2.1.1 人类对原子结构的认识 原子核外电子的运动特征-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （苏教版2019，闽苏桂蒙陕冀）

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　原子核外电子的运动特征 [核心素养发展目标]　1.能举例说明原子结构模型发展演变的历程，认识基于实验证据建构和优化模型的思路，培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。2.理解电子云的概念，能用轨道和能级概念描述核外电子的运动状态，培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。 一、人类对原子结构的认识 1．人类对原子结构的认识演变 时间 科学家 主要贡献 主要观点 19世纪 道尔顿 近代原子论 原子有质量，不可分割 19世纪末 汤姆生 发现电子 “葡萄干面包式”原子结构模型 1911年 卢瑟福 α粒子散射实验 有核模型或行星模型(原子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) 1913年 玻尔 引入量子力学的观点 (1)原子核外电子在一系列稳定的原子轨道上运动；(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不连续的；(3)原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生跃迁 20世纪末和21世纪初 － － 量子力学模型 原子结构模型演变图示： 2.现代量子力学模型 (1)氢原子的核外电子，当处于能量最低状态时(简称基态)，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机会大小所得到的图形。 (3)电子云轮廓图：是指量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。一般是将出现概率约为90%的空间圈出来，制作电子云的轮廓图，称为原子轨道。如氢原子核外电子的电子云轮廓图的绘制： 1．电子云中的小点表示电子吗？ 提示　电子云中的小点并不代表一个电子而是代表电子在核外空间区域出现的机会。 2．小点的疏密表示什么？ 提示　小点的疏密程度表示电子在原子核外出现的机会大小。小点稀疏的地方，表示电子在该处出现的机会小；小点密集的地方，表示电子在该处出现的机会大。 1．图a和图b分别是氢原子的电子云示意图和原子轨道图。下列有关说法正确的是(　　) A．图a中的每个小点表示1个电子 B．图b表示电子只能在球体内出现 C．图b表明氢原子的轨道呈球形，有无数条对称轴 D．图a中的小点表示某一时刻电子在核外所处的位置 答案　C 解析　原子轨道只描述了电子出现概率约为90%的空间，B错误；电子云图中的小点只表示电子在此出现的机会大小，而不表示一个电子，A、D错误。 2．下列说法正确的是(　　) A．电子云表示电子在原子核外运动的轨迹 B．“量子化”就是不连续的意思，微观粒子运动均有此特点 C．玻尔理论不但成功解释了氢原子光谱，而且还能推广到其他原子光谱 D．通常用小点来表示电子绕核做高速圆周运动 答案　B 解析　A项，电子云表示电子在原子核外空间出现的机会大小，不是表示电子运动的轨迹；C项，玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，但对解释多电子原子的光谱却遇到困难。 二、原子核外电子的运动特征 1．电子层 根据电子能量差异和主要运动区域的不同，认为原子核外电子处于不同的电子层上。 电子层n 1 2 3 4 5 6 7 符号 K L M N O P Q 特点 离核由近到远，能量由低到高 2.原子轨道与能级 (1)概念 电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。原子轨道是量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。 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。 (2)原子轨道 ①类型 原子轨道 形状 伸展方向 轨道数 可容纳的电子数 s 球形 1 1 2 p 纺锤形 3 3 6 d － 5 5 10 f － 7 7 14 原子轨道的伸展方向等于原子轨道数。 ②表示方法：原子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1s、2s、2p(2px、2py、2pz)、3d等。 ③电子层、轨道数、最多可容纳电子数的关系 电子层 1 2 3 4 n 原子轨道类型 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f － 原子轨道数目 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 n2 4 9 16 可容纳的电子数 2 8 18 32 2n2 ④原子轨道能量高低 处于相同电子层的原子轨道 ns＜np＜nd＜nf 形状相同的原子轨道 2p＜3p＜4p 电子层和形状均相同的原子轨道 2px＝2py＝2pz 3．电子自旋 原子核外电子有2种不同的自旋状态，通常用“↑”和“↓”表示。 1．应该从哪几个方面描述原子核外电子运动状态？