02 第1章 第1节 第2课时 量子力学对原子核外电子运动状态的描述(基础课)-【名师导航】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步讲义(鲁科版)

第2课时　量子力学对原子核外电子运动状态的描述(基础课) 素养 目标 1．认识核外电子的运动特点。 2．知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。 旧知 回顾 1．电子层与电子能量的关系 电子层数 1 2 3 4 5 6 7 电子层符号 K L M N O P Q 电子能量 2．电子层上的电子数 (1)每层最多容纳的电子数是2n2(n代表电子层数)。 (2)最外层所能容纳的电子不超过8个(K层为最外层时不超过2个)，次外层不超过18个。 1．原子轨道 (1)电子层 将量子数n所描述的电子运动状态称为电子层。 分层标准 电子离核的远近 n的取值 1 2 3 4 5 6 … 符号 K L M N O P … 能量 逐渐升高 离核 越来越远 (2)能级：在同一电子层中，电子所具有的能量可能不同，所以同一电子层可分成不同的能级，用s、p、d、f等来表示。 　电子层数与能级数之间有何关系？ 提示：电子层数＝能级数，如当n＝3时有3个能级。 (3)原子轨道 概念 单个电子的空间运动状态 各能级上对应的原子轨道数 ns np nd nf 1 3 5 7 　电子层数与原子轨道数之间有何关系？ 提示：电子层为n的状态含有n2个原子轨道。 (4)自旋状态 在核外运动的电子还存在一种被称为“自旋”的量子化状态。处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有两种，分别用符号“↑”和“↓”表示。 2．原子轨道的图形描述 ——单个电子的空间运动状态 ｜　 ——用波函数表示，并以图形的方式在直角坐标系中呈现出来 ｜　 —— 3．电子在核外的空间分布 (1)电子云图：描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形。 (2)意义：点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。 核外电子运动状态的描述 玻尔引入一个量子数n，能比较好地解释氢原子线状光谱产生的原因；但复杂的光谱解释不了。实验事实：在氢原子中n＝2n＝1时，得到两条靠得很近的谱线，与此类比，在钠原子中n＝4n＝3 得到两条靠得很近的谱线。 1．钠原子中处于n＝4的电子跃迁到n＝3的状态时，为什么在高分辨光谱仪上看到的不是一条谱线，而是两条谱线？ 提示：多电子原子光谱中原有的谱线之所以能分裂为多条谱线，可能是量子数n标记的核外电子运动状态包含多个能量不同的“轨道”，电子在不同能量的“轨道”之间跃迁时产生的谱线就会增多。 2．符号ns、np nd、nf代表的含义是什么？ 提示：n表示电子层，s、p、d、f表示能级符号。 3．如何比较原子中电子的能量高低？ 提示：在多电子原子中，电子填充原子轨道时，原子轨道能量的高低存在如下规律： ①相同电子层上原子轨道能量的高低：ns＜np＜nd＜nf。 ②不同电子层、形状相同的原子轨道能量的高低：1s<2s＜3s；2p＜3p<4p。 ③相同电子层、形状相同的原子轨道能量的高低：2px＝2py＝2pz。 1．电子层、能级和原子轨道之间的关系 量子数 (电子层) 1 2 3 4 … n 电子层 符号 K L M N … 能级符号 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f … 能级中轨道数 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 … 电子层中轨道数 1 4 9 16 … n2 电子运动状态种数 2 8 18 32 … 2n2 2．不同原子轨道能量大小的关系 1．(双选)可正确表示原子轨道的是(　　) A．2s　　　B．2d　　　C．3p　　　D．3f AC　[第二电子层中包括s、p能级，第三电子层中包括s、p、d能级，所以L层不存在2d轨道，M层不存在3f轨道，综上所述，A、C项可正确表示原子轨道，故选AC。] 2．(双选)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 BD　[同一电子层上原子轨道的能量高低为ns<np<nd，A、C正确，D错误；同一能级上各原子轨道的能量相同，3px＝3py，B错误。] 原子轨道的图形描述和电子在核外的空间分布 电子处在1s轨道的电子云图，如图1。 