高中化学 第一章 原子结构与元素的性质 第1节 第2课时 能量最低原理基态与激发态光谱 电子云与原子.docx
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高中化学第一章原子结构与元素的性质第1节第2课时能量最低原理基态与激发态光谱电子云与原子
第2课时 能量最低原理、基态与激发态、光谱 电子云与原子轨道
课程目标
核心素养建构
1.了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。
2.了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道，掌握泡利原理和洪特规则。
核外电子
[知识梳理]
一、基态与激发态、光谱
1.能量最低原理
原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
2.基态原子与激发态原子
（1）基态原子：
处于最低能量的原子。
（2）激发态原子：
基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁到较高能级，变成激发态原子。
（3）基态、激发态相互转化的能量变化
3.光谱与光谱分析
（1）光谱形成原因
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。
（2）光谱分类
（3）光谱分析
在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。
【自主思考】
在国庆节、元旦、春节，我们经常放焰火来庆祝，请你思考这与原子结构有什么关系呢？
答案 这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
二、电子云与原子轨道
1.电子云
用小黑点来描述电子在原子核外空间出现的概率密度分布图，被形象地称为电子云。
2.电子云轮廓图
为了表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间状态有一个形象化的简便描述，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。
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。
②p电子的原子轨道呈哑铃形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。
（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
4.泡利原理和洪特规则
（1）泡利原理：
一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且自旋状态相反。
电子自旋有顺时针和逆时针两种状态。
（2）洪特规则：
当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。
【自主思考】
1.结合电子云和原子轨道的知识，回答：
（1）电子云图中的小黑点的含义是什么？
小黑点的密度表示什么？
（2）电子在原子核外出现的概率有什么规律？
（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状是否相同？
答案
（1）小黑点是电子在原子核外出现的概率密度的形象表述。
小黑点密度越大，表明概率密度越大。
（2）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电子云松散。
（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，但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）。
2.为什么Fe3＋的稳定性强于Fe2＋？
答案 基态Fe原子的价电子排布式为3d64s2，当失去4s轨道上的2个电子时变为Fe2＋，Fe2＋价电子排布式为3d6，而Fe3＋价电子排布式为3d5，Fe3＋的3d轨道为半充满稳定结构。
3.指出下列核外电子排布图的书写分别违背了什么原则？
①2p轨道上有3个电子的原子：
②2p轨道上有2个电子的原子：
③基态P原子：
1s22s22p63s23p
3p
④4s轨道上有2个电子的原子：
⑤3d轨道上有8个电子的原子：
答案 ①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋状态相同。
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个电子的自旋状态相反。
4.根据构造原理，29Cu的电子排布式应是1s22s22p63s23p63d94s2，但实际29Cu的电子排布式却是1s22s22p63s23p63d104s1，思考并讨论其原因。
依据此原理写出24Cr的电子排布式。
答案 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（如p6和d10）、半充满（如p3和d5）和全空（如p0和d0）状态时，体系的能量较低，原子较稳定，所以Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
[效果自测]
1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。
（1）s能级的能量总是小于p能级的能量（ ）
（2）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（ ）
（3）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（ ）
（4）nf能级中最多可容纳14个电子（ ）
（5）氢原子电子云的一个小黑点表示一个电子（ ）
（6）处于最低能量的原子叫基态原子（ ）
（7）6C的电子排布式1s22s22p
违反了洪特规则（ ）
（8）电子排布式（21Sc）1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理（ ）
（9）电子排布式（22Ti）1s22s22p63s23p10违反了泡利原理（ ）
