1.1 原子结构 课件-2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

原子结构与性质 第一节 原子结构 回忆 原子结构模型的演变 为了解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。 1666年，牛顿 1859年，德国基尔霍夫和本生发明光谱仪 光谱：按照一定能量次序排列的光带。 可见光光谱：可以被人眼观察的光带。 原子光谱 原子光谱：是由原子中的电子在能量变化时所发射或 吸收的一系列波长的光所组成的光谱。 分类：发射光谱 吸收光谱 是指物质吸收光子，从低能量到高能量而产生的光谱。 是指物质从高能量到低能量所发出的光谱。 电子绕原子核运动时，变化的电场产生磁场，变化的磁场就会产生电磁波。 5 原子光谱 氢原子光谱 锂、氦、汞的吸收光谱 锂、氦、汞的发射光谱 ——研究原子结构的方法 原子光谱 思考：核外电子到底怎么运动？有什么规律？ 原子光谱与经典电磁学矛盾 提出问题 玻尔原子结构模型 （1）定态假设 丹麦物理学家 玻尔原子结构模型 （2）电子跃迁规则 光 K L M N E辐射=B(1/n2低-1/n2高) 10 玻尔原子结构模型 （3）频率条件 玻尔理论的贡献 1922年诺贝尔物理学奖 1889年瑞典物理学家约翰内斯·里德伯将上述各系列谱线归纳出氢原子谱线的经验公式： （1）发现新元素 He 氦 原子光谱的应用 14 不同元素的焰色试验 （2）检验元素 原子光谱的应用 15 （3）生活中的光现象 原子光谱的应用 17 提出新的问题 即便是相同的两个能层之间发生电子跃迁，也会出现多条谱线。 钠原子光谱 玻尔理论的缺陷 体系 宏观物质 微观物质 质量 大 极微，me= 9.1× 10-31 kg 运动范围 较大 极小，r原子= 10-10 m 运动速度 较低 极快，v = 108 m/s 描述方法 经典力学原理 宏观物质与微观粒子对照 ？？ 无法准确精确计算微观粒子的运动轨迹，玻尔理论中的固定运动轨道是不合理的。 不是仪器不精确，也不是测量方法不科学，而是微观粒子本质造成的。 20 测不准原理 对于微观粒子，不能同时准确的测定它的位置和动量。 1932年诺贝尔物理学奖 海森堡（德） 核外电子的运动特点 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。 量子力学模型 ——电子云 1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可以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。 薛定谔 量子力学模型 1933年诺贝尔物理学奖 23 1911年10月在布鲁塞尔召开了第五届索尔维物理学会议。 思 考 核外电子运动是否有规律？核外电子依据什么规则来排布？ 能层与能级 能层 一 二 三 四 五 六 七 符号 最多电子数 能层 K L M N O P Q 2 8 18 32 50 72 98 练习：写出第三周期元素的原子结构示意图 Na Cl (1) 一般来讲，核外电子总是尽量先排布在能量较低的能层，然后依次排布在能量逐渐升高的能层。 (2)原子核外各能层最多容纳2n2个电子。 (3)最外层最多容纳8个电子（K层为最外层最多只能容纳2个电子。） 回顾：核外电子在能层中的排布规律 能层与能级 能层 一 二 三 四 五 六 七 符号 最多电子数 E(K)＜ E(L)＜ E(M)＜ E(N)＜ E(O)＜ E(P)＜ E(Q) 离原子核越近，能量越低。 能层 K L M N O P Q 2 8 18 32 原子核外各能层最多容纳2n2个电子。 50 72 98 多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同。 还可以把一个能层分为不同能级。 能层与能级 能级 能层与能级 能级 1.任一能层的能级数等于能层序数。 2.能级符号按照s、p、d、f、g……排序。 3.任一能层的能级总是从s开始。 4.能级表示方法：能层序数+能级符号。 5.多电子原子中，同能层的能级能量高低： ns < np < nd < nf。 核外电子在能级中依据什么规律排布？ 思 考 31 能层与能级 能层 能级 最多电子数 K L M N O 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 2 8 18 32 50 思考：B、Na、S、Cl元素最外层电子占据哪个能级？ 根据核外电子在能层中的排布规律，画出K、Ca的原子结构示意图。分析它们最外层电子填入的能级，并说明判断的依据。 试一试 能层 K L M N 最多电子数 2 8 18 32 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 填充电子数 2 2 6 2 6 33 能层 能级 能级交错 能层与能级 虽然按此顺序填充电子，但不意味着能级的能量大小也是这个顺序。 35 能级交错 能层与能级 随核电荷数增大，电子并不总是填满一个能层后再填入下一个能层，这种现象称为能级交错。 36 以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增的电子填入能级的顺序称为构造原理。 构造原理 37 请根据构造原理分析26Fe的核外电子在能级中的排布。 第一步 根据构造原理列出能级排布的顺序 能级排布顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 填充电子数 练一练 第二步 将核外电子依次填入其中 2 2 6 2 6 2 6 38 补充说明: 作为一个理论模型，构造原理具有一定的局限性。对于个别特殊的过渡元素核外电子的排布并不适用。 构造原理 39 能级排布顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 填充电子数 能级排布顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 填充电子数 24Cr的核外电子在能级中的排布： 29Cu的核外电子在能级中的排布： 补充说明: 构造原理 2 2 6 2 6 1 5 2 2 6 2 6 1 10 40 核外电子在能级中的排布又可以如何表示？ 