1.1 原子结构 第3课时（教学设计）化学人教版选择性必修2

该高中化学教学设计聚焦泡利原理、洪特规则、能量最低原理核心知识点，通过钠原子光谱双线现象导入，联系科学史引出电子自旋，衔接已有原子结构基础，深入核外电子排布规律，为后续分子结构等知识铺垫。 以科学史和实验现象为情境，通过问题驱动与实例分析（如O原子轨道表示式）落实证据推理与模型认知，对应训练提升科学思维，帮助学生深化抽象概念理解，为教师提供结构化教学方案与评价素材。

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 一、知识目标 1. 了解核外电子排布的规律——泡利原理、洪特规则、能量最低原理。 1. 能根据核外电子排布规律写出 1 - 36 号元素的电子排布式和电子排布图。 1. 掌握轨道表示式的概念、表示方法及书写规则。 1. 理解洪特规则的特例。 二、素养目标 1. 宏观辨识与微观探析：从微观角度理解电子的自旋、轨道等概念，以及核外电子排布规律对原子结构和性质的影响。 1. 证据推理与模型认知：通过对光谱实验等证据的分析，建立核外电子排布的模型，理解泡利原理、洪特规则和能量最低原理。 1. 科学探究与创新意识：通过对电子排布规律的探究，培养学生的科学思维和创新能力。 一、教学重点 泡利原理、洪特规则、能量最低原理的内容及应用；1 - 36 号元素电子排布式和电子排布图的书写。 二、教学难点 洪特规则特例的理解；根据核外电子排布规律判断电子排布式和轨道表示式的正误。 本节教学内容出自人教版选择性必修 2 第一章《原子结构与性质》第一节《原子结构》的第 3 课时，涵盖泡利原理、洪特规则、能量最低原理等内容。这些原理是对原子结构理论的深入拓展，在整个化学知识体系中具有关键地位。它不仅是理解原子结构的核心内容，更是后续学习分子结构、化学键、化学反应原理等知识的重要基础。 教材先通过钠原子光谱的双线现象引出电子自旋的概念，进而阐述泡利原理，即一个原子轨道最多容纳 2 个自旋相反的电子。接着介绍轨道表示式，让学生能直观地表示电子排布。然后讲解洪特规则，强调基态原子中电子在简并轨道的排布方式，同时提及洪特规则特例。最后阐述能量最低原理，说明电子在构建基态原子时会优先占据能量低的轨道。教材通过实例分析和习题巩固，帮助学生掌握这些原理的应用，培养学生的逻辑思维和分析能力。 教学对象为高中生，在之前的化学学习中，已对原子结构有了初步了解，知道原子由原子核和核外电子构成，也掌握了电子层数、电子亚层等基本概念。然而，对于电子在原子轨道中的具体排布规律，学生的认识还较为模糊。 在思维能力方面，高中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们具备一定的逻辑推理能力，但对于抽象的电子自旋、轨道表示等概念，理解起来仍有困难。而且，这些原理较为抽象，对学生的空间想象力和逻辑思维能力要求较高。 此外，学生在学习过程中可能会存在畏难情绪，对新知识的接受速度和理解程度会有差异。因此，在教学过程中，教师应结合具体实例，运用直观的教学手段，如动画演示、模型展示等，帮助学生理解电子排布规律。同时，要关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与课堂讨论，及时给予指导和反馈，让学生逐步掌握这些重要的化学原理。 教学环节一 课堂导入 【展示光谱图】同学们，老师现在给大家展示一张钠原子的光谱图。大家仔细观察一下，我们都知道钠原子最外层只有一个电子，但是它的原子光谱却出现了双线。这是不是很奇怪呀？大家发挥一下自己的想象力，大胆猜测一下，为什么会出现这种现象呢？给大家几分钟时间，小组内讨论交流一下。（组织学生进行讨论，鼓励学生积极发言，分享自己的猜想，如可能会猜测电子有其他运动状态等） 【介绍历史发现】大家的想法都很有创意。在1925年，科学家乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出了一个假设，电子除了我们之前了解的空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。就好像地球除了绕着太阳公转（类比电子的空间运动），自身还在自转（类比电子的自旋）一样。那么电子的这种自旋状态会对原子结构产生什么样的影响呢？电子在原子轨道中又是按照怎样的规则进行排布的呢？带着这些疑问，今天我们就一起来学习核外电子排布的三个重要规律——泡利原理、洪特规则和能量最低原理。 【设计意图】 1. 激发学生兴趣：通过展示钠原子光谱图这种奇特的现象，引发学生的好奇心和求知欲，让学生积极参与到讨论和猜想中，提高课堂参与度。 1. 