1.1 原子结构模型（教学课件）化学鲁科版选择性必修2

该高中化学课件聚焦原子结构模型，系统梳理从德谟克利特哲学原子论到量子力学电子云模型的演变历程，结合氢原子光谱实验与玻尔模型，阐述量子力学对核外电子运动状态的描述。通过情境导入与问题驱动，以历史发展为脉络搭建知识支架，帮助学生衔接前后认知。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过α粒子散射、氢原子光谱等实验分析，引导学生基于证据推理建构模型，体现“结构决定性质”的化学观念。采用“实验探究→问题驱动→概念建构”教学方法，学生能深化对能级、原子轨道的理解，教师可借助清晰逻辑提升教学效率。

第一章 原子结构与元素性质 第一节　 原子结构模型 课时1 原子结构模型 鲁科版选择性必修2 原子结构模型的演变 1 知识导航 氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 2 量子力学对原子核外电子运动状态的描述 3 知识导航 重点：能级与原子轨道。 难点：能级与原子轨道。 1.了解有关原子结构模型的历史发展过程，初步认识原子结构的量子力学模型，知道电子运动的能量状态具有量子化的特征，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。 明·教学目标 教学模型：实验探究→问题驱动→概念建构→应用迁移 2.用"电子云"对电子在空间体积里出现的概率大小进行描述，用波函数的图形对原子轨道进行形象化描述。 思考：回顾人类对原子结构的认识历程，现代科学对原子结构的描述究竟是怎样的? 引·新课导入 原子结构模型的演变 问题驱动 情境导入 01 原子结构模型的演变 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 人类对原子结构的认识经历了一个漫长的、 不断深化的过程。 德谟克利特 （约公元前400年） 早在公元前 400 多年，古希 腊哲学家从哲学意义上把构成物质的最小单位 称为原子。 1.古希腊哲学家德谟克利特 物质是由不可分割的微粒（原子）构成的 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 直到 1803 年，英国化学家道尔顿 （J.Dalton）才把原子从一个扑朔迷离的哲学名 词变为具有实在意义的微粒的概念，并提出了原子论。 2.道尔顿原子论 19世纪初，英国化学家和物理学家道尔顿根据实验结果，提出了原子论。其主要内容包括： ①元素是由不可再分的极小微粒构成，这种微粒成为原子。原子在一切化学变化中保持其不可再分性。 ②同一元素的原子在质量和性质上都相同，不同元素的原子在质量和性质上都不同 ③不同元素化合时，这些元素的原子按简单整数比结合 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 1904 年，汤姆孙（J.J.Thomson）在发现 电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁” 模型，开始涉及原子内部的结构。 1858年德国物理学家普吕克尔发现了阴极射线。1897年汤姆孙用阴极射线管重复阴极射线实验。在阴阳两极加上电压，阴极会产生阴极射线。当对阴极射线施加电场后，阴极射线发生偏转。从而证明阴极射线是一种带电粒子。经过一系列的实验后，汤姆孙提出： 1.带负电的粒子是构成各种物质的共有成分 2.该粒子所带电荷的大小与氢离子大致相同，这种带负电的粒子即为电子。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 1904 年，汤姆孙（J.J.Thomson）在发现 电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁” 模型，开始涉及原子内部的结构。 汤姆孙 汤姆孙原子模型：葡萄干面包式 3.汤姆孙葡萄干面包模型:根据原子是电中性的事实，促使汤姆孙提出了葡萄干面包原子模型。他认为原子中的正电荷是均匀地分布在整个原子的球体内，电子则均匀地嵌在其中。该原子模型说明原子是有结构的，打破了原子不可再分的论点。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 1911 年，英国 物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据 α 粒子散 射实验提出了原子结构的核式模型。 “意外跑偏”的α粒子——α粒子散射实验 实验前，根据“葡萄干布丁” 原子模型进行的预测 实验结果：绝大多数 α 粒子通过，少数 α 粒子偏转，个别 α 粒子被反弹 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 1911 年，英国 物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据 α 粒子散 射实验提出了原子结构的核式模型。 4.卢瑟福的带核原子结构模型：在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 丹麦科学家 玻尔（N.Bohr）于 1913 年根据原子光谱实验， 进一步建立起核外电子分层排布的原子结构模型。 玻尔研究发现，氢原子光谱不连续的现象，通过实验并引入量子论观点，解决了卢瑟福核式结构模型不稳定的问题，提出了一个全新的原子结构模型。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 丹麦科学家 玻尔（N.Bohr）于 1913 年根据原子光谱实验， 进一步建立起核外电子分层排布的原子结构模型。 5.玻尔的轨道原子结构模型：原子核外，电子在一系列稳定的轨道上运动，每个轨道都具有一个确定的能量值；核外电子在这些稳定的轨道上运动时，既不放出能量，也不吸收能量。