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专题2　原子结构与元素性质
第一单元　原子核外电子的运动
第1课时　人类对原子结构的认识
和原子核外电子的运动特征
课程标准 核心素养目标
1.能举例说明原子结构模型发展演变的历程，基于实验证据建构和优化模型。
2．能用轨道和能级概念描述核外电子的运动状态。 宏观辨识与微观探析：通过本部分的学习，学生能从微观探析角度分析和认识化学问题。
一、人类对原子结构的认识
1．原子是由_________和____________构成的，其中_________带正电，它又是由带正电的______和不带电的______构成的，____________带负电。整个原子呈_________。
2．原子中：质子数＝____________＝_______________＝原子序数；
质量数＝_________＋_________。
原子核
核外电子
原子核
质子
中子
核外电子
电中性
核电荷数
核外电子数
质子数
中子数
3．1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子结构的有核模型。卢瑟福认为原子的质量主要集中于_________上，电子在原子核外空间做高速运动。
4．1913年，丹麦物理学家玻尔提出新的原子结构模型：
(1)原子核外电子在一系列稳定的轨道上运动，这些轨道称为________ ____；核外电子在原子轨道上运动时，没有能量变化。
(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________的。
(3)原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生跃迁。
原子核
原子轨
道
不连续
5．原子核外电子运动不遵循宏观物体所具有的运动规律，科学家用____________的方法来形象地描绘电子在原子核外空间出现机会的大小。用小点的疏密来描述电子在原子核外空间出现的机会大小所得到的图形叫做_________。离核近的区域电子出现的机会___，离核远的区域电子出现的机会___。
6．原子处于能量最低状态时，称为______。
统计图示
电子云
大
小
基态
二、原子核外电子的运动特征
1．原子轨道的类型有s、p、d、f等。
s轨道呈___ 形，有1个轨道，可容纳2个电子。
p轨道呈______形，在空间有3个伸展方向，包括______________3个轨道，它们之间是互相垂直的，可容纳6个电子。
d轨道有5个轨道，可容纳10个电子。
f轨道有7个轨道，可容纳____个电子。
球
纺锤
px、py、pz
14
2．原子轨道用_____________________和_________________________ ___________结合起来共同表示，如1s、2s、2p、3d等。
3．第n电子层中含有的原子轨道类型有n种，原子轨道数目为n2个，可容纳的电子数为2n2。例如：第3层中，含有3s、3p、3d三种类型的轨道，原子轨道数目为__，一共可容纳的电子数为____。
表示电子层的n
表示原子轨道形状的s、
p、d、f
9
18
4．(1)处于相同电子层的原子轨道能量的高低：ns___np___nd___nf。
(2)形状相同的原子轨道能量的高低：2p___3p___4p。
(3)电子层和形状均相同的原子的能量相等：如2px___2py___2pz。
5．原子核外电子还存在一种称为“自旋”的运动。自旋可以有两种不同的状态，分别用“___”和“___”表示。
<
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＝
＝
↑
↓
◆拓展延伸
原子结构模型的演变
理论模型 演变历程
道尔顿原子论 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
汤姆生“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，提出了原子结构的“葡萄干面包式”模型，开始涉及原子内部的结构
卢瑟福有核模型 1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子结构的有核模型
理论模型 演变历程
玻尔原子
结构模型 1913年，丹麦科学家玻尔根据氢原子光谱实验，进一步建立起核外电子分层排布的原子结构模型
量子力
学模型 20世纪20年代中期建立的量子力学理论，产生了原子结构的量子力学模型
◆名师总结
图示原子结构模型
◆易错警示
对电子云认识的误区
(1)电子云表示电子在原子核外空间某处单位体积内出现的机会大小，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某处单位体积内出现机会大小的形象描述。小点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的机会大；小点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的机会小。