答案
（1）×
（2）× （3）× （4）√ （5）× （6）√ （7）√ （8）√ （9）√
2.在d轨道中电子排布成
，而不排布成
，遵循的是（ ）
A.能量最低原理B.泡利原理
C.原子轨道构造原理D.洪特规则
解析 洪特规则表明，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，而且自旋状态相同。
答案 D
3.下列原子或离子的电子排布表示方法中，正确的是 ，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 。
①Ca2＋：
1s22s22p63s23p6
②F－：
1s22s23p6
③P：
④Cr：
1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe：
1s22s22p63s23p63d64s2
⑥Mg2＋：
1s22s22p6
⑦C：
解析 根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道，而不是3p轨道，应为1s22s22p6；③中没有遵循洪特规则。
⑦中违反泡利原理。
答案 ①⑤⑥ ②④ ③ ⑦
探究一 基态与激发态、光谱
【探究讨论】
1.谈谈你对基态原子的理解。
提示 电子按照构造原理排布（即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里），会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。
【点拨提升】
1.电子跃迁的能量变化与可见现象：
激发态原子不稳定，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态时，将释放能量。
光辐射是电子释放能量的重要形式之一。
霓虹灯光、激光、焰火等可见光都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
2.金属元素的焰色反应的成因：
金属原子中，核外电子按一定轨道顺序排列，轨道离核越远，能量越高。
灼（燃）烧时，电子获得能量，能量较低的电子发生跃迁，从基态变为激发态。
随即电子又从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态，便以光（辐射）的形式释放能量，形成不同的焰色。
3.光谱分类
4.光谱分析
在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法称为光谱分析。
【典题例证1】 下列原子或离子核外电子排布不属于基态排布的是（ ）
A.N：
1s22s22p3B.S2－：
1s22s22p63s23p6
C.Na：
1s22s22p53s2D.Si：
1s22s22p63s23p2
解析 基态原子的核外电子排布必须遵循能量最低原理，基态钠原子的电子排布式应是1s22s22p63s1。
答案 C
【学以致用1】 对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。
产生这一现象的主要原因是（ ）
A.电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
B.电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C.氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D.在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应
解析 霓虹灯之所以能发光，是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，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。
答案 A
探究二 电子云与原子轨道
【探究讨论】
1.应该怎么理解电子云的概念
提示
（1）电子云轮廓图中的小黑点不代表电子、小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率密度的大小。
（2）离核越近，电子出现的概率密度越大，小黑点越密集。
2.应该怎样理解原子轨道的概念
提示
（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。
（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。
（3）原子轨道数与能层序数（n）的关系是原子轨道为n2个。
（4）原子轨道能量高低
相同能层
不同能层
【点拨提升】 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）电子云图中的小黑点并不代表电子，小黑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。
【典题例证2】 关于电子云的叙述不正确的是（ ）
A.电子云是用小点的疏密程度来表示电子在空间出现概率密度大小的图形
B.电子云实际是电子运动形成的类似云一样的图形
C.小点密集的地方电子在那里出现的概率密度大
D.轨道不同，电子云的形状也不一样
解析 用统计的方法描述电子在核外空间出现的概率大小的图形称为电子云；常用小黑点的疏密程度来表示电子在原子核外出现的概率密度的大小。
小黑点密集的地方，表示电子在那里出现的概率密度大，小黑点稀疏的地方，表示电子在那里出现的概率密度小。
答案 B
【学以致用2】 下列说法正确的是（ ）
A.不同的原子轨道形状一定不相同
B.p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形
C.2p能级有3个p轨道
D.氢原子的电子运动轨迹呈球形
解析 不同能级的原子轨道形状可以相同，如1s、2s能级的原子轨道都是球形，只是半径不同，A错。
现在的技术无法测定电子在原子核外的运动轨迹，原子轨道只是体现电子的运动状态，B、D错。
任何能层的p能级都有3个p轨道，C正确。
答案 C
探究三 泡利原理和洪特规则
【探究讨论】