电子处在2p轨道的电子云图，如图2。 1．由上图可知s、p轨道分别是什么形状？ 提示：s轨道为球形，p轨道为哑铃形。 2．电子云图上的小黑点代表电子本身吗？ 提示：电子云图上的小黑点是指电子在原子核外出现的概率分布的形象描述，不是电子本身，小黑点越密，表明概率越大。 3．2px轨道的图形描述是p原子轨道在空间的分布沿x方向，是否表示电子沿着“∞”形围绕原子核运动？ 提示：电子绕原子核运动是无规律的，没有确定的轨道。这里说的轨道形状表示原子轨道在三维坐标系中的分布情况，而不表示电子运动的轨迹。 1．原子轨道及其图形描述 (1)s能级是球形对称的，s能级中只有1个原子轨道，电子层数越大，原子轨道半径越大。这是由于1s、2s、3s…轨道能量依次增高，电子离核越远，电子云扩展空间逐渐增大。 (2)p能级呈哑铃形，有3个原子轨道，在空间分别向x、y、z三个方向伸展，每个p能级的3个原子轨道相互垂直，记作px、py、pz，能级的原子轨道的平均半径也随电子层数的增大而增大；d能级有5个伸展方向不同的轨道；f能级有7个伸展方向不同的轨道。 2．电子云：电子运动不能用牛顿运动定律来描述，只能用统计的观点来描述。我们不可能像描述宏观运动物体那样，确定一定状态的核外电子在某个时刻处于原子核外的空间位置，而只能确定它在原子核外各处出现的概率。概率分布图看起来像一片云雾，被形象地称为电子云。 1．(双选)下列说法正确的是(　　) A．s能级和p能级的原子轨道形状不同 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数有关 D．钠原子的电子在11个原子轨道上高速运动 AC　[s轨道为球形，p轨道为哑铃形，A项正确；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；电子层数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；钠原子的电子在6个原子轨道上高速运动，D项错误。] 2．如图是2pz轨道电子云的示意图，请观察图，并判断下列说法中不正确的是(　　) A．2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布相对于z轴对称 B．s电子的电子云形状是球形对称的 C．电子先沿z轴正半轴运动，然后再沿负半轴运动 D．2px轨道能量与2pz轨道能量相同 C　[电子云是电子在一定区域内出现概率大小的图形，它并不是电子运动的实际轨迹(或轨道)，C错；s轨道是球形对称的，s电子的电子云是球形对称的，B对；观察题图可知A对；2p三个轨道的能量相同，D对。] [教材　联想·质疑] 原子核外电子的运动状态还存在着玻尔原子结构模型未能描述的其他量子化现象：能级、轨道等。 (1)下图是某原子核外第二电子层的原子轨道示意图，请填写对应的符号： ①______　②______　③______　　④______ (2)3d能级中原子轨道所在的电子层数是________，该能级的原子轨道最多可以有________个空间伸展方向，最多可容纳________个电子。 (3)下列能级原子轨道数为5的是________(填字母)。 A．s能级 B．p能级 C．d能级 D．f能级 [解析]　(1)电子层数为2时，有2s、2px、2py、2pz四个原子轨道。 (2)3d能级中，n＝3表示所在电子层为M层，该能级有5个原子轨道，表示原子轨道有5种伸展方向，每个原子轨道最多容纳2个电子，所以3d能级最多容纳10个电子。 (3)s、p、d、f能级中的轨道数目分别为1、3、5、7。 [答案]　(1)①2s　②2py　③2pz　④2px　(2)3　5　10　(3)C 1．符号“2p”没有给出的信息是(　　) A．能级 B．电子层 C．电子云形状 D．电子云在空间的伸展方向 D　[2p表示原子核外第二电子层中的p能级，电子云形状为哑铃形，其中p能级应有3个不同伸展方向的原子轨道，可分别表示为px、py、pz，“2p”符号没有表示出电子云在空间的伸展方向，D项正确。] 2．下列说法正确的是(　　) A．同一个电子层中，s能级的能量总是大于p能级的能量 B．2s原子轨道半径比1s大，说明2s的电子云中的电子比1s的多 C．第二电子层上的电子，不论在哪一个原子轨道上，其能量都相等 D．N电子层的原子能级和原子轨道数分别为4和16 D　[A．同一电子层中，s能级的能量小于p能级的能量，故A错误；B．2s原子轨道半径比1s大，说明2s电子在离核更远的区域出现的概率比1s电子的大，故B错误；C．当电子在同一电子层的不同能级上时，其能量不相同，故C错误；D．