学年高中化学第1章第1节第2课时能量最低原理泡利原理洪特规则学案人教版选修3doc.docx
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第2课时 能量最低原理 泡利原理 洪特规则
激趣入题·情境呈现
霓虹灯为什么能够发出五颜六色的光
霓虹灯之所以能够发出五颜六色的光，其原因与氢原子光谱形成的原因基本相同。
对霓虹灯而言，灯管中装载的气体不同，在高电压的激发下发出的光的颜色就不同。
例如，氖灯的灯管中充入的气体是氖气，通电后在电场作用下，放电管里的氖原子中的电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，但处在能量较高轨道上的电子会很快地以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，所以我们看到的是红色光。
类似地，在通电后氩气发蓝色光，氦气发粉红色光，水银蒸气发蓝色光，等等。
新知预习·自主探究
一、基态与激发态、光谱
1．能量最低原理
现代物质结构理论证实，原子中的电子排布遵循__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
3．光谱与光谱分析
（1）原子光谱：
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的电子__吸收__光谱或__发射__光谱，总称原子光谱。
（2）光谱分析：
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。
二、电子云与原子轨道
1．电子云
（1）概念：
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。
小黑点越密，表示概率密度__越大__。
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为__电子云__。
（2）电子云的形状：
s电子云呈__球__形
p电子云呈__哑铃__形
2．原子轨道
（1）原子轨道：
通常把电子云轮廓图中电子出现的概率约为__90%__的空间圈出来，这种电子云轮廓图称为原子轨道。
每一个原子轨道表示电子在原子核外的__一个__空间运动状态。
（2）能级与原子轨道数目关系
能级符号
ns
np
nd
nf
轨道数目
__1__
__3__
__5__
__7__
三、核外电子排布
1．泡利原理
在一个原子轨道里最多只能容纳__2__个电子，而且自旋状态__相反__，用__“↑↓”__表示。
2．洪特规则：
当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先__单独占据__一个轨道，而且自旋状态__相同__。
如氮原子、氟原子的电子排布图：
3．电子排布图：
用方框表示原子轨道，用不同方向的箭头表示自旋状态不同的电子的式子。
如氧原子的电子排布图是__
_。
预习自测·初试牛刀
1．思考辨析：
（1）在原子中第n能层电子占有的轨道数最多为n2。
（√）
（2）同一原子中的npx与npy轨道形状相同，半径相同且在空间相互垂直。
（√）
（3）电子云图中的小黑点密度的大小表示电子的多少。
（×）
（4）
违背了泡利原理。
（×）
（5）假日烟火、焰色反应均与电子的跃迁有关。
（√）
2．有关于光谱的说法中不正确的是（ B ）
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。
3．下列电子排布式中表示基态原子电子排布式的是（ C ）
A．1s22s22p63s13p3
B．1s22s22p63s23p63d104s14p1
C．1s22s22p63s23p63d24s1
D．1s22s22p63s23p63d94s24p1
4．“各电子层最多容纳的电子数，是该电子层原子轨道数的二倍”，支撑这一结论的理论是（ B ）
A．能量最低原理
B．泡利不相容原理
C．洪特规则
D．能量最低原理和泡利不相容原理
解析：
根据泡利不相容原理，每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态相反的电子，因此各电子层最多容纳该电子层原子轨道数目二倍的电子；洪特规则是电子在能量相同轨道排布时尽可能分占不同轨道且自旋状态相同；能量最低原理是指电子总是先占据能量低的轨道，再依次进入能量高的轨道。