1.如何理解原子核外电子排布“两原理一规则”？
提示
（1）能量最低原理：
电子在原子轨道上的分布要尽可能地使原子的能量为最低。
（2）泡利原理：
每个原子轨道最多容纳两个电子且自旋方向必须相反。
（3）洪特规则：
当电子排布在同一能级（能量相同）的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。
洪特规则特例
当同一能级上的电子排布为全充满（p6、d10、f14）、半充满（p3、d5、f7）和全空状态（p0、d0、f0）时，具有较低的能量和较强的稳定性。
例如，铬（24Cr）的价电子排布是3d54s1（3d、4s能级均为半充满），而不是3d44s2；铜（29Cu）的价电子排布是3d104s1（3d全充满、4s半充满），而不是3d94s2。
2.电子排布图中各符号、数字的意义是什么？
提示 以铝原子为例：
【特别提醒】 书写基态原子的电子排布图时，要兼顾三条原则，不能顾此失彼，防止出现以下错误：
（1）违反泡利原理：
（2）违反洪特规则：
或
【点拨提升】
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
简化电子排布式
含义
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
实例
K：
[Ar]4s1
价电子
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
电子排
布图
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
【典题例证3】 下列表达方式正确的是（ ）
A.Na＋的电子排布图：
B.硫离子的核外电子排布式：
1s22s22p63s23p4
C.碘化铵的电子式：
D.H2O的电子式：
解析 A项违反泡利原理；B项硫离子的核外电子排布式应为1s22s22p63s23p6；C项碘化铵的电子式应为
；只有D项正确。
答案 D
【学以致用3】
（1）以下列出的是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况。
试判断，哪些违反了泡利原理？
，哪些违反了洪特规则？
。
（2）某元素的激发态（不稳定状态）原子的电子排布式为1s22s22p63s13p33d2，则该元素基态原子的电子排布式为 ；其最高价氧化物对应水化物的化学式是 。
（3）将下列多电子原子的原子轨道按轨道能量由低到高顺序排列。
①2s ②3d ③4s ④3s ⑤4p ⑥3p
轨道能量由低到高排列顺序是 。
解析
（1）同一轨道中不应有自旋状态相同的电子，③违反了泡利原理；②中成单电子自旋状态应相同，④中5个电子应分占5个轨道，⑥中成单电子自旋状态应相同，所以②④⑥违反了洪特规则。
（2）3p能量小于3d，激发态为1s22s22p63s13p33d2，基态应为1s22s22p63s23p4。
此原子核外电子数为16，其质子数也为16，该元素为硫元素，其最高价氧化物对应水化物的化学式是H2SO4。
答案
（1）③ ②④⑥
（2）1s22s22p63s23p4 H2SO4 （3）①④⑥③②⑤
1.下面有关“核外电子的运动状态”的说法，错误的是（ ）
A.各原子轨道的伸展方向按p、d、f的顺序分别为3、5、7
B.只有在电子层、原子轨道、原子轨道伸展方向及电子的自旋状态都确定时，电子的运动状态才能被确定下来
C.原子核外可能有两个电子的运动状态是相同的
D.原子轨道伸展方向与能量大小是无关的
解析 原子核外不可能有运动状态相同的两个电子。
答案 C
2.以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是（ ）
A.
HeB.
C.1s2D.
解析 A项只能表示最外层电子数，B项只表示核外电子的分层排布情况，C项具体到能级的电子数，而D项体现出原子轨道内电子的自旋状态，故D项符合题意。
答案 D
3.某元素基态原子3d轨道上有5个电子，则该原子最外层电子的排布可能是（ ）
A.4s1B.4s24p1
C.4s24p3D.3s23p63d5
解析 3d轨道上有5个电子，属于半充满稳定状态，又根据构造原理可知电子先填充4s轨道再填充3d轨道，待3d轨道填满后再填充4p轨道，故题给原子的价层电子排布为3d54s1或3d54s2，最外层电子排布为4s1或4s2，故A正确。
答案 A
4.下列原子的价层电子排布图正确的是（ ）
解析 A的2p轨道应各排布一个电子且自旋状态相同，B的2s轨道中两个电子的自旋状态应相反，D的2s轨道中排满两个电子后才排2p轨道。
答案 C
5.高考组合题。
（1）元素Mn与O中，基态原子核外未成对电子数较多的是 。
（2）基态Ge原子有 个未成对电子。
（3）镍元素基态原子的3d能级上的未成对电子数为 。
（4）基态Fe原子有 个未成对电子。
（5）基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是 ，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为 。
（6）Cu的价层电子排布图为 。
答案
（1）Mn
（2）2 （3）2 （4）4 （5）N 球形
（6）
课时作业
基础题组
1.下列有关电子云的叙述中，正确的是（ ）
A.电子云形象地表示了电子在核外某处单位体积内出现的概率
B.电子云直观地表示了核外电子的数目
C.1s电子云轮廓图是一个球面，表示在这个球面以外，电子出现的概率为零
D.电子云是电子绕核运动形成了一团带负电荷的云雾
解析 电子云表示电子在核外单位体积内出现的概率大小，小黑点的疏密表示出现概率密度的多少，密则概率密度大，疏则概率密度小，故A正确。
答案 A
2.氧离子中电子的运动状态有（ ）
A.3种B.8种
C.10种D.12种
解析 氧离子核外有10个电子，所以有10种不同运动状态的电子。
答案 C
3.下列离子中d轨道达半充满状态的是（ ）
A.Cr3＋B.Cu＋
C.Co3＋D.Fe3＋