在同一个原子中是否存在运动状态相同的电子？ 提示　原子核外电子的运动状态包括电子层、原子轨道、原子轨道的伸展方向和自旋状态4个方面。同一个原子中，不存在运动状态相同的电子。 2．不同电子层中的s轨道和p轨道电子云轮廓图分别相同吗？ 能量分别相同吗？ 提示　 电子云轮廓形状相同(s轨道均为球形，p轨道均为纺锤形)，大小不同。如： 能量不同(电子层序数越大，能量越高)。 3．镓元素为ⅢA族的金属元素，其原子结构示意图为。 (1)该元素的原子核外共有多少个电子层？第3层上的轨道符号如何表示？ 提示　该元素的原子核外共有4个电子层，第3层上的轨道符号分别为3s、3p、3d。 (2)该元素原子的最外层上电子有多少种空间运动状态？ 提示　2种 (3)4s和4p哪个能量更高？ 提示　4p 1．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．s能级的原子轨道半径与电子层序数有关 D．钠原子的电子在11个原子轨道上高速运动 答案　C 解析　s轨道为球形，p轨道为纺锤形，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；电子层序数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；钠原子的电子在6个原子轨道上做高速运动，D项错误。 2．下列关于电子层与原子轨道的说法正确的是(　　) A．不同电子层中的s原子轨道的能量相同 B．原子核外电子的每一个电子层最多可容纳的电子数为n2 C．每种类型的原子轨道里最多可容纳的电子数与原子轨道数目相等 D．电子层中所含有的原子轨道类型数等于该电子层序数 答案　D 解析　A项，不同电子层中的s原子轨道的能量不同，电子层序数越大，能量越高；B项，每一个电子层最多可容纳的电子数为2n2；C项，每种类型的原子轨道里最多可容纳的电子数是原子轨道数目的 2倍。 3．对于钠原子的第2电子层的p轨道2px、2py、2pz间的差异，下列说法正确的是(　　) A．电子云形状不同 B．原子轨道的对称类型不同 C．电子的能量不同 D．电子云空间伸展方向不同 答案　D 解析　2px、2py、2pz所表示的是同一电子层中形状相同的原子轨道，其能量相同；2px、2py、2pz的原子轨道都是纺锤形，都是轴对称图形；在空间伸展方向上不同，D项正确。 (1)某电子层的轨道类型数＝电子层序数(n)。 (2)某电子层的轨道数＝电子层序数的平方(n2)。 (3)s、p、d、f轨道的轨道数目分别为1、3、5、7。 (4)每一个原子轨道最多容纳2个电子。 (5)每一个电子层最多容纳的电子数为2n2(n为电子层序数)。 (6) 题组一　人类对原子结构的认识及电子云 1.如图是2pz电子的电子云图，判断下列说法不正确的是(　　) A．2pz轨道上的电子在空间出现的机会分布是z轴对称 B．点密集的地方表明电子出现的机会多 C．电子先沿z轴正半轴运动，然后在负半轴运动 D．电子云图中的小点代表电子出现的概率 答案　C 解析　电子云是电子在一定区域内出现机会大小的图形，它并不是电子运动的实际轨迹(或轨道)，故C错。 2．人们把电子云轮廓图称为原子轨道，下列有关说法错误的是(　　) A．s电子的原子轨道都是球形的，2s电子比1s电子能量高且电子云比1s更扩散 B．p电子的原子轨道都是纺锤形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，能量相同　 C．所有p轨道的形状相同，大小相等 D．处于同一原子轨道的电子，自旋状态有两种 答案　C 解析　不同电子层(n)上的p轨道形状相同，但随着n增大，p轨道越来越大。 3．为揭示原子光谱是线状光谱这一事实，玻尔提出了核外电子的分层排布理论。下列说法不符合这一理论的是(　　) A．电子绕核运动具有特定的半径和能量 B．电子在特定半径的轨道上运动时不辐射能量 C．电子跃迁时，会吸收或放出特定的能量 D．揭示了氢原子光谱存在多条谱线 答案　D 解析　D选项的内容无法用玻尔理论解释。要解释氢原子光谱的多条谱线，需用量子力学所建立的量子数来描述核外电子的运动状态。 4．下列说法正确的是(　　) A．1s电子云轮廓图呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动 B．电子云图中的小点密度大，说明该原子核外空间电子数目多 C．ns能级的原子轨道示意图可表示为 D．3d表示3d能级有3个轨道 答案　C 解析　A项，1s电子云轮廓图呈球形，表示1s电子在空间出现的机会分布呈球形，而不是表示电子做圆周运动；B项，电子云图中的小点仅表示电子在此区域出现的机会；C项，ns能级的原子轨道为球形；D项，3d表示第3电子层上的d轨道。 题组二　电子层与原子轨道 5．下列原子轨道中最多能容纳电子数为10的是(　　) A．s轨道 B．p轨道 C．d轨道 D．f轨道 答案　C 解析　s轨道有1个轨道，最多容纳2个电子；p轨道有3个轨道，最多容纳6个电子；d轨道有5个轨道，最多容纳10个电子；f轨道有7个轨道，最多容纳14个电子。 6．符号3px所代表的含义是(　　) A．px轨道上有3个电子 B．第3电子层px轨道有3个伸展方向 C．px电子云有3个伸展方向 D．第3电子层沿x轴方向伸展的p轨道 答案　D 解析　p能级有3个原子轨道，沿x、y、z三个不同的方向延伸，3px所代表的含义是第3电子层沿x轴方向伸展的p轨道。 7．下列各组多电子原子的原子轨道能量高低比较中，错误的是(　　) A．