联系科学历史：介绍科学家的历史发现，让学生了解科学知识的发展过程，感受科学探究的魅力，培养学生的科学精神和探索意识。 1. 自然导入新课：从电子自旋的假设引出本节课要学习的核外电子排布规律，过渡自然，使学生明确学习目标，为后续的学习做好铺垫。 教学任务一 泡利原理 活动一 泡利原理的引入 【引入】同学们，我们观察 Na 原子的光谱图会发现，Na 原子最外层只有一个电子，但其原子光谱却出现双线。这是为什么呢？1925 年，乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出假设：电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。下面我们就来深入学习与电子自旋相关的泡利原理。 【问题】电子除了我们熟悉的空间运动状态，新提出的自旋状态有什么特点呢？ 【学生思考】学生思考电子自旋状态可能具有的特点，如是否有不同的表现形式等。 【讲解】电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头（“↑” “↓”）表示自旋相反的电子。自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关。而且一个原子中不可能存在运动状态完全相同的 2 个电子。 【设计意图】通过 Na 原子光谱的奇特现象引发学生的好奇心，进而引入电子自旋的概念，为泡利原理的学习做好铺垫，让学生了解电子运动状态的复杂性。 【对应训练 1】下列关于电子自旋的说法正确的是（ ） A. 电子自旋只有顺时针一种取向 B. 电子自旋与电子的空间运动状态无关 C. 电子自旋是微观粒子的内在属性 D. 一个原子中可以存在运动状态完全相同的 2 个电子 【答案】C 【解析】电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，A 选项错误；能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，所以电子自旋与电子的空间运动状态有关，B 选项错误；自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性，C 选项正确；一个原子中不可能存在运动状态完全相同的 2 个电子，D 选项错误。 【对应训练 2】决定电子运动状态的因素不包括（ ） A. 能层 B. 能级 C. 电子云的形状 D. 自旋状态 【答案】C 【解析】能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子云的形状包含在能级等概念中，不是单独决定电子运动状态的因素，所以答案选 C。 活动二 泡利原理的内容及轨道表示式 【问题】泡利原理的具体内容是什么呢？ 【学生思考】结合之前所学电子自旋知识，思考泡利原理可能的表述。 【讲解】1925 年，泡利提出泡利原理，即在一个原子轨道里，最多只能容纳 2 个电子，它们的自旋方向相反。为了更好地表述电子排布，我们引入轨道表示式（又称电子排布图）。轨道表示式用方框（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（↑ ↓）表示一种自旋状态电子。 【示例讲解】以 O 原子为例，其电子排布式为，我们来分析其轨道表示式。在这个轨道表示式中，我们可以回答一系列问题，比如有几对电子对、有几个单电子、有几种不同的伸展方向、有几种空间运动状态（原子轨道）、有几种不同能量的电子、有几种运动状态不同的电子等。 【总结】总结轨道表示式的注意事项： 1. 用□或〇代表一个原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连。不同能级中的□要相互分开。 1. 整个电子排布图中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。 1. 箭头表示一种自旋状态的电子，一个箭头表示一个电子，“↓↑”称电子对，“↑”或“↓”表示单电子（或称未成对电子），箭头同向的单子对，电子称自旋平行。 1. 通常在方框下方或上方标记能级符号。 1. 电子的空间运动状态指的是原子轨道；电子的运动状态指的是电子数。 【设计意图】详细讲解泡利原理的内容和轨道表示式的概念及表示方法，通过具体例子让学生更直观地理解，同时总结注意事项，帮助学生准确掌握轨道表示式的书写。 【对应训练 1】根据泡利原理，在 2p 能级中最多可容纳的电子数为（ ） A. 2 B. 3 C. 4 D. 6 【答案】D 【解析】2p 能级有 3 个原子轨道，根据泡利原理，一个原子轨道最多容纳 2 个电子，所以 2p 能级最多可容纳个电子，答案选 D。 