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 联想 · 质疑 20 世纪 20 年代中期建立的量子力学理论，使人们 对原子结构有了更深刻的认识，从而产生了原子 结构的量子力学模型。 1926年，奥地利物理学家薛定谔在德布罗意、海森堡、泡利等人研究的基础上，提出了原子核外的电子排布的新模型——电子云模型，并提出了著名的薛定谔方程式。 6.现代原子结构理论，电子云模型认为：电子在原子核外很小的空间内做高速运动，其运行没有固定的规律。用小黑点的疏密来表示单位体积内电子出现几率。 探·知识奥秘 一、原子结构模型的演变 道尔顿原子模型：实心球 阴极射线实验 汤姆生原子模型：葡萄干面包 α粒子散射实验 原子光谱分析 卢瑟福原子模型：行星模型 玻尔原子模型：量子化轨道 技术发展 原子结构认识发展 电子云模型 科学家探索原子结构的一般方法 原有模型 技术发展 创造性的设计实验 创造性地提出新理论 宏观类别 建构新模型 模型应用 探·知识奥秘 交流 · 研讨 现代科学对原子结构的描述究竟是怎样的？ 玻尔理论的出现解决了什么问题呢？ 氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 02 氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 许多物质都能够吸收光或发射光，人们常常利用原子光谱仪将物质吸收的光或发射的 光的频率（或波长）和强度分布记录下来得到光谱。 太阳光的连续光谱 （1）什么是原子光谱？ 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （2）根据卢瑟福的核式模型，原子光谱应该是什么光谱？ 如果原子结构真如卢瑟福的核式模型所描述的那样，根据经典的电动力学观点，围绕原子核高速运动的电子一定会自动且连续地辐射能量，最终坍塌到原子核上。这样，不仅原子是不稳定的，而且原子的光谱应当是连续光谱，即波长的变化呈连续分布。 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （3）氢原子光谱的特点是什么？ 在一个被抽成真空、两端含有电极的玻璃管中充入低压氢气，然后在两个电极上施加 高压，使氢原子在电场的激发下发光［图 1-1-2（a）］，发出的光经过三棱镜分光后得 到如图 1-1-2（b）所示的氢原子光谱图。 请描述氢原子光谱的特点，并说明这对你推测氢原子核外电子的运动特点有什么启示。 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 交流 · 研讨 氢原子的线状光谱 氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的线状光谱。 为了解释这一实验事实，玻尔在卢瑟福核式模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型 电子分层排布模型 丹麦科学家 玻尔 激发态 K L M N 能量 基态 获得了1922年的诺贝尔物理学奖 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （4）玻尔原子结构模型观点是什么？意义是什么？ ①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。 ②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量值是不连续的，这称为能量"量子化"。轨道能量依n值（1、2、3、…）的增大而升高，n称为量子数。 对氢原子而言，电子处在n=1的轨道时能量最低，这种状态称为基态 能量高于基态能量的状态，称为激发态。 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （4）玻尔原子结构模型观点是什么？意义是什么？ ③只有当电子从一个轨道（能量为E;）跃迁到另一个轨道（能量为E;）时，才会辐射或吸收能量。当辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录，就形成了光谱。 基态 激发态 吸收能量 辐射能量 不同原子的电子发生跃迁时可以吸收不同的光，用光谱仪可以摄取各种原子吸收光谱。 不同原子的电子发生跃迁时可以发射不同的光，用光谱仪可以摄取各种原子的发射光谱。 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （5）为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的? 根据玻尔模型，电子所处的轨道的能量是量子化的，轨道间的能量差也是确定的，而光的频率与轨道所具有的能量 E 之间的关系可用下式表示。 h ＝ | Ej - Ei | 式中：h 为普朗克常数，其值为 6.626×10-34 J·s。 由上式计算得到的光的频率 （或波长λ=c/ ，c 为光速）只能是不连续的，此时形成的是具有特征波长的线状光谱。 E = E2- E1= h (=c/) 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （5）为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的? 电子从能量较高的轨道跃迁到 n=1 的轨道所形成的谱线在紫外光区； 电子从能量较高的轨道跃迁到 n=2 的轨道所形成的谱线在可见光区，可见光区的四条谱线分别为一条红色的、一条蓝色的和两条紫色的； 电子从能量较高的轨道跃迁到 n=3 的轨道所形成的谱线在红外光区。 探·知识奥秘 （6）霓虹灯为什么能够发出五颜六色的光 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 它之所以能够发出五颜六色的光，其发光机制与氢原子光谱形成的机制基本相同。 