1.1.3 电子云和原子轨道 泡利原理、洪特规则、能量最低原理 课件 -2024-2025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 学习目标 通过原子轨道和电子云模型的学习，了解核外电子的运动特点及核外电子运动状态的描述方法。 新的问题 不同能级中最多可容纳电子数为什么不同？ 能级 s p d f 最多可容纳电子数 2 6 10 14 3 原子结构理论的发展III 核外电子的运动特点 运动特点 宏观物体 核外电子 质量 很大 很小 位置 可测 不可以同时测定 速度 可测 轨迹 可以描述 不能准确描述 4 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。 一、电子云与原子轨道 阅读课本，回答以下问题： 1、什么叫概率密度？ 2、什么叫电子云? 3、什么叫原子轨道？ 4、简述“原子轨道” “核外电子空间运动状态” 与“电子云轮廓图”三者之间的关系？ 5、同一原子的不同能层上相同能级的电子云轮廓图有什么区别和联系? 6、某原子轨道名称为：4pX ，说明其数字和符号的含义 7、在一个确定的原子轨道上，有几个电子？你是如何得出这一结论的？ 一、电子云 1、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，则 ρ = 称为概率密度，用ρ表示。 小点是对1s电子在原子核外出现的概率密度(ρ)的形象描述 2、电子云是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。不代表电子的运动轨迹。 3、电子云轮廓图 电子云：概率分布图 电子云轮廓图 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。 一、电子云 1.不同能层的s能级电子的电子云轮廓图都是球形； 视频源自网络 2..同一原子的能层越高，s电子云半径越大； 相同原子的s电子的电子云轮廓图 图1-9是1s、2s、3s、4s的电子云轮廓图。 你能发现什么规律？ 1、所有原子的任--能层的s电子的电子云轮廓图都是一一个球形，只是球的半径不同。不同能级s电子的电子云形状一致，均为球形。 2、能层越高，s电子的电子云半径越大。 原因：由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率增大，电子云越来越向更大的空间扩展 同一.原子的能层越高，s电子云半径越大，是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展。这就好像宇宙飞船必须提供能量推动才能克服地球引力.上天，2s电子比1s电子能量高，克服原子核的吸引在离核更远的空间出现的概率就比1s大，因而2s电子云必然比1s电子云更弥散。 其他能层，相同能级具有相同规律 p能级的电子云轮廓图 px、py、pz的电子云轮廓图 ——哑铃形 ①p电子云轮廓图是哑铃形（纺锤形），每个p能级有3个相互垂直的电子云，分别以 px、py、pz表示，右下角标x、y、z分别是P电子云在直角坐标系的取向。 ②在同一能层中px、py、pz的能量相同。 ③ p电子轮廓图的平均半径随能层的增大而增大。 一、电子云 二、原子轨道 1、含义： 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 2、表示方式： 常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。 各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。 s能级的原子轨道有1个 p能级的原子轨道有3个 二、原子轨道 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。 px py pZ 二、原子轨道 没有外加电场时，三个原子轨道具有相同能量 同一能层中px、py、pz的能量相同。 而x\y\z表示相对位置，是人为设定，没有必要严格区分 （2）除s电子云外，其他电子云都不是球形的。 例如 p电子的原子轨道呈哑铃状。 相互垂直 微观粒子可视化： 1s~2p原子轨道的叠加 视频源自网络 d能级的电子云轮廓图 图片源自网络 花瓣形 d轨道和f轨道各有其名称、形状和取向，本书不作要求而从略。 f能级的电子云轮廓图 图片源自网络 能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称 原子轨道的形状和取向 K —— L —— M —— …… …… …… N —— …… …… …... …… …… …… 不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 4 9 16 1s 2s 2px 2py 2pz 3s 3px 3py 3pz 4s 4px 4py 4pz 球形 球形 哑铃形 球形 哑铃形 球形 哑铃形 互相垂直 互相垂直 互相垂直 第n能层中： 能级个数：n 电子数：2n2 轨道总数：n2 填下表，归纳总结能层、能级和原子轨道之间的关系。 1 2 3 4 (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的电子云图中一个小点表示一个自由运动的电子(　　) (3)2p、3p、4p能级的轨道数依次增多(　　) (4)2px、2py、2pz轨道相互垂直，但能量相等(　　) (5)p能级的能量一定比s能级的能量高( ) (7)2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等( ) (8)从空间角度看，2s轨道比1s轨道大，其空间包含了1s轨道( ) (9)第三电子层含有的轨道数为8( ) 1、判断正误 × √ × × × × √ × 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________个_______________ 的伸展方向，原子轨道呈现__________形。 (2)元素X的名称是____。 2 2p 3 相互垂直 哑铃 氮 3．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___________。 N 基态钾原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p64s1， 基态钾离子的电子排布式是1s22s22p63s23p6 3 哑铃形 基态钾原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p64s1，其占据的最高能层是第四层，符号是N；基态钾离子的电子排布式是1s22s22p63s23p6，占据的最高能级是3p，共有3个原子轨道，p能级轨道形状是哑铃形。 4、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 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 【思考･讨论】 填下表，并预测d、f能级中的原子轨道数量。 能级 s p d f 最多可容纳电子数 2 6 10 14 原子轨道数 单轨道容纳电子数 1 3 5 7 2 2 2 2 不同能级中的原子轨道数量 预测后，计算表明确实如此 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。 三、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 顺时针 逆时针 24 （1）轨道表示式是表述电子排布的一种图式。 ↑↓ 1s 2s 2p ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ O H 2、电子排布的轨道表示式(又称电子排布图) 如氢和氧的基态原子的轨道表示式如下： ↑ 1s (2)在轨道表示式中，用方框表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道）的方框相连，在方框的上方或下方用能级符号表示轨道所属能级。 (3)各轨道按照离核由近到远，从左到右依次排列。 (4)箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称为电子对，“↑”或“↓”称为单电子（或称未成对电子）。箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。 (5)有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。 如钠的基态原子的轨道表示式如下： ↑↓ 1s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Na 2s 2p ↑ 3s ↑↓ 1s 2s 2p ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ O 请写出Al的轨道表示式 ↑ ↑ 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 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 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 √ 全充满状态 3d 4s ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Cu 3d5 4s1 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 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 (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，填入单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）。 ⑦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 ⑥C元素价层电子的轨道表示式 ↑↓ 2s ↑ ↑ 2p ⑤价层电子排布式 2s22p2 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 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 37 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 ↑ ↑ ↑ D 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 [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： 。 ad d 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 $$