◆归纳总结
电子层数与原子轨道类型数目相同
探究一__电子层__原子轨道
电子是一种微观粒子，在原子内、原子核外很小的空间(直径约10-10 m)内做高速运动。电子的运动非常复杂，一个电子的运动状态可以从4个方面进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋状态；在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在。
[问题设计]
(1)前面我们已经学习了核外电子排布的知识，核外电子排布的各个规律是孤立的吗？
提示：核外电子排布的一般规律相互联系、相互制约，任何一条都不能违背。
(2)量子力学把原子中的单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述。如何从量子力学的角度描述核外电子的运动状态？
提示：电子层、原子轨道、空间伸展方向和自旋状态四个因素决定了电子的运动状态；与电子能量有关的因素有电子层和原子轨道，即处于同一电子层同一原子轨道中的电子具有相同的能量。
1．核外电子排布的一般规律
(1)原子核外各电子层最多容纳的电子数为2n2个(n代表电子层序数)，即第一层不超过2个，第二层不超过8个，第三层不超过18个。
(2)原子最外层电子数目不超过8个(K层为最外层时不超过2个)。
(3)次外层电子数目不超过18个(K层为次外层时为2个)，倒数第三层电子数目不超过32个。
(4)核外电子总是尽可能地先排布在能量较低的电子层，然后由里向外，依次排布在能量逐步升高的电子层。
2．核外电子的不同能量的符号描述
(1)在每一个电子层中，能量不同的电子，分别在不同的原子轨道上运动，常用符号ns、np、nd、nf……(n代表电子层)表示。s、p、d、f代表不同的轨道形状。每层包含的轨道符号、电子层序号、能量大小顺序如下图所示：
(2)同一原子轨道又可能包含几个空间伸展方向不同的原子轨道：s原子轨道中有1个原子轨道；p原子轨道中有3个能量相同的原子轨道，分别记作npx、npy、npz；d原子轨道中有5个能量相同的原子轨道。
【例1】 (2023·陕西延安高二质检)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错误；玻尔的原子结构模型很好地解释了氢原子光谱，D错误。
1．(2023·福建福州高二质检)自从1803年英国化学家道尔顿提出了原子学说，人类对原子结构的认识就不断深入、发展，并通过实验事实不断地完善对原子结构的认识。下列关于原子结构模型的说法，正确的是 (　　)
A.道尔顿的原子结构模型将原子看作实心球，故不能解释任何问题
B．汤姆生“葡萄干面包式”原子结构模型成功地解释了原子中的正、负粒子是可以稳定共存的
C．卢瑟福原子结构的有核模型指出了原子核和核外电子的质量关系、电性关系及占有体积的关系
D．玻尔电子分层排布原子结构模型引入了量子化的概念，能够成功解释所有的原子光谱
C
解析：
道尔顿的原子理论成功地解释了质量守恒定律等规律，A错误；汤姆生“葡萄干面包式”原子结构模型提出了正、负电荷的共存问题，但同时认为在这样微小的距离上有着极大的作用力，存在着电子会被拉进去并会碰撞在带正电的核心上这样的问题，B错误；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子结构的有核模型，散射实验的结果能够分析出原子核和核外电子的质量关系、电性关系及占有体积的关系，C正确；玻尔电子分层排布原子结构模型只引入了一个量子化的概念，只能够解释氢原子光谱，而不能解释比较复杂的原子光谱，D错误。
探究二__核外电子的运动特征

电子云是1926年奥地利学者薛定谔在德布罗意关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了二阶偏微分的薛定谔方程式。原子轨道就是波函数，薛定谔方程是波函数的偏微分方程，最后结果是解出了波函数的表达式，也就是原子轨道的表达式，由波函数的表达式画出的图就是原子轨道的图形。
[问题设计]
(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？
提示：不代表1个电子。小点的疏密表示电子在原子核外单位体积内出现的机会大小，而不是表示电子的多少。
(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，电子云越密集。如1s电子云比2s电子云密集。
(3)不同电子层的同种类原子轨道的形状是否完全相同？