解析 Cr3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d3，d轨道不是半充满状态，故A错误；Cu＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d10，d轨道处于全满状态，故B错误；Co3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，d轨道不是半充满状态，故C错误；Fe3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，d轨道达半充满状态，故D正确。
答案 D
4.当碳原子的核外电子排布由1s22s22p2转变为1s22s12p3时，下列说法正确的是（ ）
A.碳原子由基态变为激发态
B.碳原子由激发态变为基态
C.该过程将产生发射光谱
D.碳原子要向外界环境释放能量
解析 从碳原子的核外电子排布变化来看，2s一个电子跃迁到2p，能量升高，产生吸收光谱，A项正确，B、C、D项错误。
答案 A
5.下列对核外电子运动状况的描述正确的是（ ）
A.同一原子中，2p，3p，4p能级的轨道数依次增多
B.当碳原子的核外电子排布由
转变为
时，这一过程中释放能量
C.3p2表示3p能级有两个轨道
D.在同一能级上运动的电子，其运动状态可能相同
解析 同一原子中，不同能层、相同能级的轨道数相同，故A错误；
为激发态碳原子的核外电子排布，能量较高，
为基态碳原子的核外电子排布，原子由激发态变为基态要放出能量，故B正确；3p2表示3p能级有2个电子，故C错误；在同一能级上运动的电子，其运动状态不同，故D错误。
答案 B
6.下列基态原子中，未成对电子数最多的是（ ）
A.OB.P
C.MnD.Cr
解析 O的电子排布式为1s22s22p4，未成对电子数为2；P的电子排布式为1s22s22p63s23p3，未成对电子数为3；Mn的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，未成对电子数为5；Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，未成对电子数是6。
答案 D
7.下列表示方法错误的是（ ）
A.硫离子的电子式为
B.Br原子的简化电子排布式为[Ar]3d104s14p6
C.N原子的电子排布图为
D.Cu原子的结构示意图为
解析 Br是35号元素，位于第四周期第ⅦA族，Br原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p5，其简化电子排布式为[Ar]3d104s24p5。
答案 B
8．下列各组原子中，P、Q原子的化学性质一定相似的是（ ）
A．P原子：
1s2 Q原子：
1s22s2
B．P原子：
M层上有2个电子 Q原子：
N层上有2个电子
C．P原子：
2p能级上有1个未成对电子 Q原子：
3p能级上有1个未成对电子
D．P原子：
最外电子层L层上只有一个空轨道 Q原子：
最外电子层M层上只有一个空轨道
解析 A中P、Q分别为He、Be；B中P为Mg，Q可能是Ca，也可能是过渡元素（如Sc、Ti、V、Fe、Zn等）；C中P原子可能是B、F，Q原子可能是Al、Cl；D中P原子为C，Q原子为Si，其化学性质一定相似。
答案 D
9.下列关于硅原子的核外电子排布表示方法中，错误的是（ ）
A.1s22s22p63s23p2
B.[Ne]3s23p2
C.
D.
解析 A、B两项是电子排布式，C、D两项是电子排布图，其中C项违背了洪特规则，故错误。
答案 C
10.
（1）处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用 形象化描述。
在基态14C原子中，核外存在 对自旋相反的电子。
（2）N的基态原子核外电子排布式为 ；Cu的基态原子最外层有 个电子。
（3）钒（23V）是我国的丰产元素，广泛用于催化及钢铁工业。
钒在元素周期表中的位置为 ，其价层电子排布图为 。
（4）Na位于元素周期表第 周期第 族；S的基态原子核外有 个未成对电子；Si的基态原子核外电子排布式为 。
（5）Cu＋基态核外电子排布式为 。
（6）基态Fe原子有 个未成对电子，Fe3＋的电子排布式为 。
（7）31Ga基态原子的核外电子排布式是 。
（8）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。
（9）基态Mn2＋的核外电子排布式为 。
（10）Se原子序数为 ，其核外M层电子的排布式为 。
（11）可正确表示原子轨道的是 。
A.2sB.2dC.3pzD.3f
解析 电子在原子核外出现的概率密度分布通常用电子云来形象化描述。
C的电子排布图为
，所以其基态原子中核外存在2对自旋状态相反的电子。
（2）N元素的原子序数为7，基态原子的核外电子排布为1s22s22p3；Cu元素位于第四周期ⅠB族，基态原子核外电子排布为1s22s22p63s23p63d104s1，最外层有1个电子。
（3）钒在元素周期表中的位置为第四周期ⅤB族，其价层电子排布式为3d34s2，根据洪特规则和泡利原理，价层电子排布图为：
（4）Na（
）元素位于元素周期表第三周期第ⅠA族；Si原子核外电子数为14，基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p2。
（5）Cu为29号元素，基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，Cu＋的基态核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d10。
（6）基态Fe原子核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2，所以有4个未成对电子，失去2个4s电子、1个3d电子形成Fe3＋，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d5。
（8）铝原子核外电子云有s、p，分别有1、3种伸展方向；其核外有13个电子，则有13种不同运动状态的电子。
（9）Mn的核外电子数为25，基态Mn2＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5。
（10）Se位于第四周期，与S的原子序数相差18，故其原子序数为34；其核外M层有18个电子，故M层的电子排布式为
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