活动三 泡利原理的应用 【问题】如何运用泡利原理和轨道表示式的知识来解决实际问题呢？ 【学生任务】完成以下两个典型范例： 1. 写出、、的轨道表示式。 1. 判断下列关于基态碳原子的轨道表示式，正确的是（ ） 【学生解答】学生独立完成上述任务，教师巡视指导。 【讲解】针对学生的解答进行评价和讲解。对于写出轨道表示式的题目，要按照电子排布的规律和轨道表示式的书写要求逐步完成。对于判断正误的题目，根据泡利原理和轨道表示式的特点来分析每个选项。如基态碳原子的轨道表示式，要保证电子的排布符合泡利原理，即一个原子轨道里最多容纳 2 个自旋相反的电子。 【设计意图】通过实际的题目训练，让学生巩固泡利原理和轨道表示式的知识，提高学生运用所学知识解决问题的能力。 【对应训练1】已知某元素原子的电子排布式为，写出该元素原子的轨道表示式。 【答案】略（根据电子排布式和轨道表示式的书写规则，逐步写出各能级的轨道表示，注意泡利原理的应用） 【解析】先根据电子排布式确定各能级的电子数，再按照轨道表示式的书写要求，用方框表示原子轨道，箭头表示电子及其自旋状态，能量相同的原子轨道方框相连，依次写出、、、、、、能级的轨道表示。 教学任务二 洪特规则 活动一 洪特规则的引入与内容 【引入】同学们，在研究复杂原子光谱时，科学家又有了新的发现。1925 年，洪特在诠释复杂原子光谱时，得出了判断基态原子光谱项的经验规则，后人归并简化成一条重要的规则。下面我们来学习这条规则——洪特规则。 【问题】洪特规则的具体内容是什么呢？ 【学生思考】思考基态原子中电子在轨道填充时可能遵循的规律。 【讲解】基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，这就是洪特规则。例如判断电子排布图的正误时，我们就依据洪特规则，正确的应该是电子先单独分占 2p 的 3 个原子轨道，且自旋平行。 【注意事项讲解】强调洪特规则的注意事项： 1. 洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。 1. 洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的，并不适用于电子填入能量不同的轨道。 1. 洪特规则特例（光谱实验发现）：有少数元素的基态原子、的电子排布对于构造原理有 1 个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满、半充满、全空状态时，体系的能量较低，原子较稳定。 【设计意图】通过引入复杂原子光谱的研究，引发学生对新规则的兴趣，详细讲解洪特规则的内容和注意事项，让学生准确理解洪特规则。 【对应训练 1】下列基态原子核外电子排布违反了洪特规则的是 A． B． C． D． 【答案】A 【详解】 A．中，两个2p轨道中的成单电子，自旋方向相反，违反了洪特规则，A符合题意； B．中，3d亚层的5个轨道全部排满2个电子，且2个电子的自旋方向相反，符合洪特规则，B不符合题意； C．，2p亚层有3个轨道，只有两个轨道填充电子，且自旋方向相同，符合洪特规则，C不符合题意； D．中，2s轨道未排满2个电子，电子就排布到2p轨道，违反能量最低原理，但没有违反洪特规则，D不符合题意； 故选A。 【对应训练 2】根据洪特规则特例，基态原子的电子排布式为（ ） A. B. C. D. 【答案】B 【解析】根据洪特规则特例，原子的电子排布为了使能量相同的原子轨道达到半充满状态，体系能量较低，原子较稳定，其电子排布式为，所以答案选 B。 活动二 洪特规则的应用 【问题】如何运用洪特规则来判断电子排布的正误和书写电子排布式呢？ 【学生任务】完成以下题目： 判断下列电子排布式违背了什么原则。 1. 轨道上有 3 个电子的原子： 1. 轨道上有 2 个电子的原子： 1. 基态原子：。 【学生解答】学生分析并回答上述问题，教师引导学生说明判断的依据。 【讲解】对学生的解答进行点评。对于判断电子排布违背原则的题目，要依据洪特规则的内容，看电子是否先单独分占简并轨道且自旋平行。如轨道上有 3 个电子的原子，若电子没有先单独分占 2p 的 3 个原子轨道且自旋平行，就违背了洪特规则。 【设计意图】通过具体的题目训练，让学生熟练掌握洪特规则的应用，提高学生分析和判断电子排布的能力。 【对应训练】下列关于电子排布的说法正确的是（ ） A. 某原子的轨道上有 4 个电子，其排布一定违背洪特规则 B. 基态原子中电子填入简并轨道时，先成对再分占也可能符合洪特规则 C. 