提示：不同电子层的同种类原子轨道的形状相似，但不完全相同。只是原子轨道的半径不同，电子层序数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)1．电子云中的小点：并不是表示原子核外的一个电子，而是表示电子在此空间出现的机会大小。电子云密度大的地方说明电子出现的机会大，而电子云密度小的地方说明电子出现的机会小。
2．原子轨道：指量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。
(1)原子轨道类型：
轨道类型不同，轨道的形状也不同，用s、p、d、f表示不同类型的轨道。
(2)原子轨道的形状——电子云轮廓图
①s原子轨道
s轨道：呈球形
②p原子轨道
p轨道：纺锤形
③d原子轨道
d轨道：花瓣形
④f原子轨道形状更复杂。
3．轨道的伸展方向
[名师总结]
1．描述核外电子运动状态的参数
2．各电子层包含的原子轨道类型及最多容纳的电子数
【例2】 若原子的电子层数为n，则下列推论不正确的是 (　　)
A．第n电子层中具有的原子轨道类型为n种
B．第n电子层中具有的原子轨道数为n2
C．第n电子层中最多具有的电子数为2n2
D．同一原子轨道上的电子能量一定相同，不同原子轨道上的电子能量一定不同
D
解析：
同一原子里有不同轨道，如s轨道和p轨道中的电子能量肯定不同。不同的原子轨道，只要对应的电子层数和原子轨道类型相同，则能量相同，D错误。
[深度思考](1)每个电子层中最多容纳的电子数为何是2n2
(2)p轨道的能量一定比s轨道的能量大吗？
提示：(1)每个电子层可能有的最多轨道数为n2，每个轨道又只能容纳2个电子，因此，每个电子层最多容纳的电子数是2n2。
(2)不一定，在电子层数相同时一定成立。若电子层数不相同时，p轨道的能量可能比s轨道的能量小，如3s>2p；p轨道的能量可能比s轨道的能量大，如2s＜3p。
2．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运转
B．能层序数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道
C．氢原子只有一个电子，故只有一个原子轨道，不能发生跃迁而产生原子光谱
D．氢原子的1s电子云与氧原子的2s电子云形状相同
D
解析：
量子力学指出，电子在核外并非在固定的原子轨道上绕核高速运转，而是在核外空间各处都可能出现，A错误；能层序数为3时，有3s、3p、3d三个能级，其中3s能级有1个轨道，3p能级有3个轨道，3d能级有5个轨道，共9个轨道，B错误；氢原子只有一个电子，但有多个空轨道，1s电子可以跃迁到较高能级轨道上，吸收能量而产生原子光谱，C错误；ns电子云的形状相同，都是球形，D正确。
1．如图①②③原子结构模型中依次符合卢瑟福、道尔顿、汤姆生的观点的是 (　　)
A．①②③　　　　　 B．③①②
C．③②① D．②①③
B　
解析：
卢瑟福提出了原子的有核模型，道尔顿认为原子是一个实心的球体，汤姆生发现了电子，并提出了“葡萄干面包式”模型，B正确。
2．有关核外电子运动规律的描述错误的是 (　　)
A．核外电子质量很小，在原子核外做高速运动
B．核外电子的运动规律与普通物体不同，不能用牛顿运动定律来解释
C．在电子云示意图中，通常用小点来表示电子绕核做高速圆周运动
D．钠原子的1s、2s、3s电子云半径不同
C　
解析：
电子云图中的小点自身并没有意义，一个小点并不代表一个电子，也就不能说“一个小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。电子云是一个比喻的说法，好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，电子云只是对原子核外电子运动特征的一种形象描述，C错误。
3．电子层序数为n，下列认识正确的是 (　　)
A．各原子轨道中的轨道数按s、p、d、f的顺序依次为1、3、5、7
B．各电子层的原子轨道都是从s轨道开始至f轨道结束
C．各电子层含有的轨道数为n－1
D．各电子层含有的电子数为2n2
A　
解析：
各电子层的轨道数等于其所处的电子层数的平方，即当n＝1时，它只有1个s轨道，当n＝2时，它有4个轨道，即1个s轨道和3个p轨道，B、C错误；每个电子层最多容纳的电子数为2n2，D错误。
4．下列说法正确的是 (　　)
A．s轨道呈球形，p轨道呈椭圆形
B．科学家们采用统计图示的方法来描绘电子在原子核外某一区域出现的机会大小
C．电子云中单位体积内小点的疏密程度表示电子的多少
D．s原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z方向
B　
解析：
s轨道呈球形，p轨道呈纺锤形，A错误；电子云中单位体积内小点的疏密程度表示电子在原子核外单位体积内出现机会的大小，C错误；p原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z方向，D错误。

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