2s＜2p B．3px＜3py C．3s＜3d D．4s＜4p 答案　B 解析　同一电子层上原子轨道的能量高低为ns＜np＜nd，A、C、D正确，同一能级上各原子轨道的能量相同，3px＝3py，B错误。 8．下列关于d轨道的说法错误的是(　　) A．M层才开始出现d轨道 B．d轨道最早出现在第4周期元素 C．3d轨道能量高于3p轨道 D．d轨道有10种空间伸展方向 答案　D 解析　d轨道开始出现在M层，但最早出现在第4周期元素，3d轨道能量高于3p轨道，A、B、C正确；d轨道有5种空间伸展方向，D错误。 9．下列有关电子层和原子轨道的叙述正确的是(　　) A．M电子层有s、p共2个轨道，最多能容纳8个电子 B．3d轨道最多容纳5个电子，3f轨道最多容纳7个电子 C．无论哪一电子层的s轨道最多容纳的电子数均为2 D．任一电子层都有s、p轨道，但不一定有d轨道 答案　C 解析　A项，M电子层有s、p、d共3种不同类型的原子轨道，最多能容纳18个电子；B项，3d轨道最多容纳10个电子，从N电子层开始有f轨道，最多容纳14个电子，不存在3f轨道；C项，每个电子层都从s轨道开始，且s轨道最多容纳2个电子；D项，K电子层只有s轨道，不含有p轨道。 10．回答下列问题： (1)n＝2的电子层有________个能级，________种形状不同的电子云，有________个原子轨道，最多容纳________个电子。 (2)用相应的符号描述n＝2的所有的原子轨道________________。 (3)基态K原子中，核外电子占据的最高电子层符号为________，占据该电子层电子的电子云轮廓图的形状为________。 答案　(1)2　2　4　8　(2)2s、2px、2py、2pz　(3)N　球形 解析　(1)第2电子层有2s、2p两个能级，有s、p 2种形状不同的电子云，有2s、2px、2py、2pz 4个原子轨道，每个轨道最多容纳2个电子，所以n＝2的电子层最多容纳8个电子。(3)K原子核外有四个电子层，N层上只有一个电子，占据4s轨道，电子云轮廓图为球形。 11．下列说法正确的是(　　) A．因为p轨道是“8”字形的，所以p电子走“8”字形 B．电子层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道 C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道 D．原子轨道与电子云都是用来形象描述电子运动状态的 答案　D 解析　A中p轨道是纺锤形，是指电子出现机会高的“区域”的形状；B中电子层数为3时，共有九个轨道；C中氢原子中只有一个电子，但轨道不只有一个，可以存在空轨道。 12．N电子层所含原子轨道类型数、原子轨道数和可容纳的电子数分别为(　　) A．3、9、18 B．4、12、24 C．5、16、32 D．4、16、32 答案　D 解析　第N电子层含原子轨道类型数为4，原子轨道数为16，可容纳的电子数为32。 13．下列叙述正确的是(　　) A．钾原子的2s轨道的能量比3p轨道的高 B．锂原子的1s与2s轨道皆为球形 C．p能级的原子轨道呈纺锤形，随着电子层序数的增加，p能级的原子轨道数增多 D．第3电子层可容纳的电子数为9 答案　B 解析　钾原子的2s轨道的能量比3p轨道的低，A项错误；s轨道都为球形，B项正确；p能级的原子轨道都是3个，C项错误；每个电子层可容纳的电子数为2n2，故第3电子层可容纳的电子数为18，D项错误。 14．下列有关原子轨道和核外电子运动状态的说法正确的是(　　) A．在基态多电子原子中，p轨道电子的能量一定高于s轨道电子的能量 B．只有在电子层、原子轨道的类型、原子轨道的伸展方向和电子的自旋状态都确定时，电子的运动状态才能确定 C．必须在B所述的四个方面都确定时，才能决定组成每一电子层的最多轨道数 D．原子轨道伸展方向与能量大小有关 答案　B 解析　在基态多电子原子中，p轨道电子能量不一定高于s轨道电子能量，如4s电子比2p电子能量高，A错误；电子层、原子轨道的类型、原子轨道的伸展方向和电子的自旋状态共同描述电子的运动状态，B正确；每一电子层的最多轨道数与电子的自旋状态无关，C错误；原子轨道的伸展方向与能量大小无关，D错误。 15．回答下列问题： (1)在基态多电子原子中，关于核外电子能量的叙述错误的是________(填字母，下同)。 a．最易失去的电子能量最低 b．同一个电子层上的不同能级上的原子轨道，能量大小不同 c．在离核最近区域内运动的电子能量最低 (2)下列说法正确的是________。 A．一个原子轨道上只能有1个电子 B．处在同一原子轨道上的电子运动状态完全相同 C．处在同一电子层上的电子(基态)能量一定相同 D．处在同一能级中的电子(基态)能量一定相同 (3)比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低。 ①1s，3d________；②3s，3p，3d________； ③2p，3p，4p________；④3px，3py，3pz________。 (4)基态铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向，共有________种不同能级的电子，有______种不同运动状态的电子。 答案　(1)a　(2)D　(3)①1s<3d　②3s<3p<3d ③2p<3p<4p　④3px＝3py＝3pz　(4)4　5　13 学科网（北京）股份有限公司 $$