洪特规则特例只适用于基态原子，不适用于基态离子 D. 洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的 【答案】D 【解析】A 选项，轨道有 3 个原子轨道，4 个电子的排布不一定违背洪特规则，只要满足一个原子轨道最多容纳 2 个自旋相反的电子即可；B 选项，基态原子中电子填入简并轨道时，应先单独分占且自旋平行，而不是先成对再分占，违背洪特规则；C 选项，洪特规则特例不仅适用于基态原子，也适用于基态离子；D 选项，洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的，表述正确，所以答案选 D。 教学任务三 能量最低原理 活动一 能量最低原理的引入与概念 【引入】同学们，在构建原子的过程中，电子的排布还有一个重要的原则。大家思考一下，电子在填充原子轨道时，会有怎样的倾向呢？下面我们来学习能量最低原理。 【问题】能量最低原理的概念是什么呢？ 【学生思考】结合生活中能量趋于最低的现象，思考电子在原子轨道填充时的能量变化。 【讲解】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，这就是能量最低原理。当相邻能级能量相差很大时，电子填入能量较低的能级可使原子能量最低，如所有主族元素的基态原子；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的排斥能，进而使原子整体能量最低，如所有副族元素的基态原子。 【设计意图】通过问题引导学生思考电子填充轨道的倾向，引入能量最低原理的概念，让学生理解电子排布与能量的关系。 【对应训练 1】下列说法符合能量最低原理的是（ ） A. 电子总是优先占据能量最高的原子轨道 B. 基态原子中电子填充轨道时不考虑能量因素 C. 电子填充轨道时会使整个原子的能量尽可能低 D. 相邻能级能量相差不大时，电子一定填入能量较低的能级 【答案】C 【解析】A 选项与能量最低原理相悖，电子应优先占据能量最低的原子轨道；B 选项，基态原子中电子填充轨道时要考虑能量因素，遵循能量最低原理；C 选项符合能量最低原理的概念；D 选项，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使原子整体能量最低，所以不一定填入能量较低的能级，答案选 C。 【对应训练 2】下列元素的基态原子电子排布不遵循能量最低原理的是（ ） A. B. C. D. 【答案】C 【解析】、、等主族元素的基态原子电子排布遵循能量最低原理，电子优先填入能量较低的能级。而原子的电子排布是洪特规则特例的体现，有 1 个电子的偏差，不完全遵循常规的能量最低原理中电子依次填充低能级的方式，所以答案选 C。 活动二 核外电子排布规律的总结与综合应用 【问题】核外电子排布的三个规律（泡利原理、洪特规则、能量最低原理）之间有怎样的关系呢？如何综合运用这些规律来解决问题？ 【学生讨论】学生分组讨论上述问题，教师参与部分小组的讨论，引导学生思考。 【讲解】核外电子在原子轨道上排布要同时考虑这三个原则，但并不一定每条都符合。这三个原则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的。符合上述规律的原子处于基态，不符合上述规律的原子处于激发态。 【示例讲解】通过具体的电子排布式或轨道表示式的例子，分析其是否符合这三个原则，如判断某些原子或离子的电子排布是否正确，要综合考虑泡利原理、洪特规则和能量最低原理。 【设计意图】引导学生总结核外电子排布规律之间的关系，通过综合应用的讲解和示例，提高学生对核外电子排布规律的整体理解和运用能力。 【对应训练 1】下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利原理的是____。 ①： ②： ③： ④： ⑤： ⑥： 【答案】①④⑤；②③；⑥；无 【解析】①的电子排布式符合电子排布规律；②的电子排布式中能级的电子填充不符合能量最低原理，应优先填充能级；③的轨道表示式不符合能量最低原理；④的电子排布式正确；⑤的电子排布式正确；⑥的轨道表示式违背洪特规则，电子应先单独分占简并轨道且自旋平行。所以正确的是①④⑤，违反能量最低原理的是②③，违反洪特规则的是⑥，没有违反泡利原理的。 【对应训练 2】电子排布是研究原子结构与性质的重要基础和关键环节，下列有关电子排布的表述正确的是 A．可表示基态氧原子的电子排布轨道表示式 B．此图错误，违背了洪特规则 C．表示基态氮原子的价电子排布式 D．表示处于激发态的硼原子的电子排布轨道表示式 【答案】B 【详解】 A．