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原子结构与元素性质
专题2
课程标准要求 学科核心素养
1.了解有关核外电子运动模型的历史发展过程,认识核外电子的运动特点。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电子层,在一定条件下会发生激发与跃迁。知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述。 1.宏观辨识与微观探析:从微观角度认识电子的运动状态,了解电子的激发与跃迁,形成“结构决定性质”的观念;从微观角度认识核外电子的运动规律及核外电子排布规律,辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态;从微观角度认识核外电子排布的周期性变化是元素的原子半径、第一电离能、电负性等周期性变化的根本原因,建立“位—构—性”的本质关联,培养宏观辨识与微观探析核心素养。
2.知道原子核外电子的能级高低顺序,了解原子核外电子排布的构造原理,认识基态原子核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等。知道1～36号元素基态原子核外电子的排布。
3.认识元素的原子半径、第一电离能、电负性等元素性质的周期性变化,知道核外电子排布呈现周期性变化是导致元素性质周期性变化的原因。知道元素周期表中分区,周期和族的元素原子核外电子排布特征,了解元素周期律(表)的应用价值。 2.证据推理与模型认知:通过对不同时期原子结构模型的认识,了解建构模型在认识原子结构中的重要作用,形成证据观念,建立观点、证据和结论之间的逻辑关系;利用构造原理模型书写1～36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式;建立比较元素原子半径大小及第一电离能大小的认知模型,能够利用认知模型比较原子半径及第一电离能的大小;认识电负性,并建立电负性推断元素化合价的认知模型,培养证据推理与模型认知核心素养。
第一单元　原子核外电子的运动
第1课时　原子核外电子的运动特征
1.通过原子结构模型的演变史学习,能说明原子结构模型发展演变的历程。2.通过原子轨道、能级的学习,能用轨道和能级概念描述核外电子的运动
状态。
人类对原子结构的认识
学习任务一
1.原子结构模型的演变
(1)实心球模型:19世纪,英国科学家道尔顿提出了近代原子论,认为原子有质量,不可分割。
(2)“葡萄干面包式”模型:19世纪末,英国物理学家汤姆生发现了电子,提出电子普遍存在于原子中。
(3)有核模型:1911年,英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验,认为原子的质量主要集中在原子核上,电子在原子核外空间做高速运动。
(4)1913年,丹麦物理学家玻尔研究了氢原子的光谱后,根据量子力学的观点,提出了新的原子结构模型:
①原子核外电子在一系列 上运动,既不 ,也不 。
②不同的原子轨道具有不同的能量,原子轨道的能量变化是 ,即量子化的。
稳定的轨道
放出能量
吸收能量
不连续的
③原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生 。当电子吸收了能量后,就会从能量较低的轨道 到能量较高的轨道上。处于能量较高轨道上的电子不稳定,会回到能量较低的轨道上,当电子从能量较高的轨道回到能量较低的轨道时,就会发射出光子,发出光的波长取决于两个轨道的
。
跃迁
跃迁
能量之差
2.现代量子力学模型
(1)电子主要在原子核周围的球形区域内运动。运动区域距离核近,电子出现的机会大;运动区域距离核远,电子出现的机会小。
(2)电子云。
用小点的疏密来描述电子在原子核外空间出现的 所得到的图形叫电子云。
用小点代表电子在核外空间区域内 ,小点的疏密与电子在该区域内 大小成正比。
机会大小
出现的机会
出现的机会
宏观物体的运动有确定的运动轨迹,可以准确测出其在某一时刻所处的位置及运行的速度,描绘出其运动轨迹。而微观粒子质量小、运动空间小、运动速度快,不能同时准确测出其位置与速度,所以对于像核外电子这样的微粒只能确定其在原子核外各处出现的机会,用体现机会大小的电子云图表示。如氢原子的电子云图:
探究　电子的运动特点及表示方法
问题1:电子云图中的小点的含义是什么 小点的密度表示什么
提示:小点代表电子在原子核外空间区域内出现的机会。小点的疏密与电子在该区域内出现的机会大小成正比,小点密度越大,表明出现的机会越大。
问题2:电子在原子核外出现的机会有什么规律
提示:离核越近,电子出现的机会越大。
归纳拓展
对电子云意义的正确理解
(1)电子云表示电子在原子核外空间某处出现的机会大小,不代表电子的实际运动轨迹。
