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第2课时　电子云与原子轨道　核外电子排布规则
1.通过学习用原子轨道和电子云模型来描述电子的运动状态(空间分布及能量),能辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态。2.通过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等,能根据核外电子的排布规则正确表示1～36号元素基态原子核外电子的排布。
认识电子云与原子轨道
学习任务1
1.电子云
(1)概率密度。
线性轨道
概率
(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
的形象化描述。
概率密度分布
2.电子云轮廓图
(1)概念:为了表示电子云轮廓的形状,对核外电子的 有一个形象化的简便描述,把电子在原子核外空间出现概率P= 的空间圈出来,即电子云轮廓图。
空间运动状态
90%
(2)形状。
球形
一
哑铃形
三
3.原子轨道
(1)定义:电子在原子核外的 称为一个原子轨道。
(2)形状。
①s电子的原子轨道呈 形,能层序数越大,原子轨道的半径越 。
一个空间运动状态
球
大
②p电子的原子轨道呈 形,能层序数越大,原子轨道的半径越大。p能级有3个互相垂直的轨道,分别表示为px、py、pz(如图)。
哑铃
(3)各能级所含有的原子轨道数目。
能级符号 ns np nd nf
轨道数目
1
3
5
7
德国物理学家海森堡1927年提出了著名的测不准原理(或不确定性原理),该原理指出:不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。对于像核外电子这样的粒子只能确定其在原子核外各处出现的概率。如图表示氢原子的1s概率密度分布图。
探究　辨析电子云与原子轨道
问题1:电子云图中的小点的疏密表示什么 电子在原子核外出现的概率有什么规律
提示:小点是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;离核越近,电子出现的概率越大,电子云越密集。
问题2:“电子云与原子轨道形状相同,代表的意义相同”,这种说法对吗
提示:不对。电子云是原子核外电子出现概率的形象化描述,原子轨道表示的是电子的空间运动状态,两者意义不同,电子云轮廓图与原子轨道形状也略有差别。
问题3:能层与能级(原子轨道类型)及原子轨道数目有何关系
提示:第n能层上有n个能级,n2个原子轨道。
问题4: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),共两种;填充在7个轨道中的元素只有1s22s22p63s23p1(Al)一种。
归纳拓展
1.电子云图的意义及特点
(1)电子云图中的小点并不代表电子,小点的数目也不代表电子真实出现的次数。
(2)电子云图表示电子在核外空间出现的概率密度的相对大小。电子云图中小点密度越大,表示电子出现的概率密度越大。
(3)电子云的外围形状具有不规则性,电子云图很难绘制,使用不方便,故常使用电子云轮廓图。
归纳拓展
2.原子轨道的数目与能量
(1)原子轨道数与能层序数(n)的关系:原子轨道数目=n2。
(2)同一能层中,不同能级的原子轨道的能量及空间伸展方向不同,但同一能级的几个原子轨道的能量相同,如2px、2py、2pz。
题点一　对电子云的理解
1.图甲和图乙分别是1s电子的概率密度分布图和电子云轮廓图。下列认识正确的是(　　)
A.图甲中的每个小黑点表示1个电子
B.图乙表明1s电子云呈球形,有无数条对称轴
C.图乙表示1s电子只能在球体内出现
D.不同能层的s电子云的半径相等
B
【解析】 1s能级只有1个原子轨道,最多排2个电子,所以图甲中的每个小黑点表示1个电子是错误的,小黑点的作用是通过其疏密来形象地描述电子在原子核外空间各处出现的概率,A错误;由图乙可知,1s电子云轮廓图呈球形,球形为对称图形,有无数条对称轴,B正确;1s电子云轮廓图为球形,代表1s电子出现概率大的区域呈球形,但1s电子也可能在其他区域出现,只是出现的概率小,C错误;能层越大,s电子云的半径越大,D错误。
2.按照量子力学对原子核外电子运动的描述,下列说法正确的是(　　)
A.能级的能量:4s<3s<2s<1s
B.核外电子运动存在固定轨迹的轨道
C.电子云图中的小黑点密,表示该核外空间的电子多
D.在一个原子中,不可能出现运动状态完全相同的两个电子
D
【解析】 同一原子中,形状相同的原子轨道能层越低,能量越低,所以能级的能量:1s<2s<3s<4s,A项错误;核外电子运动只是在某个区域出现的概率大些,不是围绕原子核在固定的轨道上运动,B项错误;电子云图中的小黑点密,表示电子出现的机会大,不表示在该核外空间的电子数多,C项错误;电子运动状态取决于能层、能级、原子轨道的形状和伸展方向及电子的自旋状态,故在一个原子中,不可能出现运动状态完全相同的两个电子,D项正确。
题点二　原子轨道
3.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.每个p能级都有3个原子轨道
B.s能级和p能级的原子轨道形状相同
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无关
A
【解析】 每个p能级都有相互垂直的px、py、pz 3个原子轨道,A正确;s能级的原子轨道形状为球形,而p能级的原子轨道形状为哑铃形,两者不相同,B错误;已知Na是11号元素,其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s1,故钠原子的电子在1s、2s、2px、2py、2pz、3s 6个原子轨道上高速运动,C错误;