5．下面关于硅原子的核外电子排布表示式中，错误的是（ C ）
A．1s22s22p63s23p2 B．[Ne]3s23p2
C．
D．
解析：
A和B两项都是电子排布式，C和D两项都是电子排布图，其中C项违背了洪特规则。
6．下面是s能级、p能级的原子轨道图，试回答问题：
（1）s电子的原子轨道呈__球__形，每个s能级有__1__个原子轨道；p电子的原子轨道分别相对于x、y、z轴__对称__，每个p能级有__3__个原子轨道。
（2）s电子原子轨道、p电子原子轨道的半径与什么因素有关？
是什么关系？
__原子轨道的半径与电子层数有关，并随电子层数增大而增大。
__
解析：
s轨道在三维空间分布的图形为球形，p轨道空间分布的图形分别相对于x、y、z轴对称，原子轨道的半径与电子层数有关，并随电子层数增大而增大。
课堂探究·疑难解惑
知识点一 核外电子排布遵循的规律
┃┃问题探究__■
1．根据泡利原理和洪特规则，画出硼的电子排布图。
2．下列电子排布图中哪个是C原子的？
3．以下分别是两个原子的2p能级和3d能级的电子排布情况，试分析有无错误，若有，违反了什么原则？
┃┃探究提示__■
1．提示 注意1个原子轨道的2个电子自旋状态相反，故应为
。
2．提示 A。
B中电子排布不符合洪特规则，即电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。
3．提示
（1）错误，违反了洪特规则。
（2）错误，违反了泡利原理。
┃┃知识总结__■
1．能量最低原理：
原子核外电子总是优先占有能量低的轨道，然后依次进入能量高的轨道，这样使整个原子处于能量最低的状态。
这个原则是比较抽象的，如果我们打个这样的比方就可以理解了，也易于记忆了。
把地球比作原子核，把能力高的大雁、老鹰等鸟比作能量高的电子，把能力低的麻雀、小燕子等鸟比作能量低的电子。
能力高的鸟常在离地面较高的天空飞翔，能力低的鸟常在离地面很低的地方活动。
2．泡利原理：
每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态相反的电子。
如2s轨道上的电子排布为
，不能表示为
。
比如氦原子有两个电子，按能量最低原则，这两个电子都应当排布在1s原子轨道上。
显然，这两个电子在1s轨道上的分布可能是下列两种状态之一：
↑↑（自旋相同）或↑↓（自旋相反）。
泡利通过总结诸多光谱实验事实确定，基态氦原子的电子排布是↑↓，这就是电子在原子轨道上排布要遵循的原则——泡利不相容原理。
3．洪特规则：
原子核外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，这样整个原子的能量最低。
比如C：
最外层的p能级上有三个轨道
写出基态C原子的最外层p能级上两个电子的可能排布：
p有3个轨道，而碳原子2p能层上只有两个电子，电子应优先分占，而不是挤入一个轨道，C原子最外层p能级上两个电子的排布应如①所示，这就是洪特规则。
提示：
为什么某些原子核外电子排布违背构造原理？
根据构造原理，在书写少数元素如Cu、Ag、Au、Cr等基态原子的电子排布式时会有1个电子的偏差。
如Cr：
1s22s22p63s23p63d54s1（非3d44s2），Cu：
1s22s22p63s23p63d104s1（非3d94s2）。
对于这一现象，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s2、p6和d10等）、半充满（如s1、p3和d5等）以及全空（如s0、p0和d0等）状态时体系的能量较低，原子较稳定。
如Cr：
半充满时比
有空轨道时要稳定，出现该种情况的元素一般位于过渡元素区。
还需要补充说明的是电子排布的构造原理是概括了大量实验事实后提出的一般结论。
因此，绝大多数原子的核外电子排布与原理一致。
但有些过渡元素会出现特殊情况，构造原理还有待于进一步发展完善。
┃┃典例剖析__■
典例1下列原子价电子层的电子排布图正确的是（ B ）
解析：
A项，当轨道中均只有一个电子时，电子的自旋状态应相同，氧原子的价电子排布图应为
，错误；B项，铁原子的价电子排布图为
，正确；C项，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，硅原子的价电子排布图为
