第2课时 能量最低原理 电子云与原子轨道.docx

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第2课时能量最低原理电子云与原子轨道

第2课时　能量最低原理　电子云与原子轨道

1．了解能量最低原理，知道基态与激发态。

2．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。

3．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。

（重难点）

能量最低原理、基态与激发态、光谱

[基础·初探]

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。

[探究·升华]

[思考探究]

（1）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？

【提示】　这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。

（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是什么？

【提示】　在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高的能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态原子时，将释放能量，从而产生红光。

[认知升华]

1．光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。

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时，将以光的形式释放能量。

2．日常生活中看到的灯光、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。

[题组·冲关]

题组1　基态、激发态

1．下列关于同一原子中的基态和激发态说法中，正确的是（　　）

A．基态时的能量比激发态时高

B．激发态时比较稳定

C．由基态转化为激发态过程中吸收能量

D．电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱

【解析】　激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确。

电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。

【答案】　C

2．当镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时，以下说法正确的是（　　）

A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量

B．镁原子由激发态转化成基态，这一过程中释放能量

C．转化后镁原子的性质更稳定

D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似

【解析】　镁原子3s能级上的电子被激发到3p能级上，要吸收能量变为激发态原子，其性质比基态更不稳定，所以A项正确，B、C项错误；变成激发态后，Mg与Si电子层结构不同，化学性质也不相似，D项错误。

【答案】　A

3．下面是一些原子的电子排布式，其中不是激发态原子的是（　　）

A．1s22s22p6　　　　　B．1s22s13s1

C．1s22s23d1D．1s22s22p23s1

【解析】　A项中各电子都处于能量最低状态，处于基态；B项的2s能级没有排满，2p能级没有排列电子，处于激发态；C项的2p、3s、3p等能级均没有排列电子，所以处于激发态；D项的2p能级电子没有排满，故处于激发态。

【答案】　A

题组2　光谱

4．以下现象与原子核外电子的跃迁有关的是（　　）

【导学号：

90990006】

①霓虹灯发出有色光　②棱镜分光　③激光器产生激光　④石油蒸馏　⑤凸透镜聚光　⑥燃放的焰火在夜空中呈现五彩缤纷的礼花　⑦日光灯通电发光　⑧冷却结晶

A．①③⑥⑦B．②④⑤⑧

C．①③⑤⑥⑦D．①②③⑤⑥⑦

【解析】　霓虹灯、激光器、日光灯等工作过程中产生的光及焰火燃放时产生的光，都是基态原子吸收能量后核外电子跃迁到较高能级，然后电子从较高能级跃迁到较低能级的过程中释放出的光能。

石油蒸馏、冷却结晶的过程都是物质发生物理变化的过程，其中伴随的能量变化是热能的变化。

棱镜分光、凸透镜聚光都是光的折射现象，而不是光的产生。

【答案】　A

5．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取（　　）

A．电子的运动轨迹图像

B．原子的吸收光谱

C．电子体积大小的图像

D．原子的发射光谱

【解析】　E（3d）＜E（4p），故电子由3d能级跃迁至4p能级时，要吸收能量，能形成吸收光谱。

【答案】　B

6．有关光谱的说法中不正确的是（　　）【导学号：

90990007】

A．原子中的电子在跃迁时能量的表现形式之一是光，这也是原子光谱产生的原因

B．原子光谱只有发射光谱

C．通过原子光谱可以发现新的元素

D．通过光谱分析可以鉴定某些元素

【解析】　电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量的变化，并以光的形式体现，用光谱仪摄取得到光谱。

电子从基态向激发态的跃迁会吸收能量，形成吸收光谱；电子从激发态向基态的跃迁会放出能量，形成发射光谱，B错误。

【答案】　B

　　电子云与原子轨道

[基础·初探]

教材整理1　电子云与原子轨道

1．电子运动的特点：

电子质量小，运动速度快，无规则，故无法确定某个时刻处于原子核外空间何处。

只能确定它在原子核外空间各处出现的概率。

2．电子云：

电子云是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。

电子云中的小黑点表示电子在核外出现的概率密度，小黑点越密，表明概率密度越大。

3．原子轨道：

（1）定义：

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。

（2）各能级所含原子轨道数目

能级符号

ns

np

nd

nf

轨道数目

1

3

5

7

（3）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或纺缍形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。

p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。

教材整理2　泡利原理和洪特规则

1．泡利原理：

在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，且它们的自旋状态相反。

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。

3．电子排布图：

在电子排布图中，用一个方框表示一个原子轨道，用箭头表示电子。

[探究·升华]

[思考探究]

（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完全相同？

【提示】　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电子云疏散。

③不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，但不完全相同。

只是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）

（2）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：

【提示】　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，且自旋方向相同。

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个电子的自旋方向相反。

[认知升华]

1．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大的稳定性。

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．用电子排布图表示原子核外电子排布

以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为

【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：

[题组·冲关]

题组1　电子云与原子轨道

1．观察1s轨道电子云示意图，判断下列说法正确的是（　　）

A．一个小黑点表示1个自由运动的电子

B．1s轨道的电子云形状为圆形的面

C．电子在1s轨道上运动像地球围绕太阳旋转

D．1s轨道电子云的点的疏密表示电子在某一位置出现概率的多少

【解析】　尽管人们不能确定某一时刻原子中电子的精确位置，但能够统计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。

为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用小黑点的疏密程度来表示电子在核外出现概率的大小，点密表示电子在那里出现的概率大，反之则小。

