1.1.3 电子云和原子轨道 课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修2

第一节 原子结构 ——课时3 电子云 原子轨道　 第一章 原子结构与性质 核心素养发展目标 1.认识基态原子中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。 2.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。 3.能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异，建立对原子结构的模型认知。 原子核外电子的运动状态是怎样的呢？ 印象中：质量小、运动空间大、运动速率快 1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上运行 1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可用一个数学方程描述核外电子的运动状态，为近代量子力学奠定了理论基础。量子力学推翻了玻尔的氢原子模型。 量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不是在波尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同。 四、电子云与原子轨道 电子云图与电子云轮廓图如何绘制呢？ 核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云。小黑点表示电子在原子核外出现的概率密度。小点越密，表明概率密度越______。概率密度如何计算，小点是不是电子本身？ 大 概率密度 ρ = 电子在某处出现的概率 该处的体积 氢原子1s电子的 概率密度分布图 小点并不是电子本身，只表示电子曾在这里出现过一次；小点的疏密表示电子在原子核外空间出现的概率大小。 氢原子1s电子的概率密度分布图 把电子在原子核外空间出现概率P= 90%的空间圈出来。 电子云图难绘制 电子云轮廓图 电子云图很难绘制,使用不方便，那我们如何描述画出电子云？ 1s 2s 3s 4s 同一原子的s电子云轮廓图 ① 不同能层的s电子的电子云轮廓图形状相同，均为_________； ② 能层越高， s电子的电子云半径______。 原因：由于电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩散。 电子云图与电子云轮廓图——s电子云 你发现了什么规律？为什么？ 球形 越大 ①p电子的电子云形状相同，均为_______ ②每个p能级有px、py、pz 的电子云____________。 ③在同一能层中px、py、pz的能量________。 ④能层越高，p电子云半径越_______。 电子云图与电子云轮廓图——p电子云 你发现了什么规律？p电子云有什么特点？为什么？ 哑铃形 互相垂直 相同 大 s电子有____种空间运动状态，p电子有____种空间运动状态 1 3 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。那么s电子有几种轨道？p电子呢？ 能级 s p d f 最多可容纳电子数 2 6 10 14 原子轨道数 每个轨道容纳电子数 1 3 2 2 2 2 5 7 原子轨道数=电子云轮廓图数 nd电子云轮廓图是花瓣形或双哑铃形。 有5种空间伸展方向。 nf 电子云轮廓图有7种空间伸展方向。 (　　)(1)电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定轨道上高速旋转 (　　)(2)1s电子云示意图中一个小点表示一个自由运动的电子 (　　)(3)从空间角度看，2s轨道比1s轨道大，其空间包含了1s轨道 (　　)(4)2p、3p、4p能级的轨道数依次增多 (　　)(5)2px、2py、2pz轨道相互垂直，但能量相等 ( )(6)p轨道呈哑铃形,因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形。 ✔ ✔ × × × 2．元素X的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，原子轨道呈现_________形。 (2)元素X的名称是________。 2 氮 2p 三种互相垂直的伸展 哑铃 × 练习5、如图是s能级和P能级的原子轨道示意图，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、s能级的原子轨道的半径与电子层序数有关 D、Na原子的电子在11个原子轨道上高速运动 C Na 1s22s22p63s1 1+1+3+1= 6 6 例4、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、与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大 D、基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz) C 四、电子云与原子轨道 请整理能层、能级和原子轨道之间的关系，并填表。 能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称 电子云轮廓图的形状和取向 形状 取向 K L M N ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ ······ 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1s 2s 2px、2py、2pz 3s 3px、3py、3pz 4s 4px、4py、4pz 球形 球形 哑铃(纺锤)形 球形 哑铃(纺锤)形 球形 哑铃(纺锤)形 相互垂直 相互垂直 相互垂直 4 9 2 3 4 16 课前五分钟复习提问可以用 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d ...... 各能级 轨道数 ...... 