(2)电子云图中的小点不表示实际电子,而是电子在原子核外空间区域内出现的机会。小点密集的地方,表示电子在该区域内出现的机会大;小点稀疏的地方,表示电子在该区域内出现的机会小。
归纳拓展
(3)电子云的意义:电子云不仅表示了电子在核外空间某处出现的机会大小,同时说明量子力学中轨道的含义已与玻尔原子结构模型中轨道的含义完全不同,它既不是圆周轨道,也不是其他经典意义上的固定轨迹。
1.人类对原子结构的认识经历了漫长的历史阶段。其中最有代表性的有道尔顿原子结构模型、汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型和玻尔原子结构模型等。这些原子结构模型都是建立在一定的实验研究基础上的。下列实验事实与原子结构模型建立的关系正确的是(　　)
A.电子的发现:道尔顿原子结构模型
B.α粒子散射:卢瑟福原子结构模型
C.α粒子散射:玻尔原子结构模型
D.氢原子光谱:卢瑟福原子结构模型
B
【解析】 道尔顿原子结构模型是依据一些元素化合时具有确定的质量比例关系而提出的,A错误;卢瑟福原子结构模型是通过α粒子的散射实验提出的,
B正确;玻尔原子结构模型是在研究氢原子光谱时,引入量子论观点而提出的,
C、D错误。
2.下列关于“电子云”的描述中,正确的是(　　)
A.黑点的多少表示电子个数的多少
B.一个小黑点代表电子在此出现过一次
C.电子云是带正电的云雾
D.小黑点的疏密表示电子在核外空间单位体积内出现机会的多少
D
【解析】 电子云图中小黑点自身并没有意义,一个小黑点并不代表一个电子,也就不能说“一个小黑点代表电子在此出现过一次”,因为它只是一种统计的结果。小黑点的疏密表示电子在核外空间单位体积内出现机会的大小。电子云只是对核外电子运动特征的一种形象描述。
原子核外电子的运动特征
学习任务二
电子层(n) 1 2 3 4 5 6 7
符号 K L M N O P Q
能量 由 到
离核 由 到
1.电子层
根据电子的能量差异和主要运动区域的不同,认为核外电子处于不同的电子层上。
低
高
近
远
2.能级
实验和量子力学研究表明,处于同一电子层的原子核外电子,可以在不同类型的原子轨道上运动,其能量也不相同,故可将同一电子层进一步划分为不同的 。
能级
3.原子轨道
(1)概念:量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。
(2)表示方法:用小写英文字母 分别表示不同形状的原子轨道。核外电子所处的轨道用表示电子层的n和表示原子轨道形状的s、p、d、f结合起来表示,如3s表示第3电子层的s轨道。
s、p、d、f
原子轨道 形状 空间分布 延伸方向数目 轨道数 可容纳的电子数
s 形 球形对称 — 2
p 形 沿x、y、z轴方向延伸 6
d — — 10
f — — 14
(3)轨道形状和空间延伸方向。
同一类型的原子轨道形状相同,但伸展方向不一定相同。每一种伸展方向代表一个原子轨道。
球
1
纺锤
3
3
5
5
7
7
4.自旋
处于同一原子轨道上的电子自旋状态可以有 种,分别用符号“ ”和“ ”表示。
5.原子轨道的能量比较
2
↑
↓
如图所示,在多电子原子中,核外电子是分层运动的,能量高的电子在离核远的区域里运动,能量低的电子在离核近的区域里运动。这也说明多电子的原子中,电子按一定规律分布到各电子层,不同电子层中的电子能量是不同的。
探究　电子层包含原子轨道数目及其最多容纳电子数
问题1:s、p、d、f轨道最多分别可容纳多少个电子 3d、4d、5d轨道最多所能容纳的电子数是否相同
提示:s、p、d、f轨道分别有1、3、5、7个延伸方向,对应有1、3、5、7个原子轨道,每个轨道可以容纳2个电子,所以最多容纳的电子数依次为2、6、10、14;3d、4d、5d轨道含有的轨道数目相同,最多所能容纳的电子数相同。
问题2:电子层数与轨道种类数、轨道个数、最多容纳电子数之间有何关系 请举例说明。
提示:轨道种类数等于电子层数(n)、轨道个数等于电子层数的平方(n2)、电子层最多容纳电子数等于电子层数平方的二倍(2n2),如第3电子层,含有3s、3p、3d三种轨道类型,共有1+3+5=9(个)原子轨道,最多容纳18个电子。
问题3:第5电子层最多可容纳多少个电子 预测它们分别容纳在几种原子轨道中 各种原子轨道最多容纳多少个电子
提示:第5电子层最多可容纳50个电子;它们分别容纳在5种原子轨道上;各种原子轨道最多容纳电子数分别为2、6、10、14、18。
1.各电子层所包含的原子轨道数目及最多容纳的电子数
归纳拓展
电子层
(n) 1 2 3 4 5 6 7 n
符号 K L M N O P Q …
原子轨道
类型 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s … … … …
原子轨道