对于N电子层，n＝4，其能级数为4，轨道数为1＋3＋5＋7＝16，故D正确。] 3．(双选)下列关于原子的结构与性质说法错误的是(　　) A．电子自旋与Na原子光谱呈现双线无关 B．从空间角度看，2s轨道大于1s轨道，其空间包含了1s轨道 C．原子轨道是指原子运行的轨道 D．同一原子的电子层数越低，电子云越集中 AC　[A．金属钠光谱的双线结构是光谱线的精细结构，产生的原因与电子的自旋有关，故A错误；B．从空间角度看，s轨道是球形，2s轨道比1s轨道大，其空间包含了1s轨道，故B正确；C．原子轨道不是原子运行的轨道，是对原子中单个电子空间运动状态的描述，故C错误；D．同一原子的电子层越低，电子云越集中，故D正确。] 4．下列说法正确的是(　　) ①原子中处于第三电子层的电子跃迁到第二电子层时需要辐射能量　②M电子层可以有s、p、d、f能级　③2px表示有2个px轨道　④在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的两个电子　⑤2s电子云有两种空间取向 A．①②③ B．①④ C．②⑤ D．③④⑤ B　[②M电子层有s、p、d能级，②错误；③2px表示1个2px轨道，③错误；⑤2s电子云是球形对称的，⑤错误。] 5．K层有________个能级，用符号分别表示为____________________________， L层有______个能级，用符号分别表示为________________________________， M层有______个能级，用符号分别表示为________________________________。 由此可推知n电子层最多可能有________个能级，本层能量最低的能级其符号表示为________，它们的原子轨道电子云形状为________。 [答案]　1　1s　2　2s、2p　3　3s、3p、3d　n　ns 球形 课时分层作业(二)　量子力学对原子核外电子运动状态的描述 (选择题只有一个选项符合题目要求) 1．电子作为微观粒子，其运动特征与宏观物体的运动特征有着明显的区别，下列关于电子运动特征的叙述中，正确的是(　　) A．电子的运动根本就不存在运动轨迹 B．电子在原子核周围的空间内围绕原子核做圆周运动，只不过每一个圆周的半径不同而已 C．电子的运动速率特别快，所以其能量特别大 D．电子的运动速率特别快，运动范围特别小，不可能同时准确地测定其位置和速度 D　[A．电子的存在是客观事实，每一个瞬间肯定都有客观存在的位置，所以肯定存在运动轨迹，故A错误；B．电子不存在确切的运动轨道，故B错误；C．电子的运动速率虽然很快，但是其质量特别小，所以其能量也不会特别大，故C错误；D．电子的运动速率特别快，运动范围特别小，所以不能准确地测定其位置和速度，故D正确。] 2．量子力学原子结构模型中的原子轨道是描述核外单个电子的空间运动状态。下列关于原子轨道的叙述中错误的是(　　) A．原子轨道就是原子核外电子运动的轨道，这与宏观物体运动轨道的含义相同 B．第n电子层上共有n2个原子轨道 C．任意电子层上的p能级都有3个伸展方向相互垂直的原子轨道 D．处于同一原子轨道上的电子，自旋状态相反 A　[A．原子轨道与宏观物体的运动轨道完全不同，它是指电子出现的主要区域，而不是电子运动的实际轨迹，A项错误；B．第n电子层上共有n2个原子轨道，B项正确；C．任意电子层上的p能级都有3个伸展方向相互垂直的原子轨道，C项正确；D．处于同一原子轨道上的电子，自旋状态相反，D项正确。] 3．下列表述错误的是(　　) A．原子轨道能量：1s<2s<3s<4s B．M电子层存在3个能级、9个原子轨道 C．p能级的能量不一定比s能级的能量高 D．4s电子能量较高，总是在比3s电子离核更远的地方运动 D　[A．不同电子层的相同能级的能量越来越高，则原子轨道能量：1s<2s<3s<4s，A正确；B．M电子层存在3个能级，分别为3s、3p、3d，原子轨道数为1＋3＋5＝9，B正确；C．p能级的能量不一定比s能级的能量高，比如3p能级能量小于4s能级能量，C正确；D．4s电子能量较高，但不一定总是在比3s电子离核更远的地方运动，D错误。] 4．观察1s轨道电子云图，判断下列说法正确的是(　　) A．一个小黑点表示1个自由运动的电子 B．1s轨道电子云的黑点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述 C．电子在1s轨道上运动像地球围绕太阳旋转 D．1s轨道的电子云形状为圆形的面 B　[A．图中的小黑点不表示电子，电子云中的小黑点表示电子在某一时刻出现的概率密度，不表示1个自由运动的电子，A错误；B．