，错误；D项，在同一能级上的电子排布处于全充满、半充满或全空状态时，原子体系更稳定，所以铬原子的价电子排布图应为
，错误。
规律方法指导：
对于同一能级，当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的。
┃┃变式训练__■
1．下列电子排布的表示正确的是（ C ）
A．基态C原子的电子排布图：
B．基态N原子的电子排布图：
C．基态Cr原子的核外电子排布式：
[Ar]3d54s1
D．基态Ca原子的核外电子排布式：
[Ar]3d2
解析：
A项，基态碳原子核外有6个电子，最外层有4个电子，依据洪特规则2p能级上的2个电子应占据2个轨道，且自旋状态相同，其电子排布图为
，错误；B项，基态氮原子的最外层有5个电子，根据洪特规则可知2p能级上的3个电子应占据不同轨道，且自旋状态相同，所以电子排布图应该是
，错误；C项，d能级全空、全满或半满时能量最低，基态Cr原子的核外电子排布式为[Ar]3d54s1，正确；D项，基态Ca原子的核外电子排布式为[Ar]4s2，错误。
知识点二 描述核外电子排布的化学用语
┃┃问题探究__■
1．电子云中每个小黑点表示电子在该处出现过一次吗？
2．
（1）s能级和p能级的原子轨道存在哪些方面的差异？
（2）不同能层中的s轨道和p轨道电子云轮廓图分别相同吗？
分别呈什么形状？
┃┃探究提示__■
1．提示 电子云中孤立的小黑点没有意义，小黑点的密度不同，代表电子出现的概率不同。
2．
（1）提示 轨道形状、数目、最多容纳电子数等不同。
（2）提示 相同。
s轨道均为球形，p轨道均为哑铃形。
┃┃知识总结__■
1．电子排布式
（1）定义：
用核外电子分布的原子轨道（能级）及各原子轨道（能级）上的电子数来表示电子排布的式子。
如1s22s22p4、1s22s22p63s23p63d64s2分别是O、Fe原子的电子排布式。
以铝原子为例，电子排布式中各符号、数字的意义为：
（2）简化的电子排布式
电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示，以简化电子排布式。
以稀有气体的元素符号外加方括号表示的部分称为“原子实”。
如钙的电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，其简化的电子排布式可以表示为[Ar]4s2。
（3）外围电子排布式
在原子的核外电子排布式中，省去“原子实”后剩下的部分称为外围电子排布式。
如氯、铜原子的电子排布式分别为1s22s22p63s23p5、1s22s22p63s23p63d104s1，用“原子实”的形式分别表示为[Ne]3s23p5、[Ar]3d104s1，其外围电子排布式分别为3s23p5、3d104s1。
提示：
①虽然电子排布是遵循构造原理的，但书写时应按照电子层的顺序排列。
如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，而不能写作1s22s22p63s23p64s23d6。
②主族元素的最外层电子就是价电子。
过渡元素的外围电子一般包括最外层的s电子和次外层的d电子，有的还包括倒数第三层的f电子。
③元素周期表中呈现的电子排布是各元素原子的外围电子排布。
2．电子排布图
以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为：
在电子排布图中也可以用圆圈表示一个原子轨道，如Na：
。
电子排布式和电子排布图反映的是基态原子即处于最低能量状态的原子的电子排布情况。
它们相互关联，可以非常方便地相互转换。
3．原子结构示意图
原子结构示意图是表示原子的核电荷数和核外电子在原子核外各电子层排布的图示。
4．电子式
在化学反应中，一般是原子的最外层电子数目发生变化。
为了简便起见，化学中常在元素符号周围用小黑点“·”或小叉“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫做电子式。
如钠原子的电子式为·Na（或×Na）。
5．不同能层中的原子轨道
能层
能级
原子轨道数
原子轨道名称
电子云轮廓图
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
……①
……
……
N
4s
1
4s
球形
－
4p
3
4px、4py、4pz
哑铃形
相互垂直
4d
5
……
……
