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第1課時 原子結構
第一章 原子結構與性質 第一節 原子結構
溫故知新
溫故知新
在之前的學習中，我們已經了解了原子的結構：
原子是由原子核和核外電子組成的；
原子核是由帶單位正電荷的質子和電中性的中子組成的；
核外電子圍繞原子核分層排布；
溫故知新
在之前的學習中，我們已經了解了原子的結構：
在多個電子的原子中，電子分別在能量不同的區域運動，分別用K、L、M、N……來表示從內到外的電子層。
原子最外層最多有8個電子（K層最多為2個電子）
那你是否好奇過：
核外電子的圍繞著原子核在做怎樣的運動？
它們的運動有規律性么？
電子這么小，肉眼無法直接看到，人們是怎樣研究它的運動規律的？
【思維啟迪】
溫故知新
那你是否好奇過：
同一個電子層上有多個電子，它們在空間的分布有特征么？
如何刻畫這種特征？
為何原子最外層最多有8個電子，比如第三層最多可以容納2×32=18個電子，但是鉀的M層填8了個電子后，下個電子填入了N層？
【思維啟迪】
溫故知新
不可再分
實心小球
不可再分
實心小球
各種各樣
電子
實心小球
質子
原子核
預言中子
電子
軌道
能量
人類對于原子結構的探索，對于微觀粒子的運動規律進行了長期的思考與探索
溫故知新
【科學史話】
1.能層
核外電子按能量不同分成能層。
距離原子越遠的能層，電子的能量越_______。
回憶學習過的原子結構的知識，寫出能層對應的序號、符號、及所能容納的電子數。
一、能層與能級
能層 一 二 三 四 五 六 七
符號
最多容納的電子數
能層 一 二 三 四 五 六 七
符號 K L M N O P Q
最多容納的電子數 2 8 18 32 50 72 98
高
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（1）同一能層中的不同能級，如何用符號進行區分表示？它們的能量關系如何？
（2）一個能層的能級數與能層序數間存在什么關系？一個能層最多可容納的電子數與能層序數間存在什么關系？你能否推導容納電子數與能級序數之間的關系？
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（3）以s、p、d、f 為符號的能級分別最多可容納多少個電子？3d、4d、5d能級所容納的最多電子數是否相同？
（4）第五層最多可容納多少個電子？它們分別容納在幾個能級中，各能級最多容納多少個電子？（只要求到f 能級）
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（1）同一能層中的不同能級，如何用符號進行區分表示？它們的能量關系如何？
同一能層的不同能級用符號s、p、d、f 表示，字母前加上對應能層數的阿拉伯數字，如1s、2s等。
能量關系滿足E(ns) < E(np) < E(nd) < E(nf)
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（2）一個能層的能級數與能層序數間存在什么關系？一個能層最多可容納的電子數與能層序數間存在什么關系？你能否推導容納電子數與能級序數之間的關系？
能層數 = 該能層序數(n)
一個能層最多可容納的電子數 = 2n2
推導可能用到的求和公式：1+3+5+…………+(2n-1) = n2
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（3）以s、p、d、f 為符號的能級分別最多可容納多少個電子？3d、4d、5d能級所容納的最多電子數是否相同？
以s、p、d、f 為符號的能級分別最多可容納2、6、10、14個電子
3d、4d、5d能級所容納的最多電子數相同？
2.能級
閱讀書中第6頁至第7頁關于能級的內容，回答下列問題
一、能層與能級
（4）第五層最多可容納多少個電子？它們分別容納在幾個能級中，各能級最多容納多少個電子？（只要求到f 能級）
第5層最多可容納50個電子。它們分別容納在5個能級中。
5s、5p、5d、5f 最多可容納2、6、10、14個電子
二、基態與激發態 原子光譜
發光現象與原子結構有密切的關系，二者有怎么樣密切的聯系呢？
二、基態與激發態 原子光譜
1.基態與激發態
基態原子是__________________的原子。
基態原子___________，電子躍遷到較高能級，變為激發態原子。
電子從較高能量的激發態躍遷到較低能量的激發態或基態時，將釋放能量。
