电子云有两个空间取向
A. ①②③ B. ①④ C. ②⑤ D. ③④⑤
解析：原子中处于第三电子层的电子跃迁到第二电子层是由能量较高的电子层跃迁到 能量较低的电子层，会放出能量，①正确；M电子层为第三层，能级数等于能层数， 则有s、p、d 3个能级，②错误；3pz表示第三电子层的pz轨道，③错误；同一能级的 同一轨道上的电子自旋状态不同，即在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的 2个电子，④正确；2s电子云呈球形对称，⑤错误。
B
3. 填空。
（1）用符号填写电子层所含能级种类。
K层： ；L层： ；
M层： ；N层： 。
（2）用数字填写能级所含原子轨道数目。
s： ；p： ；d： ；f： 。
（3）用相应的符号描述在n＝2的电子层上所有的原子轨道为 ，当该层充满电子时，有 种形状不同的电子云，有 种空间运动状态 不同的电子。
1s　
2s、2p　
3s、3p、3d　
4s、4p、4d、4f　
1　
3　
5　
7　
2s、2px、2py、
2pz　
2　
8　
（4）比较下列原子轨道的能量高低（填“＜”“＝”或“＞”）。
①4s 3s 2s 1s。
②2px 2py 2pz。
③4f 4d 4p 4s。
④1s 2p 3d 4f。
⑤2py 3py 4py。
＞　
＞　
＞　
＝　
＝　
＞　
＞　
＞　
＜　
＜　
＜　
＜　
＜　
A. 3s B. 4f C. 2p D. 5d
解析：每个轨道最多容纳2个电子，3s有1个轨道，最多容纳的电子数为2；4f有7个轨 道，最多容纳的电子数为14；2p有3个轨道，最多容纳的电子数为6；5d有5个轨道， 最多容纳的电子数为10。
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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13
14
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
解析：M电子层为n＝3，即第三层，有3s、3p、3d共3个能级，共有9个轨道，最多能 容纳18个电子，故A错误；3d有5个轨道，能级最多容纳10个电子，第三层只有3s、 3p、3d三个能级，故B错误；s能级容纳的电子数最多为2，无论哪一电子层的s能级只 有1个轨道，故最多容纳的电子数均为2，故C正确；K电子层只有s能级，不含p能 级，故D错误。
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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14
A. 最易失去的电子能量最高
B. 离核最远的电子能量最高
C. p能级电子能量一定高于s能级电子能量
D. 在离核最近的区域内运动的电子能量最低
解析：原子在反应中最易失去的电子应是离核最远的最外层电子，其能量最高，A项 正确；离原子核最远的电子，受原子核的吸引力最小，能量最高，B项正确；处于高 能层中的s能级电子的能量要比处于较低能层中p能级电子的能量高，如4s＞3p，C项 错误；能量越低的电子尽量排布在离原子核越近的轨道上，D项正确。
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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14
A. 图A中的每个小点表示1个电子
B. 图B表示1s电子只能在球体内出现
C. 图A中的小点的疏密表示电子在核外空间某处单位体积内出现机会的多少
D. 图B表明1s电子云轮廓图呈圆形，有无数对称轴
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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14
解析：图A中小点表示电子出现的几率，小点越密集，表示电子出现的概率越大，A 错误；图B是电子云轮廓图，取电子云的90％的部分即出现概率比较大的部分，界面 外出现电子的概率为10％，即1s电子可能出现在球体外，B错误；图A中小点表示电 子出现的几率，电子在核外空间某处单位体积内出现机会的多少，C正确；1s轨道呈 空间上的球形，而非圆形，D错误。
1
2
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4
5
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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. p能级的原子轨道呈哑铃形，随着能层序数的增加，p能级原子轨道数也在增多
D. s、p能级原子轨道的平均半径均随电子层的增大而增大
解析：电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在核外空间某处单位体积内 出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹，选项A错误；原子轨道是电子出现的 概率约为90％的空间轮廓，在轮廓里面表明电子在这一区域内出现的机会大，在轮廓 外面表示在此区域出现的机会少，选项B错误；无论能层序数n怎样变化，每个p能级 都是3个原子轨道且相互垂直即npx、npy、npz，选项C错误。
D
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2
3
4
5
6
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14
A. 原子轨道是电子运动的轨道
B. 原子轨道表示电子在空间各点出现的概率
C. 原子轨道表示电子在空间各点出现的概率密度
D. 某一原子轨道是电子的一个空间运动状态
解析：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，原子轨道 数等于电子核外空间运动状态数，故D正确。
D
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2
3
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5
6
7
8
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14
A. 能层就是电子层
B. 不同能层，s能级能量相同
C. s能级的能量一定比p能级的低
D. 高能层的所有能级能量都比低能层能级能量高
解析：能层是电子层，A正确；不同能层，s能级能量不同，能层越大，s能级能量越 高，即1s＜2s＜3s＜…，B错误；s能级的能量也有可能比p能级高，如4s能级的能量高 于2p能级的能量，C错误；高能层能级的能量不一定比低能层能级的能量高，如3d能 级的能量比4s能级的能量高，D错误。
A
