1.1原子结构 课件 2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

第一节 原子结构 第1课时 能层与能级 基态与激发态 原子光谱 第一章 原子结构与性质 1 学习目标 1.通过认识原子结构与核外电子排布理解能层与能级的关系。 2.通过核外电子能量不同分析、理解基态与激发态的含义与关系。 3.能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。 新课引入 璀璨夺目的烟花焰火能够给节日带来喜庆的气氛，而这些焰火光柱的形成与原子核外电子的跃迁有关，原子的结构是怎样的，焰火光柱又是怎样形成的呢？ 一、能层与能级 氧 镁 氯 钠 电子按照能量高低在核外分层进行运动，能量低，离核近，能量高，离核远。 【思考】核外电子排布的实验依据是什么？ 1920年，丹麦科学家玻尔在氢原子模型基础上，提出____________，开启了用原子结构解释____________的篇章。 1925年以后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释。 构造原理 元素周期律 一、能层与能级 1.能层 根据能量不同，将核外电子分为不同的能层。 (2)表示方法 能层 一 二 三 四 五 六 七 字母代号 K L M N O P Q 离核远近 能量 低 高 近 远 (1)划分依据 E(K)＜ E(L)＜ E(M)＜ E(N)＜ E(O)＜ E(P)＜ E(Q) 一、能层与能级 1.能层 (3)核外电子排布规律 原子核外电子分层排布规律不是独立存在的，而是互相制约。 核外电子总是尽可能先排布在能量最低的电子层上，然后由内向外依次排布在能量较高的电子层上。 ①各电子层最多容纳2n2个电子 ②最外层不超过8个(K层为最外层时不能超过2个) ③次外层最多能容纳的电子数不超过18个 ④倒数第三层最多能容纳的电子数不超过32个 即按K→L→M→N……顺序排列。 能量规律 数量规律 一、能层与能级 2.能级 (1)划分依据 多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同。 (2)表示方法 分别用相应能层序数和字母___________等表示，第n能层含有___个能级； s、p、d、f 最多可容纳的电子数分别为___、 ___、 ___、___的2倍； 同一能层中的同种能级上的电子能量_____； 同一能层中的不同能级上的电子能量____________________________； 不同能层中的同种能级，能层序数越____，能量越高， 例如______________________________________________； s、p、d、f E(ns)＜ E(np)＜ E(nd)＜ E(nf) n 1 3 5 7 大 E(1s)< E(2s)<E(3s)…… E(2p)< E(3p)<E(4p)…… 相同 一、能层与能级 2.能级 能层(n) 一 二 三 四 五 六 七 …… 符号 K L M N O P Q …… 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s …… …… …… …… 最多容纳 的电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 …… …… …… …… 2 8 18 32 …… …… …… 2n2 课堂检测 1.正误判断 (1)2d表示L层上的d能级 (2)3p、4p、5p能级所容纳的最多电子数相同 (3)各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束 (4)p能级的能量一定比s能级的高 (5)同一原子中，符号相同的能级上的电子能量不一定相同 (6)同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的 (7)多电子原子中，每个能层上电子的能量一定不同 2.碘在元素周期表中的位置是__________________，电子占据的能层分别为 _________________(用相应的符号表示) ，价层电子占据的能级为________， 各个能级所容纳的电子数分别为______。  × √ × × √ × × 第五周期第ⅦA族 K、L、M、N、O 2、5 5s、5p 9 二、基态与激发态 原子光谱 (1)基态原子：处于__________状态的原子。 (2)激发态原子：基态原子_____能量，它的 电子会跃迁到_____能级，变为激发态原子。 最低能量 吸收 较高 1.基态原子与激发态原子 K L M 能量 激发态 基态 较低激发态 能量 吸收能量 释放能量(主要以“光能”形式) 基态原子 激发态原子 二、基态与激发态 原子光谱 (1)吸收光谱 2.原子光谱的产生 不同元素的原子，从基态到激发态，电子发生跃迁时可以吸收不同频率的光，用光谱仪可以摄取各种原子吸收光谱。 锂、氦、汞的吸收光谱 (2)发射光谱 不同元素的原子，从激发态到基态或能量较低的激发态，电子发生跃迁时可以释放不同频率的光，用光谱仪可以摄取各种原子发射光谱。 锂、氦、汞的发射光谱 二、基态与激发态 原子光谱 (1)发现新元素 3.原子光谱的应用 在现代化学中，利用原子光谱上的__________来鉴定元素，称为光谱分析。 特征谱线 许多元素是通过原子光谱发现的，如铯(1860年)和铷(1861年)，其光谱图中有特征的蓝光和红光。又如1868年科学家们通过分析太阳光谱发现了稀有气体氦。 