与原子结构示意图的区别是什么？ 思 考 41 电子排布式 表示原子的核外电子在能级中的排布。 例如： H的电子排布式：1s1 Li的电子排布式：1s22s1 写出B、Na、S、Cl和Fe元素原子的电子排布式。 练一练 写出稀有气体元素原子的电子排布式。 Na 1s22s22p63s1 Na [Ne]3s1 电子排布式 原子实：稀有气体的核外电子排布式。用[ X ]表示 简化电子排布式: 原子实 + 价层电子排布式 原子实表示的电子称为内层电子，通常不参与成键。 原子实外的电子称为价层电子，决定元素的化学性质。 Na的电子排布式 1s22s22p63s1 Na的简化电子排布式 [Ne]3s1 Na的价层电子排布式 3s1 电子排布式 试一试：B、S、Cl和Fe元素。 电子排布式 电子排布式也可以用于表示离子的核外电子排布，试写出Na+、Cl-和Fe2+的电子排布式。 试一试 Fe2+ 1s22s22p63s23p63d6 Fe2+ [Ar]3d6 Na+ 1s22s22p6 Cl- 1s22s22p63s23p6 4s能级能量大于3d，且处于最外层，所以先失4s的电子 原子 光谱 能量 量子化 能层 能级 原子结构示意图 构造原理 电子排布式 小 结 48 思 考 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。 处于不同能级的电子运动状态到底是什么样呢？s、p、d、f能级是依据什么分出来的？ 薛定谔方程（二阶偏微分方程） 1926年奥地利物理学家薛定谔提出：可以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。 薛定谔 量子力学模型 1933年诺贝尔物理学奖 50 小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。 氢原子1s电子的电子云图 概率密度 ＝ 氢原子 电子云 51 1s电子的电子云轮廓图绘制过程 将出现概率90%的空间圈出来 电子云 52 相同原子的s电子的电子云轮廓图 你能发现什么规律？ 电子云 不同能级s电子的电子云形状一致，均为球形。 能层越高，s电子的电子云半径越大。 53 电子云 2py电子云 px、py、pz的电子云轮廓图 px、py、pz的电子云轮廓图 电子云 55 d的电子云轮廓图 电子云 电子云 f 的电子云轮廓图 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。 原子轨道 58 不同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 原子轨道 1 3 5 7 2 2 2 2 59 简并轨道：能量相同的原子轨道。 原子轨道 d轨道的空间有5种不同的取向，有5条简并轨道。 p轨道的空间有3种不同的取向，有3条简并轨道。 60 能层、能级和原子轨道之间的关系 能层 能级 原子 轨道数 原子轨道符号 电子云轮廓图 形状 取向 K L M —— —— —— 小 结 1s 2s 2p 3s 3p 3d 1 1 3 1 3 5 1s 2s 2px、2py、2pz 3s 3px、3py、3pz 球形 球形 哑铃形 球形 哑铃形 —— —— 相互垂直 —— 相互垂直 61 每个原子轨道中最多可容纳两个电子，那么这两个电子的运动状态有差异吗？ 提出问题 62 斯特恩-盖拉赫实验 准直仪 63 斯特恩-盖拉赫实验 准直仪 64 电子自旋 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。自旋是电子的内在属性。 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。 65 1.核外电子在原子核外的运动空间具有不确定性 2.核外电子在原子轨道中运动，可用电子云表示 3.核外电子在原子核外的运动包括空间运动和电子自旋 小 结 66 核外电子在原子轨道中按照什么规律排布？ 核外电子在原子轨道中的排布应该如何表示？ 思 考 67 ↑ 1s 1s1 H 电子排布的轨道表示式 (1)用方框表示原子轨道,当出现简并轨道时，代表这些轨 道的方框相连。 (2)在方框的下方用能级符号表示轨道所属能级。 (3)用箭头表示处于特定自旋方向的电子。 68 练一练 写出He、C、N的基态原子的轨道表示式。 泡利原理（泡利不相容原理）：在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反。 核外电子排布规则 能量最低原理：在不违背泡利不相容原理的前提下，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。 核外电子排布规则 洪特通过分析光谱实验的结果指出：能量相同的原子轨道在全充满（如d10）、半充满（如d5）和全空（如d0）状态时，体系的能量较低。 核外电子排布规则 洪特规则：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。 能级排布顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 填充电子数 能级排布顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 填充电子数 24Cr的核外电子在能级中的排布： 29Cu的核外电子在能级中的排布： 2 2 6 2 6 1 5 2 2 6 2 6 1 10 73 练一练 写出O、Cr、Fe的基态原子的轨道表示式。 74 （1）核外电子排布三个规律：泡利原理、洪特规则、能量最低原理。 （2）轨道表示式可以表示原子核外电子的排布和运动状态，同时可以判断原子处于基态或是激发态。 小 结 75 原子 光谱 能量 量子化 能层 能级 原子结构示意图 构造原理 电子排布式 小 结 原子轨道 电子自旋 能量最低原理 泡利原理 洪特规则 轨道表示式 76 $