1.1.3电子云与原子轨道 泡利原理、洪特规则、能量最低原理课件 2026-2027学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修2

第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构 1.1.3 电子云与原子轨道 泡利原理、洪特规则、能量最低原理 学习目标 1、知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述，能说明微观粒子运动状态与宏观物体运动特点的差异，建立对原子结构的模型认知。 2、认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则，能写出1 ～ 36号元素基态原子的轨道表示式，初步学会运用模型解决实际问题。 1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行 丹麦物理学家 玻尔 （N.Bohr，1885 - 1962） 然而到了1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻 埃尔温 · 薛定谔 （Erwin Schrödinger） 量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运动，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布 【思考】宏观物体与微观物体（电子）的运动特征有什么区别? 宏观物体 微观粒子 质量 速度 位移 能量 轨迹 很大 较慢 可测 可测 可描述 （画图或函数描述） 很小 很快（接近光速） 位移、能量不可同时测定 不可确定 1920年，海森堡提出著名的海森堡测不准原理： 无法同时精确测量某个电子在某一时刻的位置和动量 宏观物体可以准确地测出它们在某一时刻所处的位置及运行的速度，可以描画它们的运动轨迹 核外电子质量小，运动空间小，运动速率大，无确定的轨道，无法描述其运动轨迹，无法计算电子在某一刻所在的位置，只能指出其在核外空间某处出现机会的多少 一、电子云与原子轨道 【思考】小黑点是电子吗？ 小黑点不表示电子，只表示电子在这里出现过一次 小黑点的疏密表示电子在核外空间内出现的概率的大小 用 P 表示电子在某处出现的概率， V 表示体积，则 称为概率密度 概率密度（ρ）： 一、电子云与原子轨道 1、电子云： 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 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 氢原子只有一个电子，而图1 - 7中有许许多多小点，可见这些小点不是电子本身。那么，图中的小点是什么呢？小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点越密，表明概率密度越大 电子云图很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图 一、电子云与原子轨道 电子云轮廓图： 氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图 把电子在原子核外空间出现的概率P = 90%的空间圈出来 绘制成电子云轮廓图，并把电子云轮廓图称为原子轨道 2、原子轨道： 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 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 一、电子云与原子轨道 2、原子轨道 ① s电子的电子云轮廓图（原子轨道） a. 所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都呈球形对称（原子核位于球心），只是球的半径不同 b. 能层序数（n）越大，s电子的原子轨道半径越大 ★ 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 一、电子云与原子轨道 2、原子轨道 ② p电子的电子云轮廓图（原子轨道） a. p电子云轮廓图是哑铃状的 b. 每个p能级都有3个原子轨道，它们相互垂直，分别称为px、py、pz c. 同一能层中px、py、pz的能量相同（简并轨道） d. 能层越高，p电子云半径越大 【思考1】比较E(2px)、E(2py)、E(2pz)的大小关系？ 【思考2】2p能级和3p能级的电子云半径有什么区别？ 一、电子云与原子轨道 2、原子轨道 ② p电子的电子云轮廓图（原子轨道） 【思考3】写出C、N、O元素基态原子的电子排布式？ 一、电子云与原子轨道 2、原子轨道 ③ d电子的电子云轮廓图（原子轨道） d的原子轨道呈现花瓣状，在空间有5个伸展方向，所以d的原子轨道有5个 一、电子云与原子轨道 2、原子轨道 ④ f电子的电子云轮廓图（原子轨道） f的原子轨道有7个 【思考】g的原子轨道有 个？ 9 表1 - 2 不同能层的能级、原子轨道 能层 最多电子数 能级 原子轨道数 原子轨道名称 原子轨道的形状和取向 形状 取向 K 1s 1 1s 球形 L 2s 1 2s 球形 2p 3 2px、2py、2pz 哑铃形 相互垂直 M 3s 1 3s 球形 3p 3 3px、3py、3pz 哑铃形 相互垂直 3d 5 …… …… …… N 4s 1 4s 球形 4p 3 4px、4py、4pz 哑铃形 相互垂直 4d 5 …… …… …… 4f 7 …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… n …… …… …… 2 8 18 32 2n2 2 1 3 4 n 1 4 9 16 n2 ★ 原子轨道数 = 能层序数的平方 ★ 2个电子容纳在同一个原子轨道里，它们的空间运动状态是相同的 【思考】为什么每个原子轨道里最多可容纳2个电子？这2个电子的运动状态有什么差异呢？ 【思考】只有1个最外层电子的碱金属原子光谱为什么会在光谱里呈现双线？ 钠原子光谱实验 没有泡利原理，复杂的原子光谱无法得到诠释，以光谱事实为基础的构造原理也无法建立。电子自旋可以帮助我们理解物质的磁性本质 【思考】为什么只有1个最外层电子的银原子在外加电场里加速飞行通过一个非匀强磁场时会分成两束？ 斯特恩 - 盖拉赫实验 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 1、电子自旋与泡利原理 （1）电子自旋（ms） ① 定义： ② 两种取向及表示方法： 电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋 电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头（ ↑ 和 ↓ ）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 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 1、电子自旋与泡利原理 （2）泡利原理： 泡利 （W.pauli，1900 - 1958） 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。这个原理被称为泡利原理（也称泡利不相容原理） 2、电子排布的轨道表示式： 轨道表示式（又称电子排布图）是表述电子排布的一种图式 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（ ↑ 和 ↓ ）表示一种自旋状态的电子 ↑↓ 1s ↑↑ 1s × 1、电子排布的轨道表示式： —— 电子排布图 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（ ↑ 和 ↓ ）表示一种自旋状态的电子 ↑ 1s 【练习】画出1 - 6号元素基态原子的轨道表示式（电子排布图）？ 