二、基态与激发态 原子光谱 (2)检验元素 3.原子光谱的应用 例如焰色试验，其原理是基态原子吸收能量，电子从基态跃迁到激发态后，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将能量以光的形式释放出来。 二、基态与激发态 原子光谱 (3)生产生活中光现象 3.原子光谱的应用 烟花 激光 LED灯 荧光 霓虹灯 1.正误判断 (1)光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一 (2)霓虹灯光、激光、荧光都与原子核外电子跃迁吸收能量有关 (3)焰色试验实质上是一种吸收光谱 (4)产生激光的前提是原子要处于激发态 (5)电子跃迁时只吸收能量 (6)同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量 (7)激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性 2.电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取( ) A.电子的运动轨迹图像 B.原子的吸收光谱 C.电子体积大小的图像 D.原子的发射光谱 课堂检测 √ × √ × √ × × B 焰色试验属于发射光谱 第一节 原子结构 第2课时 构造原理与电子排布式　电子云与原子轨道 第一章 原子结构与性质 16 学习目标 1.结合构造原理形成核外电子排布式书写的思维模型，并根据思维模型熟练书写1~36号元素的电子排布式。 2.通过对原子轨道和电子云的学习，全面了解核外电子运动状态的描述方法。 新课引入 【思考1】以下是前18号元素原子结构示意图，分析它们电子在能级中的排布规律。 1936年，德国科学家马德隆发表了以____________事实为依据的完整的___________，进一步揭示了核外电子填充的规律。 原子光谱 构造原理 1s → 2s → 2p → 3s → 3p 新课引入 【思考2】以下是19−23号、31号元素原子结构示意图，分析它们电子在能级中的排布规律。 21 9 2 钪Sc 19 8 1 钾K 20 8 2 钙Ca 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p 31 18 3 镓Sc 一、构造原理 以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。 每一行对应一个_____，每个小圈表示一个____。 各圆圈间连接线的方向表示随核电荷数递增而增加的电子填入能级的顺序。 能层 能级 E(ns) < E[(n−2)f ] < E[(n−1)d] < E(np) 能级交错 随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。 二、电子排布式 【例1】请根据构造原理分析基态25Mn的核外电子在能级中的排布，写出其核外电子排布式。 能级排布顺序 填充电子数 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 2 2 6 2 6 2 5 按照构造原理，电子填满了一个能级，再填入下一个能级，由此构建了元素周期系中各元素的基态原子的电子排布。 1s22s22p63s23p63d54s2 将能级上所容纳的电子数标在该能级符号右上角，不同能层按能层序数从小到大，同一能层按s、p、d、f……的顺序排列的式子叫电子排布式。 1. 电子填充与电子排布式 二、电子排布式 例1.根据构造原理，写出下列基态原子的核外电子排布式： ① 8O： _____________________； ②14Si： _____________________； ③19K： _____________________； ④21Sc：_____________________； ⑤26Fe： _____________________； ⑥33As： _____________________。 例2.根据构造原理，写出下列基态离子的核外电子排布式： ① 1H− ： _____________________； ② 8O2−： ____________________； ③12Mg2+： ___________________； ④16S2−： ____________________； ⑤26Fe2+： ____________________； ⑥26Fe3+： ___________________。 1s22s22p4 1s22s22p63s23p2 1s22s22p63s23p64s1 1s22s22p63s23p63d14s2 1s22s22p63s23p63d64s2 1s2 1s22s22p6 1s22s22p6 1s22s22p63s23p6 1s22s22p63s23p63d6 1s22s22p63s23p63d5 过渡元素的原子到阳离子先失去最外层电子，再失去次外层电子。 1s22s22p63s23p63d104s24p3 二、电子排布式 2.简化电子排布式 将电子排布式中的内层电子排布用相应的稀有气体元素(上一周期)符号加方括号(也称为原子实)来表示而得到的式子称为简化电子排布式。 例3.根据构造原理，写出下列基态原子简化的核外电子排布式： ① 8O： _____________________； ②14Si： _____________________； ③19K： _____________________； ④21Sc：_____________________； ⑤26Fe： _____________________； ⑥33As：_____________________。 