鲁科版选修性必修2导学案第1章 第1节 原子结构模型.docx
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鲁科版选修性必修2导学案第1章第1节原子结构模型
第一章第1节 原子结构模型
发展目标
体系构建
1.通过了解有关核外电子运动模型的历史发展过程，认识核外电子的运动特点。
2.知道电子运动的能量状态具有量子化的特征（能量不连续），电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生跃迁。
3.知道电子的运动状态（空间分布及能量）可通过原子轨道和电子云模型来描述。
一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
1．原子结构模型的发展史
2．光谱和氢原子光谱
（1）光谱
①概念：
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的谱线。
②形成原因：
电子在不同轨道间跃迁时，会辐射或吸收能量。
（2）氢原子光谱：
属于线状光谱。
氢原子外围只有1个电子，故氢原子光谱只有一条谱线，对吗？
提示：
不对。
3．玻尔原子结构模型
（1）基本观点
运动
轨迹
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
能量
分布
在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量是量子化的。
轨道能量依n（量子数）值（1、2、3、…）的增大而升高
对氢原子而言，电子处在n＝1的轨道时能量最低，称为基态；能量高于基态能量的状态，称为激发态
电子
跃迁
电子在能量不同的轨道之间跃迁时，辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来，就形成了光谱
（2）贡献
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，指出了电子所处的轨道的能量是量子化的。
二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述
1．原子轨道
（1）电子层
将量子数n所描述的电子运动状态称为电子层。
分层标准
电子离核的远近
取值
1
2
3
4
5
6
7
符号
K
L
M
N
O
P
Q
能量
逐渐升高
离核
越来越远
（2）能级：
在同一电子层中，电子所具有的能量可能不同，所以同一电子层可分成不同的能级，用s、p、d、f等来表示。
微点拨：
能级数＝电子层序数，如n＝2时，有2个能级。
（3）原子轨道
概念
单个电子在原子核外的空间运动状态
各能级上对应的原子轨道数
ns
np
nd
nf
1
3
5
7
微点拨：
处于同一能级的原子轨道能量相同；电子层为n的状态含有n2个原子轨道。
（4）自旋运动：
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。
2．原子轨道的图形描述
3．电子在核外的空间分布
（1）电子云图：
描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形。
（2）意义：
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。
微点拨：
量子力学中轨道的含义与玻尔轨道的含义不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）氢原子光谱属于线状光谱。
（√）
（2）基态氢原子转变成激发态氢原子时释放能量。
（×）
（3）焰色试验与电子跃迁有关，属于化学变化。
（×）
（4）电子云中的每一个小点就是一个电子。
（×）
2．在多电子原子中，决定轨道能量的是（ ）
A．电子层
B．电子层和能级
C．电子层、能级和原子轨道空间分布
D．原子轨道空间分布和电子自旋方向
B [多电子原子中，根据核外电子的能量差异，可将其分成不同的电子层；同一电子层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成不同的能级，同一能级的轨道能量相同，故决定轨道能量的是电子层和能级，B项正确。
]
3．下列关于电子云的叙述不正确的是（ ）
A．电子云是用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率大小的图形
B．电子云实际上是电子运动形成的类似云一样的图形
C．电子云图说明电子离核越近，单位体积内出现的概率越大；电子离核越远，单位体积内出现的概率越小
D．相同电子层不同能级的原子轨道，其电子云的形状不同
B [为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小。
点密集的地方，表示在那里电子在单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示在那里电子在单位体积内出现的概率小。
]
重难点合作探究
重难点
光谱与光谱分析
（素养养成——宏观辨识与微观探析）
氢原子光谱
氢原子光谱实验表明：
氢原子在一般情况下并不辐射电磁波；氢原子光谱不是连续光谱，而是线状光谱。
1．电子跃迁是不是仅指电子由基态跃迁至激发态？
提示：
不是。
电子在不同能级中的跃迁均属于电子跃迁，可由高能量的能级跃迁至低能量的能级，也可以由低能量的能级跃迁至高能量的能级。
2．氢原子光谱为什么是线状光谱？
提示：
电子在不同轨道上运动时能量不同，且能量值是不连续的，氢原子的电子从一个能级跃迁到另一个能级时，吸收或释放一定的能量，就会吸收或释放具有一定频率的光，并被光谱分析仪记录下来，得到线状光谱。
1．基态与激发态原子
（1）基态：
最低能量状态。
处于最低能量状态的原子称为基态原子。
（2）激发态：
较高能量状态（相对基态而言）。
如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子。
（3）基态、激发态相互转化与能量的关系：
基态原子
激发态原子。
2．光谱与光谱分析
光谱：
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。