数目 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 … … … …
最多容纳
的电子数 2 8 18 32 … … … 2n2
2.在同一个原子中,没有运动状态完全相同的两个电子,故原子中有多少个电子就有多少种不同的运动状态。
归纳拓展
题点一　电子运动状态的表示方法
1.在对电子运动状态的描述中,确定一个“轨道”的方面包括(　　)
①电子层　②轨道类型　③电子云的伸展方向 ④电子的自旋状态
A.①②③④ B.①②③
C.①② D.①
B
【解析】 在对电子运动状态的描述中,确定一个“轨道”的方面包括①电子层、②轨道类型、③电子云的伸展方向三个方面;电子的自旋状态与电子运动轨道无关,描述的是电子自旋的方向,故选B。
2.如图是s能级和p能级的原子轨道图,下列说法正确的是(　　)
A.s能级和p能级的原子轨道形状相同
B.每个p能级都有6个原子轨道
C.钠原子的电子在11个原子轨道上高速运动
D.s能级的原子轨道半径与能层序数有关
D
【解析】 s能级轨道为球形,p能级轨道为纺锤形,轨道形状不相同,A错误;每个p能级都有3个原子轨道,B错误;钠原子的电子有1s、2s、2p、3s 4个能级,6个原子轨道,则11个电子在6个原子轨道上高速运动,C错误;能层序数越小,s能级的原子轨道半径越小,则s能级的原子轨道半径与能层序数有关,D正确。
描述核外电子运动状态的参数
思维建模
题点二　电子(或轨道)能量比较
3.原子核外电子分层排布,不同的电子层上运动的电子能量不同。下列电子层上运动的电子能量最低的是(　　)
A.M层 B.K层 C.L层 D.N层
B
【解析】 多电子原子中核外电子是分层排布的,电子层从内到外排布的顺序为K、L、M、N、O、P、Q,电子层距离原子核越近,电子层上运动的电子能量越低,则K、L、M、N中K层上运动的电子能量最低。
4.下列能级(或轨道)能量高低比较中,错误的是(　　)
A.2px>2py>2pz B.1s<2s<3s
C.4s<4p<4d D.3d>4s
A
【解析】 能层相同,能级相同,则三者能量相同,A错误;相同能级,不同能层,
能层越高,能量越高,B正确;相同能层,不同能级能量顺序为ns4s,D正确。
题点三　电子层、原子轨道及容纳电子数关系
5.用n表示电子层,下列有关认识正确的是(　　)
A.各电子层含有的轨道类型按K、L、M、N分别为1、2、3、4种
B.各电子层含有的轨道都是从ns轨道开始至nf轨道结束
C.各电子层含有的原子轨道个数为n-1
D.各电子层含有的电子数为2n2
A
【解析】 各电子层中的轨道种类数等于对应电子层数,即当n=1时,它只有s轨道,当n=2时,含有s、p两种轨道,A正确,B错误;每个电子层最多含有n2个原子轨道,最多能填充2n2个电子,C、D错误。
6.下列有关能层和能级的叙述中正确的是(　　)
A.M层有s、p、d共3个能级,最多能容纳18个电子
B.3d能级最多能容纳5个电子,3f能级最多能容纳7个电子
C.无论哪一能层的s能级只能容纳的电子数为2
D.任一能层都有s、p能级,但不一定有d能级
A
【解析】 M层有s、p、d共3个能级,最多能容纳18个电子,A正确;3d能级最多能容纳10个电子,从N层开始有f能级,f能级最多能容纳14个电子,不存在3f能级,B错误;每个能层都从s能级开始,且s能级最多能容纳2个电子,最外层时也可容纳1个电子,C错误;K层只有s能级,不含有p能级,D错误。
知识整合
下列是某原子核外第2电子层的原子轨道示意图,试回答下列问题。
(1)请从前到后依次写出对应的原子轨道符号:　　　　　　　　　　;比较各原子轨道上电子能量的高低:　　　　　　　　　　。
2s、2px、2py、2pz
【解析】 (1)s电子的原子轨道呈球形对称,所以只有一个s轨道;p电子的原子轨道有三种伸展方向,即有px、py、pz三个原子轨道。同一电子层同一类型的不同原子轨道能量相等,同一电子层不同类型的原子轨道能量为ns2px=2py=2pz>2s
(2)同一原子轨道最多容纳的电子数是　　 　,第2电子层最多容纳的电子数是　　　　。
(3)s轨道、p轨道的半径与　　　　　　　有关,关系是　
　　　　 　　　　。
2
【解析】 (3)s电子原子轨道、p电子原子轨道的半径与电子层数有关,电子层数越大,原子轨道的半径越大。
8
电子层数
电子层数越大,
原子轨道的半径越大
命题解密与解题指导
情境解读:以常见的s、p轨道结构示意图为载体考查原子轨道的识别、能量高低比较、容纳电子情况等。
素养立意:强化结构化学研究学习中的模型认知素养。
思维建模:电子层数与原子轨道数、所容纳电子数的关系。
(1)原子轨道数与电子层数(n)的关系是原子轨道数为n2。
(2)处于同一个原子轨道上的电子有两种不同的自旋状态。每个电子层可容纳电子数最多为2n2。

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