根据洪特规则：在相同能量的轨道上，电子在排布的时候优先进入空轨道，每个轨道中的单电子自旋方向相同，所以基态氧原子的电子排布轨道表示式为，故A错误； B．根据洪特规则：在相同能量的轨道上，电子在排布的时候优先进入空轨道，每个轨道中的单电子自旋相同相同，则违背了洪特规则，故B正确； C．基态氮原子的价电子排布式应为2s22p3，故C错误； D．激发态的B原子的2p电子应跃迁到3s轨道或更高能级，2p的三个轨道能量相同，不是激发态，故D错误； 故答案为B。 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 一、泡利原理 1. 电子自旋 · 定义 · 两种取向及表示方法 · 注意事项 1. 泡利原理内容 1. 轨道表示式 · 概念 · 表示方法 · 示例及相关问题 · 总结 二、洪特规则 1. 规则内容 1. 注意事项 · 适用范围 · 特例 三、能量最低原理 1. 原理内容 1. 不同能级情况 四、核外电子排布规律 1. 三原则关系 1. 基态与激发态 1. 原子核外电子排布规律中有“各能级最多容纳的电子数是该能级原子轨道数的二倍”，支撑这一结论的理论是（ ） A. 泡利不相容原理 B. 能量最低原理 C. 构造原理 D. 洪特规则 【答案】A 【解析】泡利不相容原理是指在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向相反。这就决定了各能级最多容纳的电子数是该能级原子轨道数的二倍，A选项正确；能量最低原理是指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，B选项错误；构造原理是用来确定原子轨道能量高低顺序的，C选项错误；洪特规则是指基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，D选项错误。 2. 下列氮原子的轨道表示式中，能量最低的是 A． B． C． D． 【答案】B 【解析】根据能量最低原理，电子优先占据能量低的轨道；泡利原理指每个原子轨道最多容纳两个自旋相反的电子；洪特规则是基态原子中，同一能级的轨道上电子优先分占不同轨道且自旋平行。 A．2s轨道中有1个电子，2p轨道中有4个电子，违反了能量最低原理中的电子优先占据能量低的轨道，能量不是最低，故A不符合题意； B．电子排布符合能量最低原理、泡利原理和洪特规则，能量最低，故B符合题意； C．1s和2s轨道中各有1个电子，2p轨道中有5个电子，违反了能量最低原理中的电子优先占据能量低的轨道，能量不是最低，故C不符合题意； D．1s轨道中有1个电子，2p轨道中有4个电子，违反了能量最低原理中的电子优先占据能量低的轨道，且违反了洪特规则中的同一能级的轨道上电子优先分占不同轨道且自旋平行，能量不是最低，故D不符合题意； 故选B。 3. 在多电子原子中，决定轨道能量的因素是（ ） ①能层 ②能级 ③电子云的伸展方向 ④电子自旋状态 A. ①② B. ①④ C. ②③ D. ③④ 【答案】A 【解析】在多电子原子中，能层和能级决定轨道能量。能层越高，轨道能量越高；同一能层中，能级不同，能量也不同，如E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)。电子云的伸展方向和电子自旋状态不影响轨道能量，③④错误。所以决定轨道能量的因素是能层和能级，①②正确，答案选A。 4．以下对某些基态原子的核外电子排布评价正确的是 A．氧原子核外电子排布图：——正确 B．碳原子的电子排布式：——违背能量最低原理 C．硫原子的3p电子排布图：——违背洪特规则 D．基态铬原子核外电子排布式：——正确 【答案】B 【解析】 A．电子分布到简并轨道时，优先以自旋平行的方式分别占据不同的轨道，违背了洪特规则，A错误； B．2p电子比2s电子能量量高，应该先排满2s轨道再排2p轨道，——违背能量最低原理，B正确； C．一个原子轨道里最多只能容纳两个电子，且这两个电子的自旋方向必须相反，违背泡利原理，C错误； D．基态铬原子核外电子排布式：，D错误； 故选B。 在本次教学中，通过光谱图引入电子自旋的概念，进而讲解泡利原理、洪特规则和能量最低原理，学生对这些抽象概念的理解有一定难度。在讲解过程中，结合具体元素的电子排布式和轨道表示式进行分析，有助于学生掌握规则的应用。但在典型范例和练习环节，部分学生对复杂离子的轨道表示式书写仍存在问题，反映出对规则的综合运用能力不足。在今后的教学中，应增加更多有针对性的练习，加强对学生书写规范和错误纠正的指导，同时进一步优化抽象概念的讲解方式，提高学生的学习效果。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $