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第一章 原子結構與性質
第一節(jié) 原子結構
課時四 泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
學習目標
1.掌握泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理，能夠根據三條規(guī)則書寫軌道表示式，熟知核外電子排布的表示方法。
2.掌握1～36號元素的原子核外電子軌道表示式。
3.能夠根據核外電子的表示方法，推導出對應的原子或離子。
01
知識回顧
原子
光譜
能量
量子化
能級
能層
原子結構示意圖
構造原理
問題：每個原子軌道中最多可容納兩個電子，那么這兩個電子的運動狀態(tài)有什么差異嗎？
原子軌道
電子排布式
Na
1s22s22p63s1
每個原子軌道中最多可容納兩個電子
泡利原理
02
泡利原理
資料卡片-電子自旋
鈉原子光譜實驗
斯特恩-蓋拉赫實驗
提出猜想 ：軌道中的單電子可能存在兩種不同的運動狀態(tài)
1925年：烏倫貝克和哥德斯密“電子自旋”概念的提出
只有1個最外層電子的堿金屬原子光譜會在光譜里呈現(xiàn)雙線
只有1個最外層電子的銀原子在外加電場里加速飛行通過一個不對稱磁場時會分成兩束
02
泡利原理
電子自旋有順時針和逆時針兩種狀態(tài)，常用上下箭頭（↑和↓）表示自旋狀態(tài)相反的電子。
自旋是微觀粒子的內在屬性，如同它的電荷、質量一樣。
電子自旋
02
泡利原理
基于光譜事實，在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，而且它們的自旋狀態(tài)相反，這個原理是由泡利首先提出，
稱為泡利原理，也稱泡利不相容原理。
同一個原子中不能有兩個或兩個以上的電子處于完全相同的運動狀態(tài)。
02
泡利原理
電子排布的軌道表示式
常用軌道表示式研究原子的核外電子在原子軌道中的排布。
1、用方框(或圓圈)表示原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連。
2、各軌道按照離核由近到遠，從左到右依次排列，且在方框的下方用能級符號表示軌道所屬能級。
3、用箭頭表示處于特定自旋方向的電子。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
02
泡利原理
電子排布的軌道表示式
常用軌道表示式研究原子的核外電子在原子軌道中的排布。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
電子對
單電子(或未成對電子)
箭頭同向的單電子稱自旋平行。
↑
↑
2p
02
泡利原理
同一個原子軌道:
只有一個電子
2
1
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
電子對
自旋方向相反的一對電子
單電子
B 原子中: 有 對電子對，有 個單電子。
電子排布的軌道表示式
02
泡利原理
電子排布的軌道表示式
有 種空間運動狀態(tài)，有 種運動狀態(tài)不同的電子。
3
5
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
軌道數
電子數
02
泡利原理
請寫出基態(tài)Li、Be、B的軌道表示式。
Li
1s 2s
↑↓
↑
【鞏固 評價】
Be
1s 2s
↑↓
↑↓
B
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
簡并軌道的空軌道也要畫出來。
02
泡利原理
【思考 討論】
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑↓
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↑
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑↑
C
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↓
√
不符合泡利原理
請寫出基態(tài)碳原子可能的軌道表示式。
洪特規(guī)則
03
洪特規(guī)則
基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是優(yōu)先以自旋平行方式分別占據不同軌道，稱為洪特規(guī)則。
1925年，洪特在詮釋復雜原子光譜時，得出判斷基態(tài)原子光譜的三條經驗規(guī)則，后人歸并簡化為一條：
03
洪特規(guī)則
【思考 討論】
請寫出7-24號元素原子的軌道表示式
K
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑
Ca
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
03
洪特規(guī)則
請寫出7-24號元素原子的軌道表示式
Sc
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
Ti
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
V
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
↑
03
洪特規(guī)則
Cr
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
↑↓
3d
↑
↑
↑
請寫出7-24號元素原子的軌道表示式
↑
Cr
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
1s
2s
2p
↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓
↑↓
↑↓
4s
3d
↑
↑
↑
↑
↑
↑
思考：哪一種軌道表示式正確表達了基態(tài)鉻原子核外電子的排布呢？
03
洪特規(guī)則
洪特規(guī)則特例*
能量相同的簡并軌道在______、_____和_______條件時，體系能量較低，原子較穩(wěn)定。
光譜實驗發(fā)現(xiàn)
3d 4s
↑↓
Cr
↑
↑
↑
↑
3d 4s
↑
Cr
↑
↑
↑
↑
↑
只有一組全滿的簡并軌道
有兩組半滿的簡并軌道
全滿
半滿
全空
半充滿狀態(tài)
√
03
洪特規(guī)則
洪特規(guī)則特例*
能量相同的簡并軌道在______、_____和_______條件時，體系能量較低，原子較穩(wěn)定。