例4.根据构造原理，写出下列基态离子简化的核外电子排布式： ①26Fe2+：___________________② 26Fe3+：___________________。 [He]2s22p4 [Ne]3s23p2 [Ar]4s1 [Ar]3d14s2 [Ar]3d64s2 [Ar]3d6 [Ar]3d5 [Ar]3d104s24p3 二、电子排布式 3.价层电子排布式 例5. 写出下列基态原子的价层电子排布式： ① 8O： _____________________； ②14Si： _____________________； ③19K： _____________________； ④21Sc：_____________________； ⑤26Fe： _____________________； ⑥33As：_____________________。 2s22p4 3s23p2 4s1 3d14s2 3d64s2 4s24p3 为突出化合价与电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。 对于主族和0族元素，价层电子即为最外层电子； 对于副族元素来说，价层电子除最外层电子外，还包括部分次外层电子。 元素周期表只给出价层电子排布。 二、电子排布式 能级 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 电子排布式 简化…… Cr Cu 【思考】根据元素周期表给出的价层电子排布，分析基态24Cr、29Cu的核外电子在能级中的排布，写出其核外电子排布式、简化的核外电子排布式。 2 2 6 2 6 1 5 2 2 6 2 6 1 10 1s22s22p63s23p63d104s1 1s22s22p63s23p63d54s1 [Ar]3d104s1 [Ar]3d54s1 作为一个理论模型，构造原理具有一定的局限性。对于个别特殊的过渡元素核外电子的排布并不适用。 当p、d、f能级处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。 1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在__________上绕核运行。 三、电子云与原子轨道 线性轨道 然而，1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运动，而是在核外空间各处都可以出现，只是出现的概率不同。 玻尔模型 电子云模型 三、电子云与原子轨道 1.概率密度(ρ) 概率密度 ＝ P表示电子在某处出现的概率， V表示该处的体积。 氢原子1s电子的 概率密度分布图 ρ＝ P V 小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述 三、电子云与原子轨道 2.电子云图与电子云轮廓图 电子云：处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。 电子云轮廓图：把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来的图形。 三、电子云与原子轨道 2.电子云图与电子云轮廓图 通过对氢原子1s电子的电子云轮廓图绘制，能够发现s电子的电子云形状为球形，且不同能级s电子的电子云形状一致，能层越高，球形的半径越大。 29 三、电子云与原子轨道 2.电子云图与电子云轮廓图 对比s电子的电子云形状为球形，只有一种空间伸展方向，p电子的电子云形状则为哑铃形，有三种空间伸展方向，分为相对于x、y、z轴对称。 三、电子云与原子轨道 3.原子轨道 量子力学把电子在原子核外的一个_____________称为一个原子轨道。 空间运动状态 表示方法：常用_____________的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。 电子云轮廓图 ns电子的原子轨道呈______形，有____种空间伸展方向； np电子的原子轨道呈______形，有____种空间伸展方向，彼此相互______； 球 1 哑铃 3 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 ___ ___ ___ ___ 最多容纳电子数 ___ ___ ___ ___ 1 3 5 7 2 6 10 14 垂直 单轨道最多容纳电子数__________。 均为2个 三、电子云与原子轨道 3.原子轨道 原子轨道与能层序数的关系： 能层序数越大，原子轨道的半径越______； 同一能层中，同一能级不同原子轨道上的电子，空间运动状态______，能量______， 如npx、npy、npz的能量______________________； 原子轨道数与能层序数(n)的关系：原子轨道数目＝________。 大 不同 相同 E(npx)=E(npy)=E(npz) n2 能层 能级 原子轨道数 原子轨道符号 电子云轮廓图 形状 取向 K 1s 1 1s 球形 − L 2s 1 2s 球形 − 2p 3 2px、2py、2pz 哑铃形 相互垂直 M 3s 1 3s 球形 − 3p 3 3px、3py、3pz 哑铃形 相互垂直 3d 5 − − − 【归纳总结】能层、能级和原子轨道之间的关系。 三、电子云与原子轨道 课堂检测 1.