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A. 多电子原子的所有电子在同一区域里运动
B. 能量高的电子在离核近的区域运动，能量低的电子在离核远的区域运动
C. 处于最低能量状态的原子叫基态原子
D. 同一原子中，1s、2s、3s所能容纳的电子数越来越多
解析：原子核外有多电子时，电子的能量不尽相同，电子不可能都在同一区域里运 动，而是分层排布的，A项错误；能量低的电子在离原子核近的区域，即低能层运 动，而能量高的电子在离核远的区域，即高能层运动，B项错误；s能级最多容纳2个 电子，与其所在能层高低无关，D项错误。
C
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2
3
4
5
6
7
8
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A. 同一能层中不同能级的能量高低不同
B. 原子核外每个能层最多容纳的电子数都是n2（n表示能层序数）
C. d能级最多能容纳10个电子
D. 任一能层的能级总是从s能级开始
解析：同一能层中不同能级的能量高低不相同，如2s＜2p，A正确；原子核外每个能 层最多容纳的电子数都是2n2（n为电子层数），故B错误；d能级有5个轨道，每个轨 道最多能容纳2个电子，所以d能级最多能容纳10个电子，故C正确；任一能层的能级 总是从s能级开始，故D正确。
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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14
A. 各能层含有的能级数等于能层序数减1
B. 各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序依次为1、3、5、7
C. 各能层所含有的电子数一定是该能层序数平方的2倍
D. 不同能层中的s能级的能量高低相同
解析：各能层的能级数等于能层序数，A项错误；各能级的原子轨道数按s、p、d、f 的顺序依次为1、3、5、7，B项正确；各能层所含有的电子数不一定是该能层序数平 方的2倍，例如H原子的K能层只有1个电子，C项错误；不同能层中的s能级的能量高 低不同，如1s＜2s＜3s＜4s，D项错误。
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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13
14
A. 电子云形状不同
B. 原子轨道的对称类型不同
C. 电子的能量不同
D. 电子云空间取向不同
解析：2px、2py、2pz的电子云形状即原子轨道的形状都是哑铃形的，都是轴对 称图形，A、B项错误；2px、2py、2pz所表示的是同一能级中的三个不同伸展方 向的原子轨道，其能量相同，C项错误；2px、2py、2pz的电子云在空间取向上不 同，D项正确。
D
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2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
A. 在同一原子轨道上的不同电子的电子云是相同的
B. 电子云的小点表示电子曾在该处出现过一次
C. 所有原子的电子云都是球形的
D. 原子核外电子的运动无法作规律性描述
解析：电子云中的小点不代表1个电子，也不代表出现次数，小点的疏密表示出现概 率的多少，B错误；只有s轨道的电子云是球形的，C错误；核外电子的运动是没有规 律的，但是可用电子云来反映电子在核外无规则运动时某点出现的概率，D错误。
A
1
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6
7
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9
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12
13
14
13. （1）已知A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则基态A原子中，电子 占据的最高电子层符号为 ，该电子层含有的能级数为 ，该电子层含有____ 个原子轨道。
解析：A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则A原子为碳原子，核外有6个
电子，基态碳原子核外电子共占据2个电子层，电子占据的最高电子层为L层，L层含
有的能级数为2。s能级有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，所以L电子层共有4个
原子轨道。
L　
2　
4　
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
（2）钴属于价格比较昂贵的金属，其原子结构示意图为 。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，且每个原子轨道上最多容纳2个电子，预测n＝3和n＝4的电子层上各能级上的电子数目分别是多少？并指明理由。
2
由于同一电子层上
的原子轨道的能量
为ns＜np ＜nd
＜nf
6
7
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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13
14
解析：由于同一电子层上的能量为ns＜np＜nd＜nf，而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
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
14. 下图是s能级和p能级的原子轨道示意图。
试回答下列问题：
（1）s电子的原子轨道呈 形，每个s能级有 个原子轨道；p电子的原子轨 道呈 形，每个p能级有 个原子轨道。
解析：s电子的原子轨道都是球形的，每个s能级有1个原子轨道，p电子的原子轨道都是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别用px、py、pz表示。
球　
1　
哑铃　
3　
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
（2）元素X的原子结构示意图为 ，原子中能量最高的是 电子，其电子云 在空间有3个互相 （填“垂直”或“平行”）的伸展方向。元素X的名称 是 ，它的最低价氢化物的电子式是 。
2p　
垂直　
氮　
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

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