根据上述分析可知，1s轨道电子云的黑点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述，B正确；C．电子云是对处于一定空间运动状态的电子在核外空间的概率分布的形象化描述，不是实际存在的圆形，也没有宏观轨道，C错误；D．1s轨道的电子云形状为球形，D错误。] 5．下列说法正确的是(　　) A．任何一个电子层最多只有s、p、d、f四个能级 B．用n表示电子层数，则每一电子层最多可容纳的电子数为2n2 C．核外电子运动的电子云图就是原子轨道的图形描述 D．电子的运动状态可从电子层、能级、原子轨道3个方面进行描述 B　[A．能级数等于电子层数，电子层除有s、p、d、f四个能级外，可能还有其他能级存在，A错误；B．用n表示电子层序数，则每一电子层最多可容纳的电子数为2n2，B正确；C．电子云图和原子轨道图是对原子核外电子运动状态描述的两种方法，C错误；D．电子的运动状态可从电子层、能级、原子轨道在空间的伸展取向、电子的自旋状态4个方面进行描述，D错误。] 6．下列说法正确的是(　　) A．原子核外的电子云是核外电子运动后留下的痕迹 B．核外电子的运动规律与普通物体相同，能用牛顿运动定律来解释 C．与s能级电子原子轨道相同，p能级电子原子轨道的平均半径也随电子层数的增大而增大 D．基态原子的电子能量高低顺序为E(1s)<E(2s)<E(2px)<E(2py)<E(2pz) C　[A．电子云就是用小黑点疏密来表示核外空间各处电子出现概率大小的一种图形，A错误；B．原子核外电子运动没有确定的轨道，所以不能用牛顿运动定律来解释，B错误；C．任何电子层的p能级都有3个原子轨道，且轨道半径随着电子层数的增大而增大，C正确；D．同能级的几个原子轨道能量相等，即E(2px)＝E(2py)＝E(2pz)，D错误。] 7．下列能级符号表示正确且最多能容纳的电子数按照从少到多的顺序排列的是 (　　) A．1s、2p、3d B．1s、2s、3s C．2s、2p、2d D．3p、3d、3f A　[不同电子层的相同能级最多能容纳的电子数相同，故B项错误；从M电子层开始有d能级，不存在2d能级，故C项错误；从N电子层开始有f能级，不存在3f能级，故D项错误。] 8．基态氧原子核外电子的运动状态有(　　) A．3种 B．2种 C．8种 D．1种 C　[基态氧原子核外有8个电子，每个电子的运动状态都不相同。] 9．第三代半导体材料的优异性能和对新兴产业的巨大推动作用，使得发达国家都把发展第三代半导体材料及其相关器件等列为半导体重要新兴技术领域，投入巨资支持发展。第三代半导体材料有氮化镓、碳化硅等。请回答下列问题： (1)硅原子的电子占据的最高电子层中能量最高的能级符号为________。 (2)N原子中，有电子占据的最高电子层符号为________，该电子层已经容纳的电子数为________。 (3)镓为元素周期表中第31号元素，位于元素周期表第4周期。镓原子具有________个电子层，每个电子层已经容纳的电子数之比为________。 [解析]　(1)硅位于元素周期表第3周期ⅣA族，为14号元素，有3个电子层，硅原子的电子占据的最高电子层中能量最高的能级符号为3p。 (2)N原子位于元素周期表第2周期ⅤA族，为7号元素，共2个电子层，符号分别为K、L，L为最高电子层，该电子层包括2s能级的2个电子和2p能级的3个电子，共5个电子。 (3)镓为元素周期表中第31号元素，位于元素周期表第4周期，电子层数与元素原子所在的周期数相等，故Ga有4个电子层，每层的电子数为2、8、18、3，已经容纳的电子数之比为2∶8∶18∶3。 [答案]　(1)3p　(2)L　5　(3)4　2∶8∶18∶3 10．(1)K层有________个能级，用符号表示为______；L层有______个能级，用符号分别表示为______；M层有______个能级，用符号分别表示为_____________________________________________________________________。 由此可推知，第n电子层最多可能有________个能级，能量最低的两个能级的符号分别表示为________、________。 (2)以下各能级是否存在？如果存在，各包含多少个原子轨道？ ①2s：________________________________________________________________。 ②2d：_______________________________________________________________。 ③3p：______________________________________________________________。 ④5d：______________________________________________________________。 [答案]　(1)1　1s　2　2s、2p　3　3s、3p、3d　n　ns　np (2)2s存在，原子轨道数为1　2d不存在　3p存在，原子轨道数为3　5d存在，原子轨道数为5 (选择题有一个或两个选项符合题目要求) 11．下列说法不正确的是(　　) A．一般而言，n(电子层数)越大，电子离核平均距离越远，能量越低 B．一般n(电子层数)越大，电子层中的能级数越多 C．s能级的电子云图是球形，p能级的电子云图为哑铃形 D．自旋状态随原子轨道的具体情况而确定 AD　[随n值增大，电子离核越来越远，但电子能量越来越高，A项错误；电子层数越大，其能级数越多，如n＝1，K层只有s能级，n＝2，L层有s、p能级，n＝3，M层有s、p、d三个能级，B项正确；s能级的电子云图是球形，p能级的电子云图为哑铃形，C项正确；自旋状态与原子轨道无关，D项错误。] 12．下列关于核外电子的运动状态的说法错误的是(　　) A．原子轨道是用来形象地描述单个电子空间运动状态的 B．只有电子层、能级、原子轨道的空间取向以及电子的自旋状态都确定时，电子运动状态才能被确定 C．只有电子层、能级、原子轨道的空间取向以及电子的自旋状态都确定时，才能确定电子层上的轨道数 D．原子轨道的空间取向与电子的能量大小有关 CD　[A．原子轨道能形象地描述单个电子的空间运动状态，故A正确；B．电子的运动状态由电子层、能级、原子轨道的空间取向以及电子的自旋状态决定，故B正确；C．第一电子层只有s能级，有1个原子轨道，第二电子层有s和p能级，共有4个原子轨道，第三电子层有s、p和d能级，共有9个原子轨道，与电子层、原子轨道的空间取向及电子的自旋状态无关，故C错误；D．离原子核越远的电子，其能量越大，例如p原子轨道电子的平均能量随电子层的增大而增加，所以原子轨道的空间取向与能量大小无关，故D错误。] 13．下列关于原子轨道上运动的电子的判断正确的是(　　) A．一个原子轨道上只有一个电子 B．处在同一原子轨道上的电子运动状态完全相同 C．处在相同电子层同一能级中的电子(基态)能量一定相同 D．处于同一电子层上的电子(基态)能量一定不同 C　[一个原子轨道上可以容纳两个电子，并且自旋状态相反，A不正确；处在同一原子轨道上的电子，运动状态不相同，若处于同一能级的不同轨道上，自旋状态可以相同，若处于同一轨道上，自旋状态必须相反，B不正确；处在相同电子层同一能级中的电子(基态)，不管是处于不同轨道还是同一轨道，电子的能量都相同，C正确；处于同一电子层上的电子(基态)，若在同一能级中，电子的能量相同，D不正确。] 14．科学研究证明：核外电子的能量不仅与电子所处的电子层、能级有关，还与核外电子的数目及核电荷数有关。氩原子与硫离子的核外电子排布相同，下列说法正确的是(　　) A．两粒子都达8电子稳定结构，但化学性质不同 B．两粒子的电子发生跃迁时，产生的光谱不同 C．两粒子的1s能级上电子的能量相同 D．两粒子的3p能级上的电子离核的距离相同 AB　[硫离子有较强的失电子能力，所以具有很强的还原性，二者性质不同，A项正确；电子的能量不同，则发生跃迁时，产生的光谱不同，B项正确；虽然电子数相同，但核电荷数不同，所以能量不同，C项错误；同是3p能级，氩原子与硫离子的半径不同，电子离核的距离不同，D项错误。] 15．已知A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则基态A原子中，电子运动状态有________种；电子占据的最高电子层符号为__________________， 该电子层含有的能级数为__________，该电子层含有________个原子轨道。 [解析]　A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则A原子为C原子，核外有6个电子，即核外有6种运动状态不同的电子，基态C原子核外电子共占据2个电子层，电子占据的最高电子层为L层，L层含有的能级数为2。s能级有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，所以L电子层共有4个原子轨道。 [答案]　6　L　2　4 4 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$