1 第1章 第1节 原子结构模型-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 双选）

第1节　原子结构模型 [素养发展目标]　1.了解有关核外电子运动模型的历史发展过程，认识核外电子的运动特点。　2.知道电子运动的能量状态具有量子化的特征(能量不连续)，电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。　3.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。 一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 1．不同时期的原子结构模型 2．玻尔的原子结构模型 (1)基本观点 运动 轨迹 原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量 能量 分布 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量是量子化的。轨道能量依n(量子数)值(1、2、3…)的增大而升高 电子 跃迁 对氢原子而言，电子处于n＝1的轨道时能量最低，称为基态，能量高于基态能量的状态称为激发态。电子在能量不同的轨道之间跃迁时，辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来，就形成了光谱 (2)贡献 ①成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。 ②阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是量子化的。 3．光谱及氢原子光谱 (1)光谱 ①含义：利用原子光谱将物质吸收的光或发射的光的波长和强度分布记录下来的谱线。 ②形成原因：电子在不同轨道间跃迁时，会辐射或吸收能量。 (2)氢原子光谱：属于线状光谱。 二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 1．原子轨道：用来描述原子中的单个电子的空间运动状态的一种形象说法。 学生用书↓第2页 2．量子力学对电子运动状态的描述 (1)量子数n用来描述电子空间运动时离核远近；n取值1、2、3、4、5、6等，对应的符号(光谱记号)分别为K、L、M、N、O、P等。量子数n就是常说的电子层。 (2)能级用来描述同一电子层内不同能量的电子的空间运动状态，用s、p、d、f等表示；一个电子层内能级数x与电子层相应量子数n的关系是n＝x，用s、p、d、f等表示。 (3)原子轨道用来描述同一电子层、同一能级内不同空间运动状态的电子；量子数为n的电子层内轨道数是 n2个。 (4)用“↑”和“↓”表示电子“自旋”运动状态。 3．原子轨道的图形描述 原子轨道在量子力学中用波函数来表示，并可以将其以图形的方式在直角坐标系中呈现出来。s轨道图形为球形，具有球对称性；p轨道图形为哑铃形(3个p轨道互相垂直)，相对x、y、z轴具有轴对称性，可表示为px、py、pz。 4．电子在核外的空间分布 (1)电子运动特点：电子质量非常小、运行速度极快且运动空间极小；人们不可能同时准确测定电子等微观粒子的位置和速度。 (2)电子云图：对波函数进行数学处理后，用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小，这样的图形叫电子云图。 1．玻尔理论不能解释(　　) A．氢原子光谱为线状光谱 B．在一给定的稳定轨道上，运动的核外电子不辐射能量 C．氢原子的可见光区谱线 D．在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线 D　[玻尔理论是针对原子的稳定存在和氢原子光谱为线状光谱的事实提出的，在有外加磁场时氢原子有多条谱线，玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象，必须借助量子力学加以解释。] 2．(双选)下列说法正确的是(　　) A．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐增大 B．同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次增多 C．能量高的电子在离核近的区域运动，能量低的电子在离核远的区域运动 D．各电子层含有的原子轨道数为n2(n为电子层序数) AD　[同一能级，能层越大，能级上电子的能量越大，故A正确；同一原子中，各p能级的轨道数相等，都为3，故B错误；能量高的电子在离核远的区域运动，能量低的电子在离核近的区域运动，故C错误；电子层为n的状态，含有n2个原子轨道，故D正确。] 探究一　电子层　能级　原子轨道 1．Na原子核外有多少个电子？有多少种运动状态？原子核外电子的运动状态决定因素有哪些？ 提示：11；11；电子层、能级、原子轨道、自旋运动状态共同决定了原子核外电子运动状态，即一个原子中不存在运动状态完全相同的电子。 2．如何比较两个原子轨道能量的高低？ 提示：①原子轨道的能量取决于电子层和能级，若两者相同则能量相等，如npx＝npy＝npz。 ②相同电子层不同能级的原子轨道能量的高低： ns<np<nd<nf。 ③不同电子层相同能级的原子轨道能量的高低： 1s<2s<3s<4s。 学生用书↓第3页 1．