……
4f
7
……
……
……
……
……
……
……
……
……
注：
①d轨道和f轨道各有其名称、形状和取向，此处不再赘述。
┃┃典例剖析__■
典例2下列有关化学用语书写错误的是（ A ）
A．S2－的核外电子排布式：
1s22s22p6
B．碳原子的价电子轨道表示式：
C．碳－14的原子组成符号：
C
D．Cl－的结构示意图：
解析：
S2－的核外电子排布式应为1s22s22p63s23p6，故A项错误。
┃┃变式训练__■
2．下列说法正确的是（ C ）
A．3p2表示3p能级上有两个轨道
B．M层中的原子轨道数目为3
C．同一原子中，2p、3p、4p能级的原子轨道数相同
D．S原子的轨道表示式为
解析：
3p2表示3p能级上填充了2个电子，A项错误；M层中有3s、3p、3d三个能级，原子轨道数目为9，B项错误；同一原子中，2p、3p、4p能级的原子轨道数相同，均为3，C项正确；S原子的轨道表示式应为
，D项错误。
核心素养·专家博客
易混概念的比较
1．电子层、次外层、最外层、最内层、内层
在推断题中经常出现与层数有关的概念，理解这些概念是正确做推断题的关键。
为了研究方便，人们形象地把原子核外电子的运动看成分层运动，在原子结构示意图中，按能量高低将核外电子分为不同的能层，并用符号K、L、M、N、O、P、Q……表示相应的层，统称为电子层。
一个原子在基态时，电子所占据的电子层数等于该元素在周期表中所处的周期数。
倒数第一层，称为最外层；从外向内，倒数第二层称为次外层；最内层就是第一层（K层）；内层是除最外层外剩下电子层的统称。
以基态铁原子结构示意图
为例：
铁原子共有4个电子层，最外层（N层）只有2个电子，次外层（M层）共有14个电子，最内层（K层）有2个电子，内层共有24个电子。
2．基态、激发态
处于最低能量的原子叫基态原子。
基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则、能量最低原理。
当基态原子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。
3．价电子、最外层电子、外围电子
价电子指原子参加化学反应时与化合价有关的电子；最外层电子指能量最高的电子层上的电子，对于主族元素，最外层电子数等于价电子数；对于副族元素，部分能量高的次外层电子参与成键，即次外层部分电子与最外层电子统称为外围电子，即价电子。
例如，铝原子的简化电子排布式为[Ne]3s23p1，最外层电子数和价电子数都是3。
4．能层、能级、轨道
电子层即为能层，同一能层中按能量高低分为不同的能级（如s、p、d……），同一能级中若有多个轨道，其能量相同。
例如，镍（Ni）原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2，其中1、2、3、4称为能层，2s、2p表明第2能层上有2个能级，即镍原子核外电子排布有4个能层，7个能级（1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s）。
轨道：
s、p、d、f所含轨道数分别为1、3、5、7，如1s、2s、3s、4s能级的能量不同，但是轨道数相同。
电子进入能级的顺序是（按能量由低到高排序）1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s、5f、6d……
┃┃即时训练__■
若某基态原子的价电子排布为4d15s2，则下列说法正确的是（ B ）
A．该元素基态原子中共有3个电子
B．该元素原子核外有5个电子层
C．该元素原子最外层共有3个电子
D．该元素原子M能层共有8个电子
解析：
根据核外电子排布规律，该元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2。
由此可见：
该元素原子中共有39个电子，分5个电子层，其中M能层上有18个电子，最外层上有2个电子。
点评：
电子排布式的书写和正误判断
（1）注意每一个能级电子分布，特别注意当电子数不能够填满所有原子轨道时，注意分布形式；
（2）基态原子和激发态原子电子排布的不同。
即抓住每一个能级的每一个原子轨道最多填充两个自旋状态相反的电子，而对于同一能级电子应该尽量分布于不同原子轨道。
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