光是電子躍遷釋放能量的重要形式。
處于最低能量狀態
吸收能量
二、基態與激發態 原子光譜
2.原子光譜
連續光譜
線狀光譜（原子光譜）
電子從激發態躍遷到基態，以光的形式釋放能量并被記錄下來，就形成了發射光譜。
電子從基態躍遷到激發態，以光的形式吸收能量并被記錄下來，就形成了吸收光譜。
他們總稱為原子光譜。
二、基態與激發態 原子光譜
2.原子光譜
氫原子光譜測定示意圖
二、基態與激發態 原子光譜
3.電子躍遷過程與光譜形成
電子在不同的軌道之間躍遷時會吸收或放出相應的能量（若以光的形式，則對應不同顏色的光）
E
吸收光譜
發射光譜
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
Fe的吸收光譜
Fe的發射光譜
（1）下圖是Fe的吸收光譜和發射光譜
對比二者，它們之間有何聯系？
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
發射光譜是線狀譜，由暗背景和不連續的彩色亮線（某些波長的光被釋放）組成；
吸收光譜是線狀譜和連續彩色譜疊加，由彩色亮背景（來自于光源）和不連續的暗線（光源中某些波長的光被吸收）組成；
發射光譜中的彩色亮線與吸收光譜中的暗線恰好處于完全相同的位置。
電子在兩個能級之間的躍遷往返時，經歷了兩個恰好相反的過程，過程中也就必然吸收或放出同樣多的能量，對應的光的波長相同。故在吸收光譜和發射光譜相同位置一定出現線狀譜。
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
（2）下圖是Li、He、Hg的吸收光譜和發射光譜
通過對比，你能得出什么結論？這樣的結論可以進一步推廣么？
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
①這些元素的發射光譜和吸收光譜與Fe一樣，也呈現了“互補關系”，
進而我們可以大膽推測，所有元素的發射譜和吸收譜之間都呈現這種關系
②三種元素，加上之前的Fe，他們的線狀譜出現的位置、數量完全不同。進而我們可以大膽推測，所有元素的發射譜和吸收譜都有自己的特征位置、數量。
不同的原子具有不同的結構，能級各不相同，因此電子躍遷時發射或吸收光的頻率（與波長成反比）也必定不同，故每種元素在光譜中都會形成“特征譜線”。
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
（3）不同元素發射光譜和吸收光譜的不同，能怎樣利用這種特性呢？
①鑒定元素：在一個未知體系中，我們可以得到它的光譜，通過跟單種元素的比對，就能確定是否存在某種元素。例如人類通過測定太陽光譜，就得知了太陽大氣中含He、Na等
②制作霓虹燈：霓虹燈燈管中裝載的氣體不同，在高壓電的激發下發出的光的顏色就不同。如Ne的電子吸收能量躍遷后，很快又會放出能量會到較低能級，所發出的光的波長恰好位于可見光區域中的紅色波段，所以我們看到紅光。
三、構造原理與電子排布式
1.構造原理
以光譜學事實為基礎，從氫開始，隨核電荷數遞增，新增電子填入能級的順序稱為構造原理。
三、構造原理與電子排布式
2.電子排布式
依照構造原理，寫出3、5、10、13、18號元素基態原子的電子排布式，與書后周期表所給排布對照。
原子序數 元素符號 排布式
3 Li
5 B
10 Ne
13 Al
18 Ar
1s22s1
1s22s22p1
1s22s22p6
1s22s22p63s23p1
1s22s22p63s23p6
三、構造原理與電子排布式
2.電子排布式
依照構造原理，寫出19、20、21、24、29號元素基態原子的電子排布式， 與書后周期表所給排布對照。
原子序數 元素符號 排布式
19 K 1s22s22p63s23p64s1
20 Ca 1s22s22p63s23p64s2
21 Sc 1s22s22p63s23p63d14s2
24 Cr 1s22s22p63s23p63d54s1
29 Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
三、構造原理與電子排布式
“三步法”書寫電子排布式
書寫電子排布式的方法
第三步：去掉空能級，并按照能層順序排列即可得到電子排布式。如S的電子排布式是1s22s22p63s23p6
第二步：根據各能級容納的電子數填充電子
第一步：按照構造原理寫出電子填入能級的順序，1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s......