电子层序数(n)、能级数、原子轨道数的关系 n(电子层) 能级 原子轨道 取值 符号 符号 符号 数目 合计 1 K s 1s 1 1 2 L s 2s 1 4 p 2p 3 3 M s 3s 1 9 p 3p 3 d 3d 5 4 N s 4s 1 16 p 4p 3 d 4d 5 f 4f 7 … … … … … … 2．不同原子轨道能量大小的关系 1．下列说法正确的是(　　) A．n＝3的电子层上有s、p共2个能级 B．3d能级有3个原子轨道 C．n＝3的电子层上有2个原子轨道 D．无论是哪个电子层的p能级上的原子轨道数目都相等 D　[每一电子层包含的能级数等于该电子层的序数，第三电子层有s、p、d三个能级，故A错误；d能级上有5个原子轨道，故B错误；n＝3的电子层上有9个原子轨道，故C错误；p能级上有3个原子轨道，故D正确。] 探究二　原子轨道的图形描述及电子云图 Pb(N3)2简称叠氮化铅，一种起爆药。主要用于装填电雷管和混合装填针刺雷管、延期雷管和火焰雷管。已知N原子的第2电子层的p能级上有2px、2py、2pz三个原子轨道。 1．这三个p轨道上的电子的能量是否相同？ 提示：2px、2py、2pz表示的是相同能级上的原子轨道，其电子能量相同。 2．这三个p轨道的形状是否相同？电子云在空间的伸展方向是否相同？ 提示：这三个原子轨道电子云的形状相同，电子云在空间的伸展方向互相垂直。 1．原子轨道的图形描述 (1)s能级的原子轨道：s能级的原子轨道是球形的，电子层序数越大，原子轨道的半径越大。这是由于1s、2s、3s……电子的能量依次增高，电子在离核较远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越向更大的空间扩展。 (2)p能级的原子轨道：p能级的原子轨道是轴对称的，每个p能级有3个轨道，它们互相垂直，分别记作px、py、pz。p能级的原子轨道的平均半径也随电子层序数增大而增大。 学生用书↓第4页 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，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，因而被形象地称作电子云。常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来，人们把这种电子云轮廓图称为原子轨道。 2．下列说法正确的是(　　) A．s轨道呈圆形，p轨道在空间沿坐标轴的方向分布 B．科学家们采用统计的方法来描述电子在原子核外某一区域出现的概率 C．电子云中小点的密度表示电子的多少 D．f轨道有5个伸展方向 B　[s轨道为球形，A项错误；电子云的小点不代表电子，小点的疏密程度表示电子在这一区域出现概率的大小，C项错误；f轨道有7个伸展方向，D项错误。] 1．下列关于多电子原子核外电子的运动规律的叙述正确的是(　　) A．所有的电子在同一区域里运动 B．在离原子核较近的区域内运动的电子能量较高，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较低 C．处于最低能量的原子叫基态原子 D．同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数依次增多，各能级能量大小相等 C　[在含有多个电子的原子里，电子分别在能量不同的区域内运动，A错误；在多个电子的原子中，电子的能量是不相同的，在离原子核较近的区域内运动的电子能量较低，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较高，B错误；处于最低能量的原子叫基态原子，当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子，C正确；同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数依次增多，但第四能层中，能级的能量大小不同：E(4s)<E(4p)<E(4d)<E(4f)，D错误。] 2．氮原子2p能级上的3个电子不相同的是(　　) A．能量　　　　　　　 B．电子云形状 C．电子云伸展方向 D．自旋状态 C　[氮原子2p能级上的3个电子分布在不同的轨道上，且自旋方向相同，不相同的是电子云伸展方向。] 3．下列电子层中，包含有f能级的是(　　) A．K能层 B．L能层 C．M能层 D．N能层 D　[能级数目等于能层序数，K、L、M、N的能层序数依次为1、2、3、4，则分别有1(s)、2(s、p)、3(s、p、d)、4(s、p、d、f)个能级，即K、L、M能层不包含f能级。] 4．2020年4月8日，华为在线上举办了P40系列手机国行发布会，在发布会上除了手机外还发布了华为65 W氮化镓双口超级快充充电器。这款氮化镓充电器配备1A1C双输出接口，体积小且插脚可以折叠。镓元素的原子结构示意图为。 (1)镓元素原子n＝3的电子层上有________个能级，这些能级的能量由高到低的顺序是________________，该元素原子核外每一层上的s电子的能量由高到低的顺序是________________。 (2)镓元素原子n＝4的电子层上有________个能级，________个原子轨道，这些原子轨道有________种伸展方向。 解析：　(1)n＝3的电子层上有3个能级，分别为3s、3p、3d，这些能级的能量按照由高到低的顺序排列为3d、3p、3s；量子数n越大，形状相同的原子轨道的能量越高，因此镓元素原子的s轨道的能量由高到低的顺序是4s、3s、2s、1s。