光譜實驗發(fā)現(xiàn)
全滿
半滿
全空
3d 4s
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
3d 4s
↑↓
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
全充滿狀態(tài)
√
能量最低原理
04
整個原子的能量由____________、____________和 ___________三個因素共同決定。
能量最低原理
核電荷數
電子數
電子狀態(tài)
在構建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據 的原子軌道，使整個原子的能量最低。
能量最低
04
能量最低原理
① 相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量較低的能級可使原子能量最低。如所有主族元素的基態(tài)原子。
② 當相鄰能級能量差別不大時，有1-2個電子填入能量稍高的能級可能反而降低電子的排斥能，進而使原子整體能量最低。如所有副族元素的基態(tài)原子。
04
能量最低原理
【思考 討論】
不符合能量最低原理
(1)為什么基態(tài)氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1
(2)為什么基態(tài)氮原子的軌道表示式是 ，而不是
(3)為什么基態(tài)Sc的價電子是3d1 4s2，而不是4s3
不符合洪特規(guī)則
不符合泡利原理
04
能量最低原理
【思考 討論】
(1)下列軌道表示式中哪個是硼的基態(tài)原子 為什么
(2)下列軌道表示式中哪個是氧的基態(tài)原子 為什么
√
√
不符合泡利原理
不符合洪特規(guī)則
04
能量最低原理
【思考 討論】
1s
↑
↑↓
2s
2p
A
1s
↑
↑↓
2s
2p
B
1s
↑↓
↑
2s
2p
C
1s
↑↓
↑
2s
2p
D
基態(tài)原子
激發(fā)態(tài)原子： 1個電子1s→2s
還有1個電子1s→2p
激發(fā)態(tài)原子：1個電子1s→2s
激發(fā)態(tài)原子： 2個電子1s→2p
以下鋰原子的軌道表示式表示的狀態(tài)中，能量最高的是（ ），能量最低的是（ ）
C
D
04
能量最低原理
原子結構示意圖 電子排布式 軌道表示式
意義 原子或離子各能層上的核外電子總數的式子 用數字在能級符號右上角標明該能級上排布的電子數 每個方框代表一個原子軌道，每個箭頭代表一個電子
實例 1s22s22p63s23p63d64s2 [Ar]3d64s2 3d64s2
原子結構的表示方法
簡化電子排布式
價層電子排布式
04
能量最低原理
1.下列化學用語的表達正確的是
A.原子核內有10個中子的氧原子：
B.氯原子的結構示意圖：
C.Fe3＋的最外層電子排布式：3s23p63d5
D.基態(tài)銅原子的價層電子軌道表示式：
√
【鞏固 評價】
04
能量最低原理
原子核內有10個中子的氧原子的質量數為10＋8＝18，應該表示為 ，故A錯誤；
氯原子核外電子總數為17，則氯原子的結構示意圖為 ，故B錯誤；
鐵為26號元素，鐵離子最外層電子數為13，根據構造原理可得：Fe3＋的最外層電子排布式為3s23p63d5，故C正確；
Cu是29號元素，其原子核外有29個電子，基態(tài)原子價層電子排布為3d104s1，圖示中3d和4s能級電子數目不符，基態(tài)銅原子的價層電子軌道
表示式為 ，故D錯誤。
04
能量最低原理
2.下列有關化學用語中不能體現(xiàn)氮原子核外電子能量有差異的是
A.
B.
C.
D.1s22s22p3
√
【鞏固 評價】
05
課堂總結
泡利原理、洪特規(guī)則
能量最低原理
洪特規(guī)則
泡利原理
在一個原子軌道里：最多只能容納______個電子，它們的自旋________
2
相反
基態(tài)原子：填入__________的電子總是____________，且__________。
簡并軌道
先單獨分占
自旋平行
課堂練習
06
課堂練習
1．下列軌道表示式能表示基態(tài)硫原子最外層結構的是
A. B.
C. D.
3s 3p
↑↓
↑↓
↑
↑
3s 3p
↑↓
↓
↑
↑↓
3s 3p
↑↓
↑↓
↑
3s 3p
↑↓
↑
↑
↑↓
D
06
課堂練習
2.下列硼原子軌道表示式表示的狀態(tài)中，能量最高的是
A.
B.
C.
D.
A
06
課堂練習
3．基態(tài)原子的核外電子填充在6個軌道中的元素有___________種，填充在7個軌道中的元素有___________種。
2 1
原子核外電子填充在6個軌道上的原子，此原子可能排布式為1s22s22p63s1或1s22s22p63s2，所以基態(tài)原子的核外電子填充在6個軌道中的元素有2種元素；
填充在7個軌道中的元素有1s22s22p63s23p1共1種。
06
課堂練習
(1)A元素基態(tài)原子的最外層有3個未成對電子，次外層有2個電子，其元
素符號為___；其價層電子軌道表示式為___________________。
N
解析　A元素基態(tài)原子的軌道表示式由題意可寫成：
，則該元素核外有7個電子，為氮元素，其元素符號為N。
4．A、B、C、D、E、F均為36號以前的元素。請完成下列空白：
06
課堂練習
(2)B元素的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋2，則n＝____；原子中能量
最高的是_____電子，價電子軌道表示式為____________________。
2
2p
4．A、B、C、D、E、F均為36號以前的元素。請完成下列空白：
06
課堂練習
(3) C元素基態(tài)的正三價離子的3d軌道為半充滿(即有5個電子)，其元素符號為______，其基態(tài)原子的電子排布式為_______。
Fe
1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
3d 4s
↑↓
↑
↑
↑
↑
↑↓
3d 4s
↑
↑
↑
↑
↑
06
課堂練習
4． A、B、C、D、E、F均為36號以前的元素。請完成下列空白：
(4)D元素基態(tài)原子的M層全充滿；N層沒有成對電子，只有一個未成對電子。D的元素符號為___________，其基態(tài)原子的價層電子的軌道表示式為___________。
Cu
3d 4s
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
3d10 4s1
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