s能级的原子轨道半径随着能层序数的递增而增大,形状保持不变,D错误。
4.下列有关原子轨道的叙述正确的是(　　)
A.硫原子的2s轨道能量较3p轨道高
B.电子层序数n=4的原子轨道最多可容纳16个电子
C.铯原子的2s与5s电子云轮廓图均为球形
D.因为s轨道的形状是球形,所以s电子做的是圆周运动
C
【解析】 根据原子轨道能量由低到高的排列原则,2s轨道能量低于3p轨道,故A错误;电子层序数n=4的原子轨道最多可容纳2×42=32个电子,故B错误;所有s轨道电子云轮廓图都是球形,故C正确;电子的运动是无规则的,没有固定的轨道,故D错误。
5.元素X的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1。试回答下列各题。
(1)电子排布式中的n=　　 　　;原子中能量最高的是　　 　　电子,其电子云在空间有　　　　　　　　　　　方向,原子轨道呈　　　　形。
(2)元素X的名称是　　　　。
2　
【解析】 元素X的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,根据核外电子排布规律可知n=2,则X是N。
2p　
三种互相垂直的伸展　
哑铃
氮
模型认知
原子的核外电子的运动(以Cl为例)
氯原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5
①运动状态数等于电子数 氯原子核外有17个电子,则有17种不同运动状态的电子
②空间运动状态数等于轨道数 氯原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5,其轨道数为1+1+3+1+3=9,则有9种不同的空间运动状态
模型认知
③伸展方向看轨道类型 氯原子的s轨道为球形,只有1种伸展方向,
p轨道有3种伸展方向,则共有4种不同的伸展方向
④不同能量的电子看能级数 氯原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5,有5种不同能量的电子
⑤运动范围看电子层数 氯原子的核外有3个电子层,有3种不同的运动范围
掌握泡利原理、洪特规则、
能量最低原理
学习任务2
1.电子自旋与泡利原理
(1)电子自旋:电子除空间运动状态外,还有一种状态叫做自旋。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。电子自旋在空间有
和 两种取向,简称自旋相反,常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。
(2)泡利原理(也称泡利不相容原理):在一个原子轨道里,最多只能容纳 个电子,它们的自旋 。
顺时针
逆时针
2
相反
(3)因为每个原子轨道最多只能容纳2个电子且自旋方向相反,所以从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来说明电子的运动状态是不可能有两个完全相同的电子的,任何一个原子里绝不会出现运动状态完全相同的电子。
相反
2.电子排布的轨道表示式
(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:在轨道表示式中,用方框(也可用圆圈)表示 ,能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连,箭头表示一种自旋状态的电子,“↑↓”称 ,“↑”或“↓”称单电子(或未成对电子)。箭头同向的单电子称为自旋平行。
原子轨道
电子对
(3)举例:铝原子的轨道表示式中各符号、数字的意义如图。
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。
4.能量最低原理
(1)内容:在构建基态原子时,电子将尽可能地占据 的原子轨道,使整个原子的能量最低。
(2)影响原子能量的因素: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。
能量最低
在能量相等的轨道上,自旋平行的电子数目最多时,原子的能量最低。所以在能量相等的轨道上,电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。例如,碳原子核外有6个电子,按能量最低原理和泡利不相容原理,首先有2个电子填充在第一层的1s轨道中,另外2个电子填充在第二层的2s轨道中,剩余2个电子填充在2个不同的2p轨道中,具有相同的自旋方向,而不是2个电子填充在一个p轨道中,自旋方向相反。
探究　认识核外电子排布的两原理一规则
提示:不正确。违背了泡利原理和洪特规则。
问题2:写出基态碳原子的轨道表示式,并据此判断基态碳原子核外有多少种运动状态的电子,有多少种空间运动状态的电子,有几个未成对电子,与碳同周期的元素中未成对电子数最多的是哪种。
问题3:查阅元素周期表可知,基态Cr的价层电子排布式为3d54s1而不是3d44s2,为什么
提示:能量相同的原子轨道在全充满、半充满、全空时,体系能量较低。
问题4:试写出基态铜原子的核外电子排布式和价层电子排布图。
1.基态原子核外电子排布遵循的规则
(1)核外电子在原子轨道上排布要同时遵循构造原理、泡利原理、洪特规则、能量最低原理。
(2)泡利原理、洪特规则、能量最低原理并不是孤立的,而是相互联系、相互制约的。
(3)能量最低原理可叙述为在不违背泡利(不相容)原理的前提下,核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低,而不是说电子填充到能量最低的轨道中去。
归纳拓展