例如，在灯管中充入氖气，通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量后激发到能量较高的轨道，但处在能量较高轨道上的电子会很快以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，所以我们看到的是红色光。 探·知识奥秘 二、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 （6）玻尔原子结构模型意义 联想 · 质疑 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。 玻尔引入一个量子数 n，解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。但是，某些复杂 的光谱现象却难以用玻尔原子结构模型予以解释。 量子力学的诞生 03 量子力学对原子核外电子运动状态的描述 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 在进行原子光谱实验时，通常条件下，钠原子中处于 n=4 的状态上的核外电子跃迁到 n=3 的状态，会产生多条谱线； 在钠原子中 n=4 n=3 电子跃迁 在氢原子中 n=2 n=1 电子跃迁 也得到两条靠得很近的谱线… 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 显然，上述问题只用玻尔的轨道概念和量子数 n 是无法解释的。那么，应当如何解释氢原子的光谱和多电子原子的光谱的复杂现象呢？原子核外电子的运动状态是否还存在玻尔原子结构模型未能描述的其他量子化现象呢？ 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 1.量子力学的诞生 量子力学诞生于1925年末至1926年初，它是由两组物理学家相互独立地用不同方法建立的。直接因量子力学而获得诺贝尔物理学奖的就有六位∶德布罗意（L.V.de Broglie，1929年）、海森堡（W.Heisenberg，1932年）、狄拉克（P.A.Dirac，1933年）和薛定谔（E.Schrödinger，1933年）、泡利（W.E.Pauli，1945年）和玻恩（M.Born，1954年）。 德布罗意 海森堡 狄拉克 薛定谔 泡利 玻恩 析·典型范例 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 ①海森堡测不准原理:无法同时精确测量某个电子在某一时刻的位置和速率。 德国物理学家、量子力学的创立者海森堡 1932年获诺贝尔物理学奖 析·典型范例 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 ②微观粒子具有波动性 受到光既具有波动性又具有粒子性的事实的启发，法国物理学家德布罗意提出了微观粒子具有波动性的观点。德布罗意还天才性地预测“一束电子通过一个非常小的孔时可能会产生衍射现象……”。爱因斯坦对德布罗意的观点给予了极高的赞誉，称其“揭开了一幅大幕的一角”。1927 年，美国物理学家戴维孙（C.Davisson）和革末（L.Germer）将电子射到镍的单晶上，得到了完全类似于 X 射线被晶体衍射的图样，证实了电子的确具有波动性。图 1-1-9 显示的是铝箔的电子衍射图样。后来用中子、原子、分子等粒子流代替电子流，也都观察到了衍射现象。人们之所以不能同时准确地测定微观粒子的位置和速度，正是因为微观粒子具有波动性。 析·典型范例 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 ③薛定谔方程 以德国物理学家海森堡和泡利为代表的一组物理学家为了解释原子分立能级,创立了矩阵力学。 另一组以奥地利物理学家薛定为代表，过建立描述电子运动状态的波动方程来解释电子的波动性，从而创立了波动力学。 薛定谔证明了这两种表现形式完全不同的理论实际上是同一种物理规律的 两种不同的数学表达形式 量子力学指出：一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运动，而是在核外空间各处都可以出现，只是出现的概率不同。 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 2. 原子轨道 ①量子数n: 将 n 所描述的电子运动状态称为电子层。 n取值为正整数１，２，３，４，５，６… 　对应符号为 Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ… 　 电子运动状态n越大，电子离核的平均距离越远，电子具有能量越高 根据核外电子的能量不同，将核外电子分为不同的电子层 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 2. 原子轨道 ②能级 :当 n 相同时，电子具有的能量也可能不同，即同一个电子层内的电子可处于不同能级。 当 n=x 时，有 x 个能级，分别用符号 s、p、d、f 等表示。 电子层n 能级数 1 s 2 s、p 3 s、p、d 4 s、p、d、f n n 规律: 每层的能级数值=电子层数 例如， n=2 时，有 2 个能级， 符号分别为 s、p； n=3 时，有 3 个不同的能级，符号分别为 s、p；d。 n=4 ，有 3 个不同的能级，符号分别为 s、p；d；f。 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 K层 L层 能层 能量越来越高 N层 M层 能级 同一能层各能级能量越来越高 电子层是楼层 能级是楼层的阶梯 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 2. 原子轨道 科学实验又发现，在存在外磁场时，处于同一能级的电子的空间运动状态的能量还会不同。 ③原子轨道（atomic orbital）：描述原子中单个电子的空间运动状态。 电子层为 n 的状态含有 n2 个原子轨道。 