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第一章
原子结构与性质
第一节　原子结构
课时1　原子核外电子的运动状态
1．认识有关原子模型的历史发展过程，学习原子结构的玻尔模型和电子云模型。
2．知道核外电子根据能量的不同，可处于不同的能层和能级。
3．了解电子云和原子轨道的含义。
1．原子结构模型的发展经历了道尔顿模型、汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型和电子云模型五个阶段。
原子结构模型依据科学实验和理论分析的不断发展而逐步发展和完善。其中汤姆孙和卢瑟福分别有如下的实验和发现：
活动一：回顾已经学习的原子模型和结构的有关知识
1803年，约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子结构模型。
1897年，汤姆孙发现阴极射线是带负电的粒子，最先提出电子，电子体积很小，质量只有氢原子质量的约二千分之一。
1909年，汉斯·盖革和恩斯特·马斯登(Jishi.Y)在欧内斯特·卢瑟福指导下，用α射线轰击薄金箔，发现绝大多数的α粒子(带正电)都畅通无阻地穿过，偏转角度很小，大约有1/8 000 的α粒子会发生大于90°甚至等于150°的大角散射，极少数被反弹回去。
请分别说明原子结构的道尔顿模型、汤姆孙原子模型和卢瑟福原子模型。
【答案】 道尔顿模型：原子是构成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。
汤姆孙原子模型：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。
卢瑟福原子模型：在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。
2．原子是由哪些粒子构成的？原子核是由哪些粒子构成的？元素的种类取决于哪一种粒子的数目？
【答案】 原子由原子核和核外电子构成。原子核由质子和中子构成。元素的种类取决于质子的数目。
3．原子中的质子数、核外电子数、中子数、核电荷数、质量数之间有哪些定量关系？
【答案】 核电荷数＝质子数＝核外电子数。质量数＝质子数＋中子数。
1．阅读下列资料，并回答问题。
玻尔在前人研究的基础上，进一步提出原子结构的玻尔原子模型：电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速圆周运动；正常情况下电子在离核较近、能量较低的轨道上运动，获得能量后可以跃迁到离核较远、能量较高的轨道上运动，也可以再跃迁回来。
依据玻尔模型，将核外电子按能量不同分成能层，电子的能层由内向外排序。能层越高，电子的能量越高。
活动二：认识原子结构的玻尔原子模型
同一能层的电子，还被分成不同能级，多电子原子中，同一能层各能级按s能级、p能级、d能级、f能级的顺序逐渐升高。核外电子的能层、能级及最多容纳电子数如下表所示。
能层 一 二 三 四 五 六 七
符号 K L M N O P Q
所能容纳的最多电子数 2 8 18 32 50 72 98
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p …… …… ……
所能容纳的最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 …… …… ……
(1) 能层序数(n)与电子的能量高低是什么关系？原子核外电子每一能层所能容纳的最多电子数与能层序数(n)间存在什么关系？
【答案】 一般而言，n越大，电子离核的平均距离越远，电子具有的能量越高。每个电子层所能容纳的最多电子数为2n2。
(2) 每个能层所具有的能级数与能层序数(n)间存在什么关系？s、p、d、f能级上最多所能容纳的电子数分别是多少？
【答案】 每个能层的能级数等于能层序数(n)。s、p、d、f能级上最多所能容纳的电子数分别是2、6、10、14。
(3) 比较4s、4p、4d、4f能级中电子能量的高低。
【答案】 E(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)
2．电子排布式可以表示核外电子在不同能层、能级的排布情况。能级符号右上角的数字表示该能级的电子数。观察示例，然后写出指定基态原子的电子排布式。
例：H的基态电子排布式为1s1；B的基态电子排布式为1s22s22p1；S的基态电子排布式为1s22s22p63s23p4。
分别写出N、Ne、Na、Cl的基态原子的电子排布式。
【答案】 N的基态电子排布式为1s22s22p3；
Ne的基态电子排布式为1s22s22p6；
Na的基态电子排布式为1s22s22p63s1；
Cl的基态电子排布式为1s22s22p63s23p5。
活动三：认识原子结构的电子云模型
图1所示为氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图，由于核外电子的概率密度分布图看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云。把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，即电子云轮廓图。
图1　氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图
图2所示为电子云轮廓图的绘制过程。图3所示为同一原子的s电子的电子云轮廓图。
图2　电子云轮廓图的绘制过程
图3　同一原子的s电子的电子云轮廓图
(1) 图1中的小黑点是什么？小黑点越密，其表达的含义是什么？
【答案】 小黑点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小黑点越密，表明概率密度越大。
(2) s电子云的轮廓图为什么形状？同一原子不同能层s电子云有什么异同？
【答案】 为球形。形状均为球形，但半径：1s＜2s＜3s＜4s。
(3) 图4所示为p电子云的轮廓图，右下标x、y、z分别是电子云在直角坐标系中的取向。
图4　px、py、pz的电子云轮廓图
①p电子云轮廓像什么物体？
【答案】 ①哑铃。
②p电子云在空间上有几个取向、相互关系如何？
【答案】 3个取向、相互垂直。
2．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。常用电子云轮廓图的形状和取向表示原子轨道的形状和取向。下表所示为1～4能层的能级、原子轨道数和原子轨道名称。
能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称
一 1s 1 1s
二 2s 1 2s
2p 3 2px、2py、2pz
能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称
三 3s 1 3s
3p 3 3px、3py、3pz
3d 5 ……
四 4s 1 4s
4p 3 4px、4py、4pz
4d 5 ……
4f 7 ……
……
(1) s、p、d、f能级各含有多少原子轨道？
【答案】 1、3、5、7。
(2) 预测每个原子轨道中各含有多少电子？
【答案】 2个。
1
2
3
4
5
6
7
8
1．下列能层中，不包含d能级的是 (　　)
A．K　　　　　　B．Q　　　　　　C．M　　　　　　D．N
【解析】 K能层是第一能层，只有1个1s能级，不包含d能级，A符合题意；Q能层是第七能层，含有7个能级，分别是7s、7p、7d、7f等能级，包含d能级，B不符合题意；M能层是第三能层，含有3个能级，分别是3s、3p、3d能级，包含d能级，C不符合题意；N能层是第四能层，含有4个能级，分别是4s、4p、4d、4f能级，包含d能级，D不符合题意。
【答案】 A
1
2
3
4
5
6
7
8
2．符号为N的能层最多能容纳的电子数为 (　　)
A．18 B．32
C．50 D．72
【解析】 符号为N的能层是第四能层，每一能层最多所能容纳的电子数为2n2，故N层最多能容纳的电子数为2×42＝32。
【答案】 B
1
2
3
4
5
6
7
8
3．下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是 (　　)
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状，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多
D．与s电子的原子轨道相同，p电子的原子轨道的平均半径也随能层序数的增加而增大
【解析】 原子核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，而不是电子像云雾一样笼罩在原子核周围，A错误；处在s能级原子轨道上的电子，出现在球形内空间的概率为90%，B错误；无论是2p、3p、4p、5p，能级中原子轨道数目不变(都是3)，只是能量增加，C错误。
1
2
3
4
5
6
7
8
【答案】 D
1
2
3
4
5
6
7
8
4．某元素基态原子核外电子处于三个不同的能级，且每个能级中所含电子数相同。该元素是 (　　)
A．Li B．C
C．Mg D．S
【答案】 B
1
2
3
4
5
6
7
8
5．下列叙述正确的是 (　　)
A．s、p、d能级所具有的原子轨道数分别为1、3、5
B．各电子层的能级都是从s能级开始到f能级结束
C．同是s能级，在不同的电子层中所含原子轨道数是不相同的
D．各电子层含有的原子轨道数为2n2
【答案】 A
1
2
3
4
5
6
7
8
6．K层有_____个能级，用符号表示为______；L层有_____个能级，用符号表示为__________；M层有_____个能级，用符号分别表示为______________。由此可推知，n能层最多可能有_____个能级，能量最低的两个能级的符号分别表示为__________，它们的原子轨道电子云形状分别为________、__________。
1
1s
2
2s、2p
3
3s、3p、3d
n
ns、np
球形
哑铃状
1
2
3
4
5
6
7
8
7．下图是s能级和p能级的电子云轮廓图，试回答问题。
(1) s电子云轮廓图呈______形，每个s能级有_____个原子轨道；p电子云轮廓图呈________状，每个p能级有_____个原子轨道，其能量________(填“相等”或“不等”)。
球
1
哑铃
3
相等
【解析】 ns能级各有1个轨道，np能级各有3个轨道，s电子的原子轨道都是球形的，p电子的原子轨道都是哑铃状的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以px、py、pz表示，它们的能量完全相等。
1
2
3
4
5
6
7
8
(2) 元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1，原子中能量最高的是______电子，其电子云在空间有_____________________方向；X
元素的元素符号是_____，它的简单氢化物的电子式是_________。
【解析】 因为元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1，np轨道已排上电子，说明ns轨道已排满电子，即n＝2，则元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，则X是氮元素。
2p
三个互相垂直的伸展
N
1
2
3
4
5
6
7
8
8．写出1～18号元素的基态原子的电子排布式。
【答案】 H：1s1　He：1s2　Li：1s22s1　Be：1s22s2
B：1s22s22p1　C：1s22s22p2　N：1s22s22p3
O：1s22s22p4　F：1s22s22p5　Ne：1s22s22p6
Na：1s22s22p63s1　Mg：1s22s22p63s2
Al：1s22s22p63s23p1　Si：1s22s22p63s23p2
P：1s22s22p63s23p3　S：1s22s22p63s23p4
Cl：1s22s22p63s23p5　Ar：1s22s22p63s23p6

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