光谱分析：
在现代化学中常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
发射光谱形成示意图 吸收光谱形成示意图
3．基态、激发态与光谱的联系
当基态原子的电子吸收能量，电子会跃迁到能量较高的轨道上，变成激发态原子。
例如，电子可以从1s跃迁到2s、2p……相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态，将释放能量。
光是电子释放能量的重要形式之一。
在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光，还包括燃放的焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
【例1】 为揭示氢原子光谱是线性光谱这一事实，玻尔提出了核外电子的分层排布理论。
下列说法中，不符合这一理论的是（ ）
A．电子绕核运动具有特定的半径和能量
B．电子在特定半径的轨道上运动时不辐射能量
C．电子跃迁时，会吸收或放出特定的能量
D．揭示了氢原子光谱存在多条谱线
D [D项的内容无法用玻尔理论解释。
玻尔的原子结构模型只能解释氢原子光谱是线状光谱。
要解释氢原子光谱的多条谱线，需用量子力学理论来描述核外电子的运动状态。
]
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。
1．下列说法正确的是（ ）
A．自然界中的所有原子都处于基态
B．同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量
C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量
D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性
B
[自然界中的原子有的处于基态，有的处于激发态，A项错误；同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量，若原子种类不同，则不一定如此，所以B项正确，C项错误；激发态原子的能量较高，容易转换成能量较低的激发态或基态，能量降低，该过程为物理变化，与还原性无关，故D项错误。
]
2．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为（ ）
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．在电流作用下，氖原子与构成灯管的物质反应
A [通电后基态氖原子的电子吸收能量，跃迁到较高能级，由于处于激发态的氖原子不稳定，则电子从激发态跃迁到较低能级的激发态乃至基态时，多余的能量以光的形式释放出来，光的波长对应一定的颜色，则A正确，B错误；霓虹灯发光过程中没有新物质生成，则C、D错误。
]
核外电子运动状态的描述
（素养养成——宏观辨识与微观探析）
玻尔只引入一个量子数n，能比较好地解释了氢原子线状光谱产生的原因；但复杂的光谱解释不了。
实验事实：
在氢原子中n＝2
n＝1时，得到两条靠得很近的谱线，与此类比，在钠原子中n＝4
n＝3得到两条靠得很近的谱线。
钠原子的部分光谱
1．为什么在通常条件下，钠原子中处于n＝4的电子跃迁到n＝3的状态时，在高分辨光谱仪上看到的不是一条谱线，而是两条谱线？
提示：
原子的线状光谱产生于原子核外的电子在不同的、能量量子化的轨道之间的跃迁。
多电子原子光谱中原有的谱线之所以能分裂为多条谱线，可能是量子数n标记的核外电子运动状态包含多个能量不同的“轨道”，电子在不同能量的“轨道”之间跃迁时产生的谱线就会增多。
2．如何比较原子中电子的能量高低？
提示：
在多电子原子中，电子填充原子轨道时，原子轨道能量的高低存在如下规律：
（1）相同电子层上原子轨道能量的高低：
ns（2）不同电子层形状相同的原子轨道能量的高低：
1s<2s<3s；2p<3p<4p。
（3）相同电子层形状相同的原子轨道能量的高低：
2px＝2py＝2pz。
1．原子轨道：
处于同一能级的电子可以在不同类型的原子轨道上运动。
不同的轨道有不同的形状和不同的伸展方向。
例如，s能级是球形对称的，s能级中只有1个原子轨道；p能级呈哑铃形，有3个原子轨道，在空间分别向x、y、z三个方向伸展，每个p能级的3个原子轨道相互垂直，记作px、py、pz；d能级有5个伸展方向不同的轨道；f能级有7个伸展方向不同的轨道。
2．电子的自旋：
每一个原子同一轨道上的电子有不同的自旋状态，分别用向上和向下的箭头（↑和↓）表示。
以s，p，d，f，…排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1,3,5,7，…的2倍。
3．电子层、能级和原子轨道之间的关系
量子数
（电子层）
1
2
3
4
…
n
电子层
符号
K
L
M
N
…
能级符号
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
…
能级中
轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
…
电子层中
轨道数
1
4
9
16
…
n2
电子运动
状态种数
2
8
18
32
…
2n2
4.不同原子轨道能量大小的关系
【例2】 下列有关原子轨道的叙述中正确的是（ ）
A．氢原子的2s轨道能量较3p能级高
B．锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布
C．p能级的原子轨道呈哑铃形，随着电子层序数的增加，p能级原子轨道也在增多
D．电子层n＝4的原子轨道最多可容纳16个电子
B [氢原子的2s轨道能量较3p能级低，故A错误；s能级的原子轨道都是球形的，故B正确；p能级的原子轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道，故C错误；电子层最多容纳的电子数为2n2，电子层n＝4的原子轨道最多可容纳32个电子，故D错误。
]
1．量子力学原子结构模型中的原子轨道是用来描述核外电子空间运动状态的。
下列关于原子轨道的叙述正确的是（ ）
A．原子轨道就是原子核外电子运动的轨道，这与宏观物体运动轨道的含义相同