下列有关原子轨道和电子云的说法正确的是( ) A.s轨道呈球形，随能层序数的增加，s轨道半径和数目也增加 B. 2px、2py、2pz轨道呈哑铃形，相互垂直，能量相等，电子绕核做“∞”形运动 C.电子云是笼罩在原子核外的云雾 D.电子云图中小点的疏密程度表示电子在原子核外空间出现概率的大小 E.3d6表示3d能级有6个原子轨道 F. 1s电子云轮廓图呈球形，有无数对称轴，该轨道上的电子只能在球壳内运动 G.因为E(2s)>E(1s)，任何时候1s电子总比 2s电子更靠近原子核。 2.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 D 3.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____，基态X原子的核外电子排布式是_________，电子占据的最高能层符号为____，有_____种能量不同的电子，与X同周期的稀有气体基态原子有_____种空间运动状态不同的电子。 2 2p 三种互相垂直的伸展 哑铃 氮 1s22s22p3 3 5 L 课堂检测 第一节 原子结构 第3课时 泡利原理、洪特规则、能量最低原理 第一章 原子结构与性质 36 学习目标 1.能从原子微观层面理解原子的组成、结构。 2.能根据核外电子的排布规则熟知核外电子排布的表示方法。 【思考】同一原子轨道中最多容纳2个电子，它们运动状态有什么差异呢？ 学习目标 斯特恩−盖拉赫实验 在斯特恩−盖拉赫实验中发现了银原子束经过不均匀磁场，产生了偏转，并最终在屏幕垂直方向上，形成了两个上下对称的非连续分布。至此，所有的粒子从理论上就都有了——自旋。 一、泡利原理 电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫__________。 自旋 1.自旋 电子自旋在空间有________________两种取向，简称___________。 自旋相反 顺时针和逆时针 常用上下箭头( “↑”“↓” )表示 2.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 一、泡利原理 3.电子排布的轨道表示式 ↑↓ 1s 2s 2p 3s 3p ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s22s22p63s23p1 Al ↑ 1s H ↓ 1s 或 方框/圆圈：表示___________ 简并轨道(能量相同的轨道)：方框相连 方框的下方写：__________ 箭头：_________________ ↑↓ 1s He 原子轨道 能级符号 自旋状态的电子 ↑ 在铝原子中，有___对电子对，___个单电子，有___种能量不同的电子， 有___种空间运动状态不同的电子，有___种运动状态不同的电子。 6 1 7 13 5 能级数 轨道数 电子数 课堂检测 Li 1s ↑↓ ↑ 2s Be 1s ↑↓ ↑↓ 2s B 1s ↑ ↑↓ ↑↓ 2s 2p 1.请写出基态Li、Be、B的轨道表示式。 【思考】请写出基态碳原子可能的轨道表示式。 ① 1s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2s 2p 2p ② 1s ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p ③ 1s ↑↓ ↑↓ ↓ ↑ 2s 2p ④ 1s ↑↓ ↑↓ ↓ ↓ 2s 二、洪特规则 基态原子中，填入__________的电子总是____________，且__________。 1.内容 简并轨道 2p C 1s ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 2s 先单独分占 自旋平行 2p C 1s ↑↓ ↑↓ ↓ ↓ 2s 【练习】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 能量相同的简并轨道在______________________ 、____________________和________________________条件时，体系能量较低，原子较稳定。 二、洪特规则 2.特例 全满(s2、 p6、d10、f14) 半满(s1、 p3、d5、f7) 全空(s0、 p0、d0、f0) 3d 4s ↑↓ Cr ↑ ↑ ↑ ↑ 3d 4s ↑ Cr ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 只有一组全满的简并轨道 有两组半满的简并轨道 3d 4s ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Cu 3d 4s ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Cu 只有一组全满的简并轨道 有一组全满、一组半满的简并轨道 整个原子的能量由____________、____________和 ___________三个因素共同决定。 三、能量最低原理 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。 能量最低 核电荷数 电子数 电子状态 当相邻能级能量差别不大时，有1～2个电子填入能量稍高的能级可能反而降低电子排斥能，进而使原子整体能量最低。例如：所有副族元素的基态原子 (2).为什么基态氮原子的轨道表示式是 而不是 ？ (1).为什么基态氦原子的电子排布是1s2而非1s12s1？ (3).为什么基态K和Ca的价电子排布式是4s1和4s2，而不是3d1和3d2？ 结合核外电子在原子轨道中的排布规律，思考并回答下列问题： 不满足能量最低原理 不满足构造原理 不满足洪特规则 三、能量最低原理 (4).原子中有没有两个运动状态完全相同的电子，为什么？试举例说明。 没有，因为处于同一能层、同一能级、同一原子轨道上的两个电子，自旋方向一定不同。例如氟原子核外电子排布可描述为1s22s2222，由于各原子轨道中的电子自旋方向相反，所以9个电子的运动状态互不相同。 1.下列说法错误的是( ) A. ns电子的能量可能低于(n−1)p电子的能量 B. 6C的电子排布式为1s22s22px2，违反了洪特规则 C. 电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理 D. 电子排布式(22Ti) 1s22s22p63s23p10违反了泡利原理 2.某元素的激发态(不稳定状态)原子的电子排布式为1s22s22p63s13p33d2，则该元素基态原子的电子排布式为　　　　　　　。  3. Fe成为阳离子时首先失去______轨道电子，Sm的价层电子排布式为4f66s2，Sm3+价层电子排布式为______。 4.原子中运动的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____________。 A 课堂检测 1s22s22p63s23p4 4s 4f5 +3/2 −3/2 46 四、核外电子的表示方法 电子排布式 含义 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，并按照能层从左到右的顺序排列的式子 实例 K：1s22s22p63s23p64s1 简化电子 排布式 含义 把内层电子达到稀有气体原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示 实例 K：[Ar]4s1 轨道表示式 (电子排布图) 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 意义 能直观反映出电子的排布情况及电子的自旋状态 实例 Al：   原子(或离子) 结构示意图 含义 将每个能层上的电子总数表示在原子核外的图示形式 实例   电子式 含义 化学中常在元素符号周围用“·”或“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫电子式 实例   结构(简)式 含义 用短横线表示共用电子对，省略孤电子对 实例   四、核外电子的表示方法 O=C=O H−C≡N C CH2 CH3 CH CH2 H O Cl O C O 2- O O Na+ Na+ (1)17Cl的电子排布式：__________________________。 (2)17Cl的价电子排布式：_________________________。 (3)17Cl−的电子式：___________。 (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：___________________________________。 1s22s22p63s23p5 3s23p5 [Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1 课堂检测 49 1.下列有关原子核外电子排布的说法正确的是( ) A.电子排布式为[Ar]3d44s2的中性原子是基态原子 B.1s22s1222违反了洪特规则，是激发态原子的电子排布 C. 不符合泡利原理，是不存在的排布 D.原子结构示意图为 的原子，核外电子云有3种不同形状 F.B原子由1s22s22→1s22s22时，由基态转化为激发态，形成发射光谱 C 课堂检测 2.下列化学用语的表示正确的是( ) A.O2和O3互为同位素 B.甲基的电子式为 C.基态Fe2+价层电子排布式为3d5 D.基态碳原子价层电子轨道表示式为 E.丙炔的键线式： F.H2O分子的球棍模型： G.基态32Ge原子的价电子排布式：3d104s24p2 H.基态29Cu+的价层电子排布：3d94s1 BF 课堂检测 51 五、基态原子中未成对电子(单电子)的判断 一个原子轨道中只有1个电子时，该电子即为未成对电子(单电子)。 一个原子轨道中有2个自旋相反的电子，这2个电子称为成对电子。 例1.写出符合下列条件的1~36号元素的元素符号： ①有1个未成对电子：_____________________________________________。 ②有2个未成对电子：________________________________。 ③有3个未成对电子：____________________。④有4个未成对电子：____。 ⑤有5个未成对电子：____。⑥有6个未成对电子：____。 例2.将含有未成对电子的物质置于外磁场中，会使磁场强度增大，称其为顺磁性物质，下列物质中，属于顺磁性物质的是　　(填标号)。  A.[Cu(NH3)2]Cl B.[Cu(NH3)4]SO4 C.[Zn(NH3)4]SO4 D.Na2[Zn(OH)4] H、Li、Na、K、B、Al、Ga、F、Cl、Br、Sc、Cu C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni N、P、As、V、Co Fe Mn Cr B $$