各能层 轨道数 最多容纳 电子数 1 1 1 3 3 5 1 4 9 n2 2 8 18 2n2 第N能层所含能级数、原子轨道数和最多容纳电子数分别为（ ） A．3、32、2× 32 B．4、42、2× 32 C．5、42、5× 32 D．4、42、2× 42 D 各能层原子轨道数 = n2 概率密度 原子轨道数目：s：1、p:3个、d：5个、f：7个 电子云 原子 轨道 形状：s、球形 p、哑铃状 与能层序数的关系: n2 原子轨道名称: ns、npx、npy、npz… n表示能层序数 课堂小结 资料卡片-电子自旋P15 钠原子光谱实验 最外层只有1个电子的碱金属原子光谱会在光谱里呈现双线 斯特恩-盖拉赫实验 最外层只有1个电子的银原子在外加电场里加速飞行通过一个不对称磁场时会分成两束 提出猜想：轨道中的单电子可能存在两种不同的运动状态 1925年：“电子自旋”概念的提出 为什么每个轨道最多能容纳两个电子呢？同一轨道中的两个电子的状态是否完全相同呢？ 电子除空间运动状态外，还有一种运动状态叫做自旋，电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，分别用“↑”和“↓”表示自旋相反的电子。 一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。 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。 能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态。那么，核外电子在原子轨道中的排布 轨道表示式(又称电子排布图) 该如何表示？ 原子轨道 “↑↓”代表自旋相反的电子对 能级符号 泡利原理：在一个原子轨道里：最多只能容纳______个电子，它们的自旋________ 2 相反 ↑↓ 1s 2s 2p 3s ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 能量相同的原子轨道（简并轨道） 单电子 （未成对电子） 1s22s22p63s1 Na 核外电子在原子轨道中的排布应该如何表示？ 如：基态Al原子轨道表示式： ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ ↑ 2p ↑ ↑ 3s ↑ 3p ↑ ↑ ↑ ↑ Al： 原子轨道 能级符号 “↑↓”代表自旋相反的电子对 能量相同的原子轨道(简并轨道) 单电子 (未成对电子) 铝原子外层有 个电子对，有 个单电子。 电子有 种空间运动状态，有 种运动状态不同的电子。 13 1 7 6 请写出H、He、Li、Be、B 的轨道表示式。 ↑ 1s H ↓ 1s H 或 ↑↓ 1s He Li Be B 1s 2s ↑↓ 1s 2s 2p 1s 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑ 练、请写出基态碳原子可能的轨道表示式 ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ ↑ 2p ① ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ 2p ↑ ② ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ 2p ↑ ③ 洪特规则：基态原子中，填入简并(能量相同)轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。 √ 哪一种轨道表示式正确表达了基态碳原子核外电子的排布呢？ 箭头同向的单电子称为自旋平行 P15 2p3 2p4 √ √ ╳ ╳ ↑↓ ↑↓ ╳ ↑↓ ↑ ↓ ╳ 当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是 占据一个轨道，且自旋状态相同。 优先单独 请写出以下元素原子的轨道表示式。 1s ↑ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p N 1s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p O 1s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 2s 2p F 五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 洪特规则特例*简并轨道全充满、半充满或全空状态是能量较低的稳定状态。 ↑ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ ↑ 4s 24Cr： 只有一组全满的简并轨道 ↑ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ ↑ 4s 有两组半满的简并轨道 √ 练、请写出29Cu的价层电子的轨道表示式 全充满：p6、d10、f14 体系能量较低，原子较稳定 半充满：p3、d5、f7 全空：p0、d0、f0 体系能量较低，原子较稳定 体系能量高，原子不稳定 3d 4s ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Cu √ × 全充满状态 3d 4s ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Cu (1)下列轨道表示式中哪个是硼的基态原子?为什么? (2)下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子?为什么? ✔ ✘ ✔ ✘ A. B. A C B A 根据洪特规则，基态原子中，填入个 简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。 A 根据泡利原理，在一个原子轨道里 最多只能容纳2个电子，且它们的自旋相反。 (3)某元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。请写出该元素原子的价层电子的轨道表示式 ？ O ↑↓ 2s ↑ ↑ ↑ ↓ 2p C ↑↓ 2s ↑ ↑ 2p F ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ 2s 2p ↑↓ (4) 某元素原子的L层上有3对成对电子。请写出该元素原子的价层电子的轨道表示式 ？ 以C为例:区别原子的电子式、原子结构示意图、核外电子排布式、电子排布图（轨道表示式）。 ⑥电子排布图 ③电子排布式 ②原子结构示意图 ①电子式 ↑ ↑ 1s 2s 2p ↑ ↓ ↑ ↓ 1s22s22p2 +6 2 4 C · · · · ④简化电子排布式 [He]2s22p2 ⑤C元素价层电子的轨道表示式 ↑↓ 2s ↑ ↑ 2p 下列有关电子排布式或排布图的结论错误的是 选项 电子排布式 结论 A 1s22s22p 2p 2p 违背洪特规则 B 1s2s2p63s23p63d3 书写正确 C N的电子排布图: 书写正确 D 1s22s22p63s23p63d54s1 书写正确 B 4．下列由电子排布式所得的结论错误的是( 　　) 选项 电子排布式 结论 A 1s22s22px22py02pz0 违背洪特规则 B 1s22s22p63s23p2 违背能量最低原理 C 1s22s22p63s23p10 违背泡利原理 D 1s22s22p63s23p23d5 违背能量最低原理 B 【典例6】元素推断： （1）某元素基态原子N层只有2个电子，M层全充满，该元素名称是___________。 （2）某元素基态原子是第四周期未成对电子最多的，该元素符号是___________。 （3）前四周期元素中，基态原子未成对电子数为4的元素符号是___________。 （4）某元素基态原子3p能级有一个空轨道，该元素符号是___________。 【答案】 （1）锌 （2）Cr （3）Fe （4）Si 4、能量最低原理： ——自然界的普适规律 在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。 以下几种元素的基态原子的价电子排布并分析：是否符合构造原理及洪特规则特例？如何理解这些排布方式？ Nb: 4d45s1 Ru:4d75s1 Rh:4d85s1 W:5d46s2 以上四种元素的基态原子价层电子排布既不遵守构造原理，也不能用洪特规则特例来解释。但根据客观事实，以上排布符合能量最低原理。 核电荷数 电子数 电子状态 共同决定 整个原子的能量 所有电子排布规则都需要满足能量最低原理 P16 5B 1s22s22p1 6C 1s22s22p2 √ √ 违反泡利原理 违反洪特规则 违反洪特规则 违反能量最低原理 违反泡利原理和洪特规则 20Ca 1s22s22p63s23p64s2 19K 1s22s22p63s23p64s1 违反能量最低原理 3d能级的能量大于4s能级的能量 P16 31 总结：原子核外电子的运动状态和排布规律 核外电子 运动状态 核外电子 排布规律 核外电子排布表示方法 能量的量子化 能层 能级 原子轨道 电子自旋 原子结构示意图 构造原理 电子排布式 泡利原理 洪特规则 洪特规则特列 能量最低原理 轨道表示式 随堂检测 练、下列核外电子排布式(或轨道表示式)不正确的是( ) 基态Cr的电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1 B. 基态K的简化电子排布式：[Ar]4s1 C. 基态N原子的核外电子轨道表示式： D. 基态S原子的核外电子轨道表示式： ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ 2p ↑ ↑ ↑ ↑ 1s ↑ ↑ 2s ↑ 2p ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 3s ↑ 3p ↑ ↑ ↑ 随堂检测 练、已知X、Y、Z、W、Q、R、E七种元素的原子序数依次增大，其原子或离子结构或性质信息如下表所示。 元素 结构或性质信息 X 原子的L层上s电子数等于p电子数 Y 元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1 Z 单质在常温常压下是气体，原子的M层上有1个未成对的p电子 W 元素的正一价离子的电子层结构与氩相同 Q 元素的核电荷数为Y和Z之和 R 元素的正三价离子的3d能级为半充满 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 请根据信息回答下列问题： (1)元素X的原子核外共有____种不同运动状态的电子，有____种不同能级的电子。 (2)元素Y的原子中能量最高的是______电子，其原子轨道呈_______状。 6 3 2p 哑铃 随堂检测 元素 结构或性质信息 X 原子的L层上s电子数等于p电子数 Y 元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1 Z 单质在常温常压下是气体，原子的M层上有1个未成对的p电子 W 元素的正一价离子的电子层结构与氩相同 Q 元素的核电荷数为Y和Z之和 R 元素的正三价离子的3d能级为半充满 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 (3)Q的基态原子简化电子排布式为_______________，R的元素符号为_______， E元素原子的价层电子排布式为________。 (4)含有元素W的盐的焰色试验为_________色，许多金属盐都可以发生焰色反应，其原因是______________________________________________________________ _______________________________________。 [Ar]3d54s1 3d104s1 紫 激发态的电子从能量高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以一定波长的光的形式释放能量，形成不同的焰色 Fe 高考真题中的电子排布问题 [2021全国甲卷] Si的价层电子排布式为 。 3s23p2 [2021广东卷] 基态硫原子价电子排布式为 。 3s23p4 [2021山东卷] 基态F原子核外电子的运动状态有 种。 