(2)镓元素原子n＝4的电子层上有s、p、d、f 4个能级，共有16个原子轨道，这些原子轨道共有16种伸展方向。 答案：　(1)3　3d、3p、3s　4s、3s、2s、1s　(2)4　16　16 课时作业(一)　原子结构模型 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、选择题(本小题共8小题，每小题只有一个选项符合题意) 1．首次将量子化概念应用到原子结构，并解释了原子的稳定性的科学家是(　　) A．道尔顿　　　　　　　　 B．门捷列夫 C．玻尔 D．卢瑟福 C　[道尔顿、门捷列夫、玻尔和卢瑟福的主要贡献分别是原子论、元素周期律、原子结构模型和原子的核式模型。丹麦科学家玻尔引入量子化观点，提出电子在一定轨道上运动的原子结构模型。] 2．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。下列说法中，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 D　[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。] 3．同一原子的基态和激发态相比较，正确的是(　　) ①基态时的能量比激发态时高　②基态时比较稳定 ③基态时的能量比激发态时低　④激发态时比较稳定 A．①② B．②③ C．②④ D．①④ B　[对同一原子，基态时比较稳定，基态时的能量比激发态时低，②③正确，①④错误。] 4．下列有关电子云的叙述中，正确的是(　　) A．电子云形象地表示了电子在核外某处单位体积内出现的概率 B．电子云直观地表示了核外电子的数目 C．1s电子云界面图是一个球面，表示在这个球面以外，电子出现的概率为零 D．电子云是电子绕核运动形成的一团带负电荷的云雾 A　[为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小；点密集的地方，表示电子出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子出现的概率小，这就是电子云。1s电子云界面以外，电子出现的概率不为零，只是出现的概率很小。] 5．电子层数n＝3时，原子轨道有(　　) A．4个 B．7个 C．8个 D．9个 D　[电子层数n＝3的原子轨道有3s(1个原子轨道)，3p(3个原子轨道)，3d(5个原子轨道)共9(即n2)个原子轨道。] 6．某元素原子的核外有三个电子层，最外电子层有4个电子，该原子核内的质子数为(　　) A．14 B．15 C．16 D．17 A　[原子核外共有三个电子层，最内层只有1s能级，可容纳2个电子，第二层有2s、2p两个能级，可容纳1×2＋3×2＝8个电子，最外层有4个电子，所以该原子核外有14个电子，又因在原子中，核外电子数等于核内质子数，故选A项。] 7．玻尔理论、量子力学理论都是对核外电子运动状态的描述方法，根据对它们的理解，下列叙述中正确的是(　　) A．因为s轨道的形状是球形的，所以s电子做的是圆周运动 B．3px、3py、3pz的差异之处在于三者中电子(基态)的能量不同 C．钒原子核外有4种形状的原子轨道 D．原子轨道和电子云都是用来形象地描述电子运动状态的 D　[s轨道的形状是球形的，表示电子出现概率的大小，而不表示电子运动轨迹，选项A错误；3px、3py、3pz，属于同一能级上的电子，其能量相同，选项B错误；钒是23号元素，其原子核外有s、p、d三种形状的原子轨道，选项C错误；原子轨道和电子云都是用来描述电子运动状态的，选项D正确。] 8．下列叙述正确的是(　　) A．在一个基态多电子原子中，可以有两个运动状态完全相同的电子 B．在一个基态多电子原子中，不可能有两个能量完全相同的电子 C．在一个基态多电子原子中，M层上的电子能量肯定比L层上的电子能量高 D．如果某一基态原子3p能级上仅有2个电子，它们的自旋状态必然相反 C　[在多电子原子中，电子填充在不同的电子层，同一电子层又分不同的能级，同一能级又有不同的原子轨道，每个轨道中最多可以填充两个电子，自旋方向相反，在一个基态多电子原子中，不可能有两个运动状态完全相同的电子，故A错误；每个轨道中最多可以填充两个电子，自旋方向相反，这两个电子的能量完全相同，另外在同一能级上填充的电子能量也相同，可能存在能量相同的电子，故B错误；L层只有2s、2p能级，2s、2p能级的能量比3s、3p、3d能级的能量低，故M层上的电子能量肯定比L层上的电子能量高，故C正确；某一基态3p能级上仅有2个电子，这2个电子分别占据不同的轨道，且自旋方向相同，故D错误。] 二、选择题(本题包括4小题，每小题只有一个或两个选项符合题意) 9．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原子轨道半径大，说明2s的电子云中的电子比1s的多 C．第2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电子层的原子轨道类型数和原子轨道数分别为4和16 D　[同一电子层中，s能级的能量小于p能级的能量，A错误；2s原子轨道半径比1s原子轨道半径大，说明2s电子在离核更远的区域出现的概率比1s电子的大，B错误；当电子在同一电子层的不同能级上时，其能量不相同，C错误；对于N电子层，n＝4，其轨道类型数为4，轨道数为n2＝42＝16，D正确。] 10．下列有关电子层和能级的说法正确的是(　　) A．各能级的原子轨道数按s、p、d、f顺序依次为1、3、5、7 B．各电子层的能级都是从s能级开始至f能级结束 C．