(4)洪特规则特例:在简并轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时,具有较低的能量和较大的稳定性。
归纳拓展
如24Cr:[Ar]3d54s1,29Cu:[Ar]3d104s1符合能量最低原理。
2.核外电子排布的表示方法
归纳拓展
归纳拓展
题点一　原子核外电子排布规则的理解与应用
1.下列对某些基态原子的核外电子排布评价正确的是(　　)
B
2.下列氮原子的轨道表示式中,能量最高的是(　　)
D
【解析】 各能级轨道中电子能量1s<2s<2p,能量较高的轨道中电子越多,该粒子能量越高,所以2p轨道上电子越多、s轨道上电子越少,该粒子能量越高,根据图知能量由低到高的顺序是A3.下列粒子中,最外层未成对电子数最多的是(　　)
A.O B.F
C.Mn D.Fe3+
D
【解析】 O的最外层电子排布式为2s22p4,2p能级上有2个未成对电子;F的最外层电子排布式为2s22p5,2p能级上有1个未成对电子;Mn的最外层核外电子排布式为4s2,最外层未成对电子数为0;Fe3+的最外层电子排布式为3s23p63d5,3d能级上有5个未成对电子。根据分析可知,最外层未成对电子数最多的是Fe3+,D符合题意。
题点二　核外电子排布表示方法
4.下列表示钠原子结构的化学用语中,对电子运动状态的描述最详尽的是
(　　)
D
【解析】 图示只能表示原子核外2p能级电子云轮廓图,不能表示其他能级上电子云轮廓图,A不符合题意;原子结构示意图只表示核外的电子分层排布情况,不能表示电子的运动状态,B不符合题意;电子式只能表示最外层电子数,C不符合题意;电子排布图包含了能层、能级、轨道以及轨道内电子的自旋状态,对电子运动状态描述最详尽,D符合题意。
5.A、B、C、D、E代表5种元素,请回答下列问题。
(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子,次外层有2个电子,该原子的电子排布式为　　　　　　。
1s22s22p3
【解析】 (1)次外层有2个电子,说明次外层为第一层,故最外层为第二层,第二层有2s、2p两个能级,2s上最多排两个电子,故3个未成对电子在2p能级上,即2p3,故A原子的电子排布式为1s22s22p3。
(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子排布式都与氩原子
相同,B元素的符号为　　　,C的离子结构示意图为　　　　　　　。
Cl
(3)D元素的正三价离子的3d能级半充满,D的元素符号为　　　　　,其基态原子的价层电子排布式为　 。
Fe　
3d64s2
【解析】 (3)由题意知,D3+电子排布式为[Ar]3d5,故D原子有18+5+3=26(个)电子,即铁元素,符号为Fe,其基态原子的价层电子排布式为3d64s2。
(4)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子,只有一个未成对电子,E的元素符号为　　,其基态原子的价层电子排布图为　　　　　　　　　。
Cu
书写轨道表示式的“五注意”
(1)一个方框表示一个原子轨道,一个箭头表示一个电子。
(2)不同能级中的□要相互分开,同一能级中的□要相互连接。
(3)整个轨道表示式中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。
(4)当□中有2个电子时,它们的自旋状态必须相反。
(5)基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。
模型认知
知识整合
现有六种元素,其中A、B、C、D为短周期主族元素,E、F为第四周期元素,它们的原子序数依次增大。
A元素原子的核外p电子数比s电子数少3
B元素形成的物质种类繁多,其形成的一种固体单质是自然界中最硬的物质
C元素基态原子p轨道有3个未成对电子
D原子核外所有p轨道全充满或半充满
E在该周期中未成对电子数最多
F能形成红色(或砖红色)的F2O和黑色的FO两种氧化物
根据上述信息,回答下列问题。
(1)画出A基态原子的核外电子轨道表示式:　 。
(2)某同学画的B基态原子的核外电子轨道表示式为 ,该轨道表示式违背了　　　　　　　。
(3)D基态原子中能量最高的电子,其电子云在空间有　　　个伸展方向,呈　　　　形。
洪特规则
3　
哑铃
(4)写出C原子的电子排布式:　　　　　　　　;
写出E原子的简化电子排布式:　　　　　　　　。
(5)写出F元素原子的价层电子排布式:　　　　　　。
1s22s22p3
[Ar]3d54s1
3d104s1
【解析】 A、B、C、D为短周期主族元素,原子序数依次增大,A元素原子的核外p电子数比s电子数少3,故电子排布式为1s22s22p1,即A为硼元素;B元素形成的物质种类繁多,其形成的一种固体单质是自然界中最硬的物质,则B为碳元素;C元素基态原子p轨道有3个未成对电子,价层电子排布式为ns2np3,D原子核外所有p轨道全充满或半充满,结合原子序数可知,价层电子排布式为3s23p3符合题意,即C为氮元素、D为磷元素;E在该周期中未成对电子数最多,又知E为第四周期元素,则其价层电子排布式为3d54s1,则E为铬元素;F能形成红色(或砖红色)的F2O和黑色的FO两种氧化物,即F为铜元素。
命题解密与解题指导
情境解读:以短周期具有典型特征的几种元素为载体,理解并运用电子排布规则推断元素,并能用正确的化学用语表征。
素养立意:通过元素推断及结构表征,考查证据推理与模型认知素养。结合原子核外电子排布规律及核外电子排布的原则建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。
思维建模:

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