（1）為什么K的電子排布式是1s22s22p63s23p64s1而非1s22s22p63s23p63d1
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
按照構造原理，電子是按照3p→4s→3d的的順序填充的，先填4s而非3d
能級交錯：相鄰能層的部分能級的能量順序發生了顛倒，即Ens < E(n-1)d < Enp
（2）隨著核電荷數的增加，基態原子的電子排布式越來越長，書寫繁瑣，
如何精簡表達？
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
例：
Al的電子排布式為1s22s22p63s23p1，紅色部分我們可用[Ne]表示，因此Al的電子排布就可以簡化為[Ne] 3s23p1
V的電子排布式為1s22s22p63s23p63d34s2 ，紅色部分我們可用[Ar]表示，因此V的電子排布就可以簡化為[Ar] 3d34s2
（3）利用構造原理證明原子最外層不超過8電子
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
當最外層是8電子時，此時已是ns2np6的排布。此時再增加一個電子，若電子排入(n-1)d能級，最外層電子數不變；若無(n-1)d能級，則電子填入(n+1)s能級，此時最外層變為1個電子，原先的最外層變為次外層。
綜上，原子的最外層不超過8電子。
（4）為什么Cr的電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2
【深度思考】
三、構造原理與電子排布式
這樣的排布源于光譜學事實，并不符合構造原理。這也說明構造原理是被理想化的模型。在更長周期的過渡元素中，仍有若干不滿足構造原理的例子。
構造原理雖有特例，但運用構造原理仍能得到大量的符合光譜學事實的電子排布，對了解核外電子排布規律仍有重要意義。
Cu和Cr的這種排布恰好使得3d軌道恰好“半滿”、“全滿”，這是未來學習的洪特規則的特例。
為什么Cu的電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2
課堂小結
1.多電子原子中：
E(K) < E(L) < E(M) < E(N) < E(O) < E(P) < E(Q)
E(ns) < E(np) < E(nd) < E(nf)
能層數 = 該能層序數(n)
一個能層最多可容納的電子數 = 2n2
2.電子在高低能級之間躍遷時會吸收或放出能量，能量以光的形式被記錄下來形成原子光譜。
3.構造原理：電子在填充時并非依次先填滿每個能層，而是按照構造原理進行填充。相鄰能層的部分能級的能量順序發生了顛倒，如4s < 3d。
(1)原子光譜呈線性反映了核外電子是分層分級排布的(　　)
(2)電子先填入靠近原子核的能層，后填入遠離原子核的能層(　　)
(3)依據不同元素的原子光譜可以用來鑒別未知元素的種類(　　)
(4)構造原理能準確的預言人類發現、創造的新元素的電子排布(　　)
(5)字母代號相同的能級，如4f、5f、6f 它們最大可容納電子數一定相同(　　)
【判斷正誤】
√
×
×
√
課堂練習
√
解析　霓虹燈的顏色主要是由于電子躍遷產生的。B中，氬原子中電子躍遷時只能吸收特定能量的光，而無法吸收除藍紫色以外的光，這點從原子的吸收光譜也是線狀光譜可知。
1. 對充有氬氣的霓虹燈管通電，燈管發出藍紫色光。產生這一現象的主要原因
是（ ）
A. 電子由能量較高的軌道向能量較低的軌道躍遷時以光的形式輻射能量
B. 電子由能量較低的軌道向能量較高的軌道躍遷時吸收除藍紫色光以外的光
C. 氬原子獲得電子后轉變成發出藍紫色光的物質
D. 在電流的作用下，氬原子與構成燈管的物質發生反應
課堂練習
A
解析　對原子而言，核電荷數=核外電子數，陽離子是失去電子形成的，陰離子是得到電子形成的。四種離子的電子層結構相同，則滿足的關系定量表達為a-m = b-n = c+n = d+m。移項后可知D正確。
2. X、Y、Z、R分別代表四種元素，如果aXm+、bYn+、CZn-、dRm-四種離子的電子層結構相同，則下列關系式正確的是（ ）
A． a - c = m - n
B． a - b = n - m
C． c - d = m + n
D． b - d = n + m
課堂練習
D

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