电子层n 能级数 能级类型 原子轨道数 1 1 1s 1（1s） 2 2 2s、2p 4（2s、2Px、2Py、2Pz） 3 3 3s、3p、3d 9 (3s、3Px、3Py、3Pz、3d(5个)) 4 4 4s、4p、4d、4f 16 n n n2 原子轨道数=n2 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 2. 原子轨道 ④自旋运动:描述同一轨道中电子的不同空间运动状态。 处于同一原子轨道上的电子，自旋状态只有两种，分别用符号“↑”和“↓”表示。 电子层 原子轨道类型 原子轨道数目 可容纳电子数 1 1s 1 2 2 2s，2p 4 8 3 3s，3p，3d 9 18 4 4s，4p，4d，4f 16 32 n － n2 2n2 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 原子中单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述，而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。 ①s轨道在三维空间分布的图形为球形，即该原子轨道具有球对称性。 3. 原子轨道的图形描述 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 3. 原子轨道的图形描述 ②p 轨道在三维空间分布的图形：它的空间分布特点是分别相对于 x、y、z 轴对称，也就是说，p 轨道在空间分别沿 x、y、z 轴的方向分布。 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 3. 原子轨道的图形描述 ③d 轨道空间五种取向, 五条等价(简并) d 轨道，f 轨道 (空间七种取向, 七条等价(简并) f 轨道. 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 原子轨道可以用波函数来表示，那么，又该如何理解波函数？怎样形象地描述电子在空间中的运动与分布呢？ 与对宏观物体运动的描述不同，对于质量非常小、运行速度极快且运动空间极小的微观粒子而言，人们不可能同时准确地测定它的位置和速度，但能通过对波函数进行数学处理计算出电子在什么地方出现的概率大、在什么地方出现的概率小。 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 4.电子在核外的空间分布 ①电子云图:这种形象地描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形称为电子云图。 于 1s 轨道上的电子（通常也 称 1s 电子）的概率分布呈球形对称 2p电子云具有一定的空间取向 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 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 联想 · 质疑 4.电子在核外的空间分布 ②量子力学中轨道（orbital）的含义与玻尔轨道（orbit）的含义完全不同， 它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。 电子云图很难绘制,使用不方便 把电子出现概率90%空间圈出来 电子云轮廓图 探·知识奥秘 三、量子力学对原子核外电子运动状态的描述 总结 n 值所对应的能级和原子轨道的情况。 电子层或量子数(n) 符号 能级 原子轨道 (n = 1) K 1s 1s (n = 2) L 2s 2p 2s 2px 2py 2pz (n = 3) M 3s 3p 3d 3s 3px 3py 3pz 3d(包含5个原子轨道) (n = 4) N 4s 4p 4d 4f 4s 4px 4py 4pz 4d(包含5个原子轨道) 4f(包含7个原子轨道) … … … … 理·核心要点 原子结构模型 原子结构模型的演变 氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 量子力学对原子核外电子运动状态的描述 古希腊物质是由可分割的微（原子）构成的 道尔顿原子论 原子光谱 氢原子光谱 玻尔原子结构模型 量子力学的诞生 原子轨道 原子轨道的图形描述 汤姆孙葡萄干面包模型 卢瑟福的带核原子结构模型 电子在核外的空间分布 玻尔的轨道原子结构模型 电子云模型 练·技能实战 1.19世纪初，某科学家提出了原子学说，他认为物质由原子构成，原子不能被创造，也不能被毁灭，在化学反应中不能再分，这个科学家是(    ) A. 汤姆生 B. 道尔顿 C. 卢瑟福 D. 波尔 B 2.下列说法中正确的是(  ) ①原子中处于第3能层的电子跃迁到第2能层时需要放出能量； ②M能层可以有s、p、d、f能级； ③3px表示有3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电子云有两个空间取向。 A.  ① ② ③ B.  ① ④ C.  ② ⑤ D.  ③ ④ ⑤ B 练·技能实战 D 3.实验证据推动了人类对原子结构认识的不断深化。下列可以较好地解释“钠原子中处于n=6的状态上的核外电子跃迁到n=3的状态，会产生多条谱线(如下图)”的原子结构模型是 A．“葡萄干布丁”模型 B．卢瑟福核式模型 C．玻尔模型 D．量子力学模型 4．下列现象和应用与电子跃迁无关的是( ) A.激光 B.焰色试验 C.燃烧放热 D.霓虹灯 练·技能实战 C 5.下列叙述正确的是 A．钠的焰色试验呈现黄色，是电子由激发态转化成基态时吸收能量产生的 B．卢瑟福的“有核模型”可以准确地描述电子运动状态 C．各能层的s电子云轮廓图都是圆形，但圆的半径大小不同 D．在同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数相等 D 感谢 您的聆听 THANKS https://www.zxxk.com/user/13354804 鲁科版选择性必修2 Lavf58.12.100 $