第1章 第1节 第2课时 电子云与原子轨道 泡利原理、洪特规则、能量最低原理-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修2五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第2课时　电子云与原子轨道 泡利原理、洪特规则、能量最低原理 课标要点 核心素养 1.了解电子云轮廓图和核外电子运动的状态 2.能从原子的微观层面理解原子的组成、结构等，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，并能根据电子排布的轨道表示式、结构示意图等推导出对应的原子或离子 1.宏观辨识与微观探析：通过认识原子核外电子云和原子轨道，辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态 2.证据推理与模型认知 (1)结合电子云轮廓和原子轨道形状，熟识s轨道和p轨道模型 (2)结合原子核外电子排布规律及核外电子排布的原则，建立观点、证据和结论之间的逻辑关系 [知识梳理] [知识点一]　电子云与原子轨道　 1．电子运动的特点 现代量子力学指出，不可能像描述宏观物体运动那样确定核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定在原子核外各处出现的　概率　。用P表示电子在某处出现的　概率　，V表示该处的体积，则P/V称为　概率密度　，用ρ表示。 2．电子云 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。小黑点越密，表示概率密度越大。由于核外电子的　概率密度　分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。 3．原子轨道 (1)定义：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)形状 ①s电子的原子轨道呈　球　形，能层序数越大，原子轨道的半径越　大　。 ②除s电子云外，其他电子云轮廓图都不是球形的。例如，p电子云轮廓图是呈　哑铃　状的。 (3)各能级所含有原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 　1　 　3　 　5　 　7　 [特别提醒]　原子轨道与能层序数的关系 (1)不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。如： 同一原子的s电子云轮廓图 (2)s能级只有1个原子轨道。p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同。 [知识点二]　核外电子排布规则　 1．泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳　2　个电子，而且它们的自旋　相反　，这个原理称为泡利原理。 2．洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中，填入简并轨道电子总是优先　单独分占　，且自旋　平行　。 3．能量最低原理：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。 [知识点三]　轨道表示式　 在轨道表示式中，用　方框　(也可用　圆圈　)表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连，箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)。 [自我评价] 1．[判一判](对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)电子云中的一个小黑点表示一个电子。(×) 提示：小黑点的疏密表示概率密度大小。 (2)p能级中有3个原子轨道，且相互垂直。(√) 提示：p能级中x、y、z三个原子轨道相互垂直。 (3)2s的电子云比1s的电子云大，说明2s的电子云中的电子比1s的多。(×) (4)当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占满1个轨道，然后再占据其他原子轨道。(×) (5)氢原子电子云的一个小黑点表示一个电子。(×) (6)6C的电子排布式1s22s22p违反了洪特规则。(√) (7)基态氮原子的轨道表示式为　(×) 提示：违背了洪特规则，2p轨道上的三个电子应分占三个轨道且自旋方向相同。 (8)某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了能量最低原理。(×) 提示：违背了泡利原理，每个轨道最多可容纳2个电子，p轨道最多容纳6个电子。 2．[想一想] (1)同一原子的不同能层的s电子云半径是否相同？为什么？ 提示：同一原子能层越高，s电子云半径越大，是由于电子能量越大，电子在离核更远的区域出现的概率越大，电子云越向更大的空间扩散。 (2)ns、np、nd、nf能级各有几个轨道？能层序数n与该层轨道数的关系是什么？ 提示：ns、np、nd、nf能级各有1、3、5、7个轨道，n能层轨道数＝n2。 (3)d能级轨道呈梅花形，在空间坐标轴中形状如下图： d能级共有几个轨道？最早出现d能级的是哪个能层？ 提示：d能级有5个轨道，M能层最早出现d能级。 3．[练一练] 第二周期元素基态原子的轨道表示式如何书写？ 　电子云与原子轨道 [情境素材] 电子云绘制可重叠电子出现的位置，把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，即为电子云轮廓图。 [思考探究] (1)电子云图中的小点的含义是什么？小点的密度表示什么？ 提示：小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点密度越大，表明概率密度越大。 (2)电子在原子核外出现的概率有什么规律？ 提示：离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云疏散。 (3)不同能层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同？ 提示：不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，但不完全相同。只是原子轨道的半径不同，能级序数n越大，电子的能量越大，原子轨道的半径越大。例如1s、2s、3s轨道均为球形，原子轨道半径：r(1s)＜r(2s)＜r(3s)。 [核心突破] 宏观物体的运动与微观电子的运动对比 1．宏观物体的运动有确定的运动轨迹，可以准确测出其在某一时刻所处的位置及运行的速度，描绘出其运动轨迹。 2．由于微观粒子质量小、运动空间小、运动速度快，不能同时准确测出其位置与速度，所以对于核外电子只能确定其在原子核外各处出现的概率。 (1)电子云图表示电子在核外空间出现概率密度的相对大小。电子云图中小黑点密度越大，表示电子出现的概率密度越大。 (2)电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子真实出现的次数。 (3)由氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图可知，在离原子核越近的空间电子出现的概率越大；电子云的外围形状具有不规则性。 (4)电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。 [典例示范] [典例1]　下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是(　　) A．原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云 B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动 C．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大 D．基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz) 解析：C　[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，故A错误；s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故B错误；离原子核越远的电子，其能量越大，所以p原子轨道电子的平均半径随能层的增大而增大，故C正确；2px、2py、2pz轨道是3个不同的原子轨道，空间伸展方向不同，3个轨道上的电子的运动状态不同，但同一能级上的原子轨道具有相同的能量，所以基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＝E(2py)＝E(2pz)，故D错误。] (1)同能层的不同能级能量s＜p＜d＜f； (2)不同能层相同能级的能量1s＜2s＜3s、2p＜3p＜4p，半径随能层增大而增大； (3)同能层同能级不同轨道能量相同2px＝2py＝2pz。 [学以致用] 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，随电子层数的增加，s轨道数也增加 B．p轨道呈哑铃形，p轨道电子绕“∞”形运动 C．电子云是笼罩在原子核外的云雾 D．电子云图中点的疏密程度表示电子在原子核外空间出现概率的大小 解析：D　[s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，任何能层的s能级都有1个原子轨道，与能层的大小无关，故A错误；电子在p轨道上绕核高速运动，不是“∞”形运动，故B错误；电子云不是笼罩在原子核外的云雾，是表示电子出现的几率，小黑点的疏密表示电子在核外单位体积的空间出现的机会多少，故C错误；电子云图中点本身没有意义，小黑点疏密不表示电子的多少，而是表示电子出现机会的多少，疏的区域表示电子出现的机会少，密的区域表示电子出现的机会多，疏密程度表示电子在原子核外空间出现概率的大小，故D正确。] 2．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能层序数有关 D．钠原子的电子在11个原子轨道上高速运动 解析：C　[s轨道为球形的，p轨道为哑铃状的，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；能层序数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；钠原子的电子在6个原子轨道上高速运动，D项错误。] 　　核外电子排布规律和表示方法 [情境素材] 1925年乌伦贝克和古兹密特分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有内禀运动——自旋，并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩。电子自旋是量子效应，因为电子有1/2的自旋，所以在外加磁场下能级二分。电子的自旋只有一种状态，所谓的＋1/2和－1/2的自旋是自旋在z轴方向上的投影。 根据泡利原理，每个原子轨道可容纳2个自旋方向不同的电子。 [思考探究] (1)K、L、M、N能层分别有几个原子轨道？与能层数n的关系是什么？每个能层能容纳的电子数为什么是2n2? 提示：K能层只有1个s轨道，L能层有1个s轨道和3个p轨道，M能层有1个s轨道、3个p轨道和5个d轨道，N能层有1个s轨道、3个p轨道、5个d轨道和7个f轨道；每个能层的原子轨道为n2。根据泡利原理，每个轨道可容纳2个电子，因此每个能层最多可容纳电子数为轨道数的2倍，即为2n2。 (2)泡利原理和洪特规则有何区别？ 提示：泡利原理：在一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋相反；洪特规则：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优先单独占据一个轨道，而且自旋平行。 (3)指出下列核外轨道表示式的书写分别违背了什么原则？ ⑤3d轨道上有8个电子的原子： 提示：①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同原子轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个原子轨道，且自旋平行，④违背了泡利原理，一个原子轨道最多只容纳2个电子，而且这2个电子的自旋相反。 [核心突破] 核外电子排布的表示方法 原子(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式子 实例 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，这就是电子排布式 实例 K：1s22s22p63s23p64s1 简化电 含义 为了避免电子排布式书写过于烦琐，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 子排布式 实例 K：[Ar]4s1 价层电子排布式 含义 主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式 实例 Al：3s23p1 轨道表示式 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 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，相应的式子叫做电子式 实例 [典例示范] [典例2]　下列电子排布式或轨道表示式正确的是(　　) A．O的轨道表示式： B．Ca的电子排布式：1s22s22p63s23p63d2 C．N的轨道表示式： D．Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6 [思维建模]　解析核外电子排布题目需注意的几点： (1)注意观察电子排布是否符合构造原理。 (2)注意分析电子排布是否符合泡利原理和洪特规则。 (3)不要忽略Cu、Cr等少数原子“半充满”或“全充满”较稳定的特例。 [解析]　D　[2p能层有4个电子，应在3个不同的轨道，所以不符合洪特规则，故A错误；Ca为20号元素，其原子的核外有20个电子，其电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，故B错误；根据泡利原理，每个原子轨道上最多只能容纳2个自旋状态相反的电子，所以1s和2s轨道上的2个电子自旋状态应该相反，故C错误；Br为35号元素，核外电子排布式为[Ar]3d104s24p5，Br得到1个电子形成Br－，所以Br－的电子排布式为[Ar]3d104s24p6，故D正确。] [学以致用] 3．下列各项叙述错误的是(　　) D．泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求 解析：A　[所画的轨道表示式中3p能级，在等价轨道(相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，违背了洪特规则，故A错误；因为4s轨道能量比3d轨道能量还低，所以25号Mn元素的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d7违反了能量最低原理，应该为1s22s22p63s23p63d54s2，故B正确；氮原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利原理，故C正确；泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求，故D正确。] 4．下列关于钠元素的几种表达式错误的是(　　) B．Na＋的结构示意图： C．Na的电子排布式：1s22s22p63s1 D．Na的简化电子排布式：[Na]3s1 解析：D　[Na的简化电子排布式为[Ne]3s1，即上一周期的稀有气体(元素符号)＋该原子的价层电子排布。] [易错提醒]　书写轨道表示式时的“五”注意 (1)一个方框表示一个原子轨道，一个箭头表示一个电子。 (2)不同能级中的□要相互分开，同一能级中的□要相互连接。 (3)整个轨道表示式中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。 (4)当□中有2个电子时，它们的自旋状态必须相反。 (5)洪特规则的特例：在能量相同的轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较高的稳定性。如24Cr的价层电子排布式为3d54s1(半充满)，易错写为3d44s2。 1．对原子核外的电子运动描述方法正确的是(　　) A．根据一定的数据计算出它们某一时刻所在的位置 B．用一定仪器测定或描述出它们的运动轨道 C．核外电子的运动有确定的轨道 D．核外电子的运动根本不具有宏观物体运动规律，只能用统计规律来描述 解析：D　[核外电子的运动根本不具有宏观物体运动规律，只能用统计规律来描述。我们不能测定或计算出它在某一时刻所在的位置，也不能描画它的运动轨迹。] 2．下列说法中正确的是(　　) A．1s电子云呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动 B．电子云图中的小黑点密度大，说明该原子核外空间电子数目多 C．3d3表示3d能级有3个轨道 D．ns能级的原子轨道图可表示为 解析：D　[电子云表示电子在核外空间某处出现的机会，不代表电子的运动轨迹，故A错误；小黑点的疏密表示电子出现机会的多少，密则机会大，疏则机会小，故B错误；3d3表示3d能级有3个电子，故C错误；ns能级的电子云呈球形，所以可以用该图表示该能级的原子轨道，故D正确。] 3．下列化学用语的表达正确的是(　　) A．原子核内有10个中子的氧原子： B．氯原子的结构示意图： C．Fe3＋的最外层电子排布式：3s23p63d5 D．基态铜原子的价层电子轨道表示式： 解析：C　[原子核内有10个中子的氧原子的质量数＝10＋8＝18，应该表示为O，故A错误；氯原子核外电子总数为17，氯原子的结构示意图为，故B错误，铁为26号元素，铁离子最外层电子数为13，根据构造原理可得：Fe3＋的最外层电子排布式为3s23p63d5，故C正确；Cu是29号元素，其原子核外有29个电子，基态原子价层电子排布式为3d104s1，图示中3d和4s能级电子数目不符，最外层的轨道表示式为，故D错误。] 4．(双选)下列给出的基态原子的电子排布式，其中正确的是(　　) A．11Na：1s22s22p7 B．47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2 C．20Ca：1s22s22p63s23p64s2 D．35Br：[Ar]3d104s24p5 解析：CD　[A项中的“2p7”违背了泡利原理，p能级有3个轨道，最多填充6个电子，正确的电子排布式为1s22s22p63s1。B项中的“4d95s2”违背了洪特规则特例，正确的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1。] 5．(1)金属铝质轻且有良好的防腐蚀性，在国防工业中有非常重要的作用。铝原子核外电子云有　________　种不同的伸展方向，有　________　种不同运动状态的电子。 (2)基态铁原子有　________　个未成对电子，三价铁离子的电子排布式为________________________________________________________________________。 (3)29Cu＋的价层电子排布式为　________　。 解析：(1)Al原子的核外电子排布式为 1s22s22p63s23p1，原子中存在s、p两种形状的电子云，s电子云呈球形，有1种伸展方向，而p电子云呈哑铃状的，有3种伸展方向，则铝原子核外电子云共有4种不同的伸展方向。由于每个核外电子的运动状态都不完全相同，所以铝原子核外共有13种不同运动状态的电子。 (2)26号元素Fe的核外电子排布式是 1s22s22p63s23p63d64s2，则基态Fe原子上有4个未成对电子，当Fe原子失去2个4s电子和1个3d电子，就得到了Fe3＋，因此Fe3＋的电子排布式是1s22s22p63s23p63d5。 (3)29号元素Cu的简化电子排布式为[Ar]3d104s1，原子失去电子时首先失去最外层电子，即Cu＋的简化电子排布式为[Ar]3d10，则其价层电子排布式为3d10。 答案：(1)4　13　(2)4　1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5　(3)3d10 [课堂小结] 学科网（北京）股份有限公司 $$