各电子层含有的能级数为n D．各电子层含有的轨道数为2n2 AC　[各电子层的能级数等于其所处的电子层序数，即当n＝1时，它只有一个s能级，当n＝2时，它有两个能级：s能级和p能级，所以B错误，C正确；各电子层含有的轨道数为n2，D错误。] 11．(2022·山东菏泽一中高二检测)下列说法正确的是(　　) A．因为p轨道是“8”字形，所以p电子是“8”字形 B．电子层序数为4时，共有16个原子轨道 C．氢原子中只有1个电子，故氢原子核外只有1个原子轨道 D．电子云图是用来形象描述电子运动状态的 BD　[p轨道沿坐标轴呈对称分布，p电子不是“8”字形，A项错误；n＝4的电子层有4s、4p、4d、4f能级，共有16个原子轨道，B项正确；氢原子中确实只有1个电子，但原子轨道是人为规定的，可以是空轨道，故C项错误；电子在原子核外出现的概率分布通常用电子云图来形象化地描述，D项正确。] 12．下面有关“核外电子的运动状态”的说法，错误的是(　　) A．各原子轨道的伸展方向个数按p、d、f的顺序分别为3、5、7 B．只有在电子层、原子轨道、原子轨道伸展方向都确定时，才能准确表示电子的运动状态 C．同一个原子的原子核外任何一个电子的运动状态都是不相同的 D．基态原子变为激发态原子会吸收能量，得到吸收光谱 B　[各原子轨道的伸展方向个数按p、d、f的顺序分别为3、5、7，故A正确；电子的运动状态由能层、能级、电子云的伸展方向以及电子的自旋状态决定，所以在能层、能级、电子云的伸展方向以及电子的自旋状态确定时，电子的运动状态才能确定下来，故B错误；原子核外不可能有两个电子的运动状态是完全相同的，故C正确；基态原子变为激发态原子会吸收能量，得到吸收光谱，故D正确。] 三、非选择题(本题包括3小题) 13．如图是s能级和p能级的电子云轮廓图，试回答问题。 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________形，每个p能级有________个原子轨道，其能量关系为________。 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形的，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，能量E(px)＝E(py)＝E(pz)。 答案：　球　1　哑铃　3　相等 14．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)在基态14C原子中，核外存在________个运动状态不同的电子。 (4)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图的形状为________。 解析：　(1)第2电子层有2s、2p两个能级，有s、p2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。(2)n＝2的原子轨道为2s、2px、2py、2pz。(3)原子中单个电子的空间运动状态可以用原子轨道来描述，并具有两种自旋状态中的一种，因此多电子原子中，不同电子的运动状态不同，故14C原子核外有6个运动状态不同的电子。(4)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，电子云图为球形。 答案：　(1)2　2　4　8　(2)2s、2px、2py、2pz　(3)6　(4)N　球形 15．下表给出了四种元素的相关信息，且X、Y、Z、W均为短周期元素。 元素 相关信息 X 在常温、常压下，其单质是气体，随着人类对环境的认识和要求的提高，它将成为备受青睐的清洁燃料 Y 工业上通过分离液态空气获得其单质，其某种同素异形体是保护地球地表环境的重要屏障 Z 植物生长营养元素之一，它能形成多种氧化物，其中一种是早期医疗中使用的麻醉剂 W 室温下其单质呈粉末状固体，加热易熔化。该单质在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰 根据上述信息填空： (1)Y元素的基态原子含有几个电子层：________，其中第二电子层中有哪几个能级：____________，画出W的原子结构示意图：____________。 (2)Z与X形成的某一化合物能和Z与Y形成的另一无色化合物(这两种化合物分子中原子个数比皆为1∶2)一起用作火箭助推剂，写出两者发生反应生成无毒物质的化学方程式：________________________________________________________________________。 解析：　(1)氢气是一种清洁燃料，所以X为氢元素；臭氧对紫外线有吸收作用，是保护地球地表环境的重要屏障，所以Y为氧元素，其基态原子含有K层与L层两个电子层，L层为第二电子层，有两个能级，是s、p能级(即2s和2p)；氮、磷、钾是植物生长营养元素，N2O俗名“笑气”，是早期医疗中使用的麻醉剂，所以Z为氮元素；单质硫在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰，所以W为硫元素。(2)氮和氢形成的原子个数比为1∶2的化合物为N2H4，氮和氧形成的原子个数比为1∶2的化合物有NO2和N2O4，其中N2O4是无色气体，NO2是红棕色气体，N2H4和N2O4反应生成无毒的N2和H2O。 答案：　(1)2　2s和2p　 (2)2N2H4＋N2O43N2＋4H2O 学生用书↓第5页 学科网（北京）股份有限公司 $$