由图可知，处于1s轨道上的电子在空间出现的概率分布呈球形对称，且电子在原子核附近出现的概率最大，离核越远出现的概率越小。

图中的小黑点不表示电子，而表示电子曾经出现过的位置。

【答案】　D

2．下列对核外电子运动状态的描述正确的是（　　）

【导学号：

90990008】

A．电子的运动与行星的运动相似，围绕原子核在固定的轨道上高速旋转

B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道

C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道

D．在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同

【解析】　A项，质量很小的电子在作高速运动时，其运动规律跟普通物体不同，电子没有确定的运动轨道；B项，第三能层只有3s、3p、3d三个能级，而3s能级有1个轨道、3p能级有3个轨道、3d能级有5个轨道，故第三能层有9个轨道；C项，氢原子中只有1个电子，在1s轨道，但还存在其他空轨道；D项，电子的运动状态与能层、能级和自旋状态有关，在同一原子内部没有两个电子存在完全相同的运动状态。

【答案】　D

3．下列说法正确的是（　　）

A．s能级的能量总小于p能级的能量

B．2s的电子云半径比1s电子云半径大，说明2s的电子云比1s的多

C．当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占满一个轨道（1个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋状态相反），然后再占据其他原子轨道

D．nf能级中最多可容纳14个电子

【解析】　同一能层中，s能级的能量小于p能级的能量，不同能层就有可能s能级（较高能层）的能量高于p能级（较低能层）的能量，A错误；2s的电子云半径比1s电子云半径大，说明2s的电子在离原子核较远的区域出现的概率比1s的电子大，B错误；当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占据不同的原子轨道而且自旋状态相同，C错误；nf能级有7个原子轨道，每一个原子轨道最多容纳两个电子，D正确。

【答案】　D

【规律总结】　原子轨道的4条规律

（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

题组2　核外电子排布原理

4．某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了（　　）

A．泡利原理　　　　　B．能量最低原理

C．洪特规则D．洪特规则特例

【解析】　p能级有三个轨道，据泡利不相容原理，每个轨道最多排2个电子，故p能级最多排6个电子，不可能排7个，故违背泡利原理。

【答案】　A

5．下列有关碳原子的电子排布图中，能量最低的是（　　）

【导学号：

90990009】

【解析】　根据洪特规则，原子的核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。

A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D中的排布符合洪特规则，能量最低。

【答案】　D

6．在能量相同的d轨道中电子排布成

而不排布成

，最直接的根据是（　　）

A．能量最低原理B．泡利原理

C．构造原理D．洪特规则

【解析】　洪特规则是指原子核外的电子在能量相同的各个轨道上排布时，电子尽可能分占不同的原子轨道且自旋状态相同，使整个原子的能量最低，故D正确。

【答案】　D

题组3　核外电子排布的表示方法

7．下列表示式错误的是（　　）【导学号：

90990010】

A．Na＋的电子排布图：

B．Na＋的结构示意图：

C．Na的电子排布式：

1s22s22p63s1

D．Na的简化电子排布式：

[Ne]3s1

【解析】　Na＋是Na原子失去了最外层的3s电子所得，只剩下1s、2s和2p轨道上的电子，共10个，但A选项中2p轨道上的电子违背了泡利原理。

【答案】　A

8．下列电子排布式不符合构造原理的是（　　）

A．16S：

1s22s22p63s23p4

B．24Cr：

1s22s22p63s23p63d54s1

C．11Na：

1s22s22p63s1

D．19K：

1s22s22p63s23p64s1

【解析】　根据构造原理，电子在各能级上的排列顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d……且排布的电子数分别为2、2、6、2、6、2、10……故根据构造原理24Cr的电子排布式应为：

1s22s22p63s23p63d44s2。

【答案】　B

9．A、B、C、D、E代表5种元素。

请填空：

（1）A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，该原子的电子排布图为____________________。

（2）B元素的负一价离子与C元素的正一价离子的电子排布式都与氩原子相同，B元素的符号为________，C的离子结构示意图为________。

（3）D元素的正三价离子的3d能级为半充满，D的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为____________________。

（4）E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，E的元素符号为________，其价电子排布图为________________________。

【解析】　

（1）根据A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，可知该元素的基态原子有2个电子层，共有7个电子，是N元素，其电子排布图为

。

（2）B元素的负一价离子与C元素的正一价离子的电子排布式与氩原子相同，即都有18个电子，则B元素为Cl，C元素为K，K＋的结构示意图为

。

（3）D元素的正三价离子的3d能级为半充满，即三价阳离子的构型为3d5，则原子的价电子构型为3d64s2，即为26号Fe元素，其价电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2。

（4）由E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有1个未成对电子，可知其价电子构型为3d104s1，所以E为Cu元素，其价电子排布图为

【答案】

（2）Cl　

（3）Fe　1s22s22p63s23p63d64s2（或[Ar]3d64s2）

（4）Cu　

【规律总结】　1～36号元素原子核外电子排布的特殊性

（1）最外层只有一个未成对电子的元素：

①第ⅠA族（ns1：

H、Li、Na、K），

②第ⅢA族（ns2np1：

B、Al、Ga），

③第ⅦA族（ns2np5：

F、Cl、Br），

④特殊的Cr（3d54s1）和Cu（3d104s1）。

（2）最外层有2个未成对电子的元素：

①第ⅣA族（ns2np2：

C、Si、Ge），

②第ⅥA族（ns2np4：

O、S、Se）。

（3）最外层有3个未成对电子的元素：

第ⅤA族（ns2np3：

N、P、As）。

（4）3d电子半充满的元素：

Cr：

3d54s1、Mn：

3d54s2。