9 [2021湖南卷] 基态硅原子最外层的电子排布图为 。 ↑ ↑ 3s ↑ 3p ↑ 高考真题中的电子排布问题 [2021河北卷] (1)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排布相同的是 (填离子符号)。 (2)原子中运动电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用+1/2表示，与之相反的用−1/2表示，称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子，其价电子自旋磁量子数的代数和为 。 [2021八省联考湖南卷] As4S4俗称雄黄，其中As基态原子的核外电子排布式为[Ar] ，有 个未成对电子。 K＋和P3− +3/2或−3/2 3d104s24p3 3 As为33号元素 高考真题中的电子排布问题 [2022全国甲卷] 基态F原子的价层电子排布图(轨道表示式)为 。 [2022全国乙卷] 氟原子激发态的电子排布式有 ，其中能量较高的是 (填编号)。 a. 1s22s22p43s1 b. 1s22s22p43d2 c. 1s22s12p5 d. 1s22s22p33p2 [2022全国北京卷] 基态Si原子的价层电子的轨道表示式： 。 七、练习与应用（选择性必修二P17） 3、以下能级中轨道数为3的是（ ） A．s能级 B．p能级 C．d能级 D．f能级 4．下列各原子或离子的电子排布式错误的是（ ） A．K+1s22s22p63s23p6 B．F 1s22s22p5 C．S2-1s22s22p63s23p4 D．Ar 1s22s22p63s23p6 5.下列轨道表示式能表示基态硫原子最外层结构的是( ) B C D 七、练习与应用（选择性必修二P17） 6.正误判断，正确的打“√"， 错误的打“x"。 (1)从空间角度看，2s轨道比1s轨道大，其空间包含了1s轨道( ) (2) P能级能量一定比s能级的能量高( ) (3) 2p、3p、4p能级的轨道数依次增多( ) (4) 2p和3p轨道形状均为哑铃形( ) (5) 2px、2py、 2pz轨道相互垂直，但能量相等( ) √ x x √ √ 7.基态原子的核外电子填充在6个轨道中的元素有 种，填充在7个轨道中的元素有 种。 2 1 Na 1s22s22p63s1 Mg 1s22s22p63s2 Al 1s22s22p63s23p1 8.基态钾原子中，其占据的最高能层的符号是_____ ; 基态钾离子占据的最高能级共有____个 原子轨道，其形状是 K 1s22s22p63s23p6 4s1 N 3 哑铃形 K+ 1s22s22p63s23p6 七、练习与应用（选择性必修二P17） 9.请写出下列基态粒子的简化电子排布式和价层电子的轨道表示式: (1)Ti (2)Cr (3)Zn2+ 七、练习与应用（选择性必修二P17） 1．A、B、C、D、E、F均为36号以前的元素。请完成下列空白： (1)A元素基态原子的最外层有2个未成对电子，次外层有2个电子，其元素符号为_______。 (2)B元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1，其元素符号为_________。 (3)C元素基态的正三价离子的3d轨道为半充满(即有5个电子)，其元素符号为______，其基态原子的电子排布式为_______。 (4)D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。D的元素符号为___________， 其基态原子的价层电子的轨道表示式为___________。 (5)E、F元素的基态原子都只有一个未成对电子；它们相互作用形成的离子的电子层结构相同，并且最高能级的电子对数等于其最高能层的电子层数。E、F的元素符号分别为___________。 C或O N Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 Cu K、Cl 七、练习与应用 【例】写出15P、25Mn的轨道表示式，并按要求填空。 15P： ，有 对电子对，有 个单电子。 25Mn： _______________________________________________________________________，有 种空间运动状态，有 个单电子，属于半充满。 6 3 15 5 七、练习与应用 【例】按要求填空。 (1)17Cl的电子排布式：__________________________。 (2)17Cl的价电子排布式：_________________________。 (3)17Cl－的电子式：___________。 1s22s22p63s23p5 3s23p5 (4)17Cl的价电子轨道表示式：__________________。 (5)17Cl的原子结构示意图：________。 (6)第四周期中最外层只有1个电子的所有基态原子的简化电子排布式：______________________________。 [Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1 八、拓展延伸 量子力学的发展 19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。 第一排：欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨得里克·洛仑兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch. E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森 第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔 第三排：奥古斯特·皮卡尔德、E. Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、欧文·薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊 1927年 第五届索尔维会议 Lavf58.20.100 $$