B．第n电子层上共有2n2个原子轨道
C．任意电子层上的p能级都有3个伸展方向相互垂直的原子轨道
D．处于同一原子轨道上的电子，运动状态完全相同
C [原子轨道与宏观物体的运动轨道不同，它是指电子出现的主要区域，而不是电子运动的实际轨迹，A项错误；第n电子层上共有n2个原子轨道，B项错误；原子核外每个电子的运动状态均不同，D项错误。
]
2．下列关于核外电子的运动状态的说法错误的是（ ）
A．核外电子是分层运动的
B．只有电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态都确定时，电子运动状态才能被确定
C．只有电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态都确定时，才能确定每一个电子层的最多轨道数
D．电子云的空间伸展方向与电子的能量大小无关
C [电子所具有的能量不同，会在不同的电子层上运动，A项正确；电子运动状态是由电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态共同决定的，B项正确；同一能级的电子具有相同的能量，与电子云的空间伸展方向无关，D项正确；可由电子层数确定原子轨道数，C项错误。
]
宏观物体的运动 核外电子的运动
1．宏观物体与微观粒子的运动状态有什么区别？
提示：
宏观物体
微观粒子
质量
很大
很小
速度
较小
很大（接近光速）
位移
可测
位置、动量不可同时测定
能量
可测
轨迹
可描述（画图或函数描述）
不可确定
2.从量子力学角度分析核外电子运动有什么特点？
量子力学是如何描述电子运动的？
提示：
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，ns、np、nd、nf能级分别有1、3、5、7个原子轨道。
每个p能级有3个相互垂直的原子轨道，分别标记为npx、npy、npz，同一能级中的原子轨道能量相同。
核外电子运动的一种统计性描述——电子云
将电子出现的概率约为90%的空间圈出来，制作电子云的轮廓图，便可描绘电子云的形状。
s电子云的轮廓图是球形，p电子云的轮廓图是哑铃形。
通过本情境素材中对宏观物体与微观粒子的运动状态的比较及量子力学对电子运动状态描述，提升了“宏观辨识与微观探析”的化学学科素养。
1．（素养题）如图为原子结构模型的演变图，其中①为道尔顿原子模型，④为近代量子力学原子模型。
下列排列符合历史演变顺序的一组是（ ）
① ② ③ ④ ⑤
A．①③②⑤④ B．①②③④⑤
C．①⑤③②④D．①③⑤④②
A [①为道尔顿提出的“实心球”模型，②为1911年英国物理学家卢瑟福提出的原子结构的核式模型，③为英国科学家汤姆孙1904年提出的“葡萄干布丁”原子结构模型，④为近代量子力学原子模型，⑤为1913年丹麦物理学家玻尔提出的核外电子分层排布的原子结构模型，故正确的历史演变顺序为①③②⑤④，A项正确。
]
2．下列说法正确的是（ ）
A．氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱之一
B．“量子化”就是不连续的意思，微观粒子运动均有此特点
C．玻尔理论不但成功地解释了氢原子光谱，而且还能推广到其他原子光谱
D．原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上像火车一样高速运转着
B [氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱，A项错误；B项正确；玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，但对于解释多电子原子的光谱却遇到了困难，C项错误；电子运动没有确定的轨道，电子的运动特点决定了只能用统计的方法来描述电子在空间出现的概率，不能同时准确测定电子的位置和速度，D项错误。
]
3．图甲和图乙分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。
下列有关认识正确的是（ ）
甲 乙
A．图甲中的每个小黑点表示1个电子
B．图甲中的小黑点表示某一时刻，电子在核外所处的位置
C．图乙表示1s电子只能在球体内出现
D．图乙表明1s轨道呈球形，有无数对称轴
D [图甲中每个小黑点并不代表一个电子，而是代表电子出现的概率密度，不是电子在核外所处的位置，故A、B错误；“轨道”是指电子在原子核外空间出现概率较大的区域，故C错误；1s轨道呈球形，有无数对称轴，故D正确。
]
4．下列有关说法正确的是（ ）
A．原子的核外电子最易失去的电子能量最低
B．各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序分别为1、3、5、7
C．p轨道电子能量一定高于s轨道电子能量
D．s能级电子绕核旋转，其轨迹为一圆圈，而p能级电子是走∞字形
B [能量越高的电子在离核越远的区域内运动，越容易失去，所以原子核外最易失去的电子能量最高，故A错误；各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序分别为1、3、5、7，故B正确；p轨道电子能量不一定高于s轨道电子能量，如2p轨道的电子能量低于3s轨道的电子能量，故C错误；电子在原子核外做无规则运动，并无固定的轨道，故D错误。
]
5．K层有________个能级，用符号分别表示为____________，
L层有______个能级，用符号分别表示为___________________，
M层有______个能级，用符号分别表示为________________。
由此可推知n电子层最多可能有________个能级，能量最低的两个能级其符号分别表示为________，它们的原子轨道电子云形状各为________、________。
[解析] 此题对电子层和能级的关系作了总结，有助于理解和掌握以下几个基本内容：
①第n个电子层有n个能级；②核外电子的能量取决于该电子所处的电子层和能级；③s能级和p能级电子云的形状。
[答案] 1 1s 2 2s、2p 3 3s、3p、3d n ns、np 球形 哑铃形
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