1H： 2He： 3Li： 4Be： 5B： 6C： ↑↓ 1s ↑↓ 1s ↑ 2s ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑ 2p ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑ ↑ 2p “↑↓”称电子对 “↑”或“↓”称单电子（或称未成对电子） ★ 通常应在方框下方或上方标记能级符号，不要标记电子数。有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 3、洪特规则 洪特 （F.Hund，1896 - 1997） 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 ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑ ↑ 2p 6C： 箭头同向的单电子称自旋平行 8O： ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ ↑ ↑ 2p ★ 洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子 ★ 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 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 3、洪特规则 ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2p ↑↓ 3s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 3p ↑↓ 4s ↑↓ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ ★ 电子的填入顺序与失去顺序并非完全相反 【思考2】画出Fe2+、Fe3+的价层电子轨道表示式？ Fe2+： Fe3+： 【思考1】画出铁原子的轨道表示式？ 26Fe： 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 4、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，这就是能量最低原理 基态是能量最低的状态，所以，基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道组合 构造原理 举例：对于1 ～ 36号元素来说，应重点掌握和记忆“1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p”这一顺序 —— 自然界普遍适用 二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理 4、能量最低原理 —— 自然界普遍适用 整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定 相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低（如所有主族元素的基态原子） 而当相邻能级能量相差不太大时，有1 ～ 2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥能而使整个原子能量最低（如所有副族元素的基态原子） 【思考】请写出Cr、Cu元素基态原子的简化电子排布式及价层电子轨道表示式？ Cr： Cu： 4、能量最低原理 —— 自然界普遍适用 ★ 少数元素的基态原子的电子排布，它们对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满（p6、d10、f14）、半充满（p3、d5、f7）和全空（p0、d0、f0）状态时，体系的能量较低，原子较稳定 [Ar]3d54s1 ↑ 4s ↑ ↑ ↑ 3d ↑ ↑ 有一组半充满的简并轨道和一个半空轨道 [Ar]3d104s1 ↑ 4s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 3d ↑↓ ↑↓ 有一组全充满的简并轨道和一个半空轨道 ★ 当原子轨道为全充满、半充满和全空状态时，原子的电子云分布是空间对称的，原子体系的能量低，原子的电子排布最稳定 【思考】铝原子外层有 个电子对，有 个未成对电子。电子有 种空间运动状态，有 种运动状态不同的电子。 6 1 7 13 ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2p 13Al： ↑↓ 3s ↑ 3p ★ 电子能量与能层、能级有关，电子的空间运动状态与原子轨道有关 ★ 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，一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子 1 ～ 36号元素 最高能级全空的原子 4Be：2s22p0、12Mg：3s23p0、20Ca：4s23d0 最高能级半充满的原子 7N：2s22p3、15P：3s23p3、24Cr：3d54s1 25Mn：3d54s2、33As：4s24p3 最高能级全充满的原子 10Ne：2s22p6、18Ar：3s23p6、29Cu：3d104s1 30Zn：3d104s2、36Kr：4s24p6 原子结构的表征方法 原子结构示意图 意义 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 意义 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 19K：1s22s22p63s23p64s1 简化电子排布式 意义 为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示 实例 19K：[Ar]4s1 原子结构的表征方法 价层电子排布式 意义 主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即外围电子排布式 实例 19K：4s1 电子排布图 （轨道表示式） 意义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子（对电子运动状态描述最详尽） 实例 ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2p ↑↓ 3s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 3p 4s ↑ 19K： 原子结构示意图 电子式 电子排布式 简化电子排布式 电子排布图 （轨道表示式） 价层电子排布式 价层电子排布图 （价层电子轨道表示式） 1、写出硫（S）的基态原子核外电子排布的7种表示方法？ 1s22s22p63s23p4 [Ne]3s23p4 3s23p4 ↑↓ 1s ↑↓ 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ 2p ↑↓ 3s ↑↓ ↑ ↑ 3p ↑↓ 3s ↑↓ ↑ ↑ 3p 实验事实 线状原子光谱 能量 量子化 能层 能级 原子轨道 电子自旋 泡利原理、洪特规则、能量最低原理 分层排布 构造原理 原子结构示意图 电子排布式 轨道表示式 证据推理 理论模型 核外电子的 运动状态 解释 核外电子的 填充规律 直观化 表征方法 模型认知 能层序数（电子层 n） 1、2、3、4、5、6、7…… 能级（电子亚层 l） 0、1、2、3、（n - 1）…… 轨道（m） 0、±1、±2、±3、±l …… 数学之概率小游戏： 能层序数（电子层 n） 能级（电子亚层 l） 轨道（m） n = 1 l = 0 m = 0 n = 2 l = 0 m = 0 l = 1 m = 0 m = ±1 n = 3 l = 0 m = 0 l = 1 m = 0 m = ±1 l = 2 m = 0 m = ±1 m = ±2 s能级原子轨道 p能级原子轨道 原子轨道 原子轨道 原子轨道 核外电子排布规律 Lavf57.58.101 Lavf58.46.101 $