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第4課時(shí) 原子結(jié)構(gòu)
第一章 原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)
溫故知新
在學(xué)習(xí)構(gòu)造原理時(shí)，我們說(shuō)它是一條以“以光譜學(xué)事實(shí)為基礎(chǔ)”，總結(jié)歸納出的規(guī)律。那這個(gè)填充順序的背后是否有原因呢？
在學(xué)習(xí)洪特規(guī)則時(shí)，你是否思考過(guò)為什么電子在可選擇的情況下要優(yōu)先占據(jù)不同的軌道，而不是待在一起呢？
電子分占軌道時(shí)，為什么要保持自旋平行？
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
4.能量最低原理
在構(gòu)建基態(tài)原子時(shí)，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個(gè)原子的能量最低，這就是能量最低原理。
能量越低越穩(wěn)定，它是自然界的一個(gè)普遍規(guī)律。
基態(tài)是能量最低的狀態(tài)，所以基態(tài)原子的電子排布是能量最低的原子軌道原子軌道組合。
（1）運(yùn)用能量最低原理，說(shuō)明構(gòu)造原理的填充順序是1s、2s、2p、3s、3p
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
整個(gè)原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個(gè)因素共同決定。
相鄰能級(jí)能量相差很大時(shí)，電子填入能量低的能級(jí)即可使整個(gè)原子能量最低，1s、2s、2p、3s、3p依次填入電子即遵循該規(guī)律。
（2）運(yùn)用能量最低原理，說(shuō)明構(gòu)造原理的填充順序是3p、4s、3d、4p……
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
相鄰能級(jí)能量相差不太大時(shí)，有1~2個(gè)電子占據(jù)能量稍高的能級(jí)可能反而降低了電子排斥而使整個(gè)原子能量最低。
若3p填滿6個(gè)電子后，再進(jìn)入的電子填入3d能級(jí)，此時(shí)第三能層電子數(shù)超過(guò)8個(gè)，電子彼此間的排斥加劇，致使整個(gè)原子能量升高。為了降低整體能量，會(huì)優(yōu)先在4s上排布。4s排滿后，不會(huì)進(jìn)入4p而進(jìn)入3d，因?yàn)?p軌道的能量比3d高，相差較大。
（3）運(yùn)用能量最低原理，說(shuō)明洪特規(guī)則中在簡(jiǎn)并軌道上填充電子為何優(yōu)先分占不同軌道，而不是成對(duì)。
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
簡(jiǎn)并軌道本身是能量相等的軌道，但是由于電子是帶負(fù)電的粒子，兩個(gè)電子進(jìn)入同一個(gè)軌道時(shí)，它們?cè)诳臻g上彼此靠近，相互的排斥使得整個(gè)原子的能量升高了一部分。而在分占不同軌道的情況下，這種排斥得到了有效緩解，故能量更低。所以電子在可選的情況下會(huì)優(yōu)先分占不同軌道。
**自旋平行是通過(guò)量子力學(xué)的計(jì)算得到的“交換能”進(jìn)行說(shuō)明的，不作要求
（4）在學(xué)習(xí)構(gòu)造原理時(shí)，Cr和Cu的電子排布式?jīng)]有嚴(yán)格遵循構(gòu)造原理。Cr的電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2
Cu的電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
請(qǐng)依據(jù)電子排布式，結(jié)合洪特規(guī)則寫(xiě)出Cr和Cu的價(jià)電子的軌道表示式
Cu和Cr的價(jià)電子是3d和4s的全部電子
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
Cr和Cu的價(jià)電子軌道表示式
Cr
Cu
在Cr和Cu的電子排布中，4s軌道只填充了一個(gè)電子，其他電子都填入3d軌道，此時(shí)3d軌道恰好為半充滿（d5）和全充滿（d10）的狀態(tài)。
研究表明，簡(jiǎn)并軌道中，電子排布為半充滿、全充滿或全空狀態(tài)是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況稱為洪特規(guī)則的特例。
因此，Cu和Cr看似不遵循構(gòu)造原理，但其遵循的能量最低的本質(zhì)未變。
【總結(jié)】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
（5）下面是幾種元素的基態(tài)原子的價(jià)電子排布：
鈮Nb 4d45s1 釕Ru 4d75s1
銠Rh 4d85s1 鎢W 5d46s2
這些排布可以用構(gòu)造原理或洪特規(guī)則的特例來(lái)進(jìn)行解釋么？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
隨著原子核核電荷數(shù)和核外電子數(shù)目的增多，原子核與電子、電子與電子之間的相互作用更加復(fù)雜，基態(tài)原子的電子排布不符合構(gòu)造原理的情況更多，原因也更復(fù)雜。有些基態(tài)原子的價(jià)電子排布既不遵循構(gòu)造原理，也不能用洪特規(guī)則特例來(lái)解釋。但其本質(zhì)仍是整個(gè)原子能量最低。
構(gòu)造原理、洪特規(guī)則是人們歸納大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出的核外電子排布規(guī)律。
遵循這兩個(gè)原則多數(shù)情況下可使得“整個(gè)原子能量最低”。
部分原子形式上沒(méi)有滿足構(gòu)造原理、洪特規(guī)則及其特例，但仍遵循能量最低原理。
1-36號(hào)元素中，Cr和Cu屬洪特規(guī)則特例，其他元素的基態(tài)原子均滿足構(gòu)造原理和洪特規(guī)則。據(jù)此，可以寫(xiě)出1-36號(hào)元素的電子排布式和軌道表示式。
【總結(jié)】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
5.基態(tài)原子失去電子的順序
基態(tài)Fe原子的價(jià)電子軌道表示式如下圖所示
Fe
Fe在表現(xiàn)還原性的過(guò)程中可能會(huì)失去2個(gè)電子或3個(gè)電子，變?yōu)镕e2+或Fe3+
那失去的電子是哪個(gè)軌道上的電子？
基態(tài)Fe2+或Fe3+的軌道表示式又怎樣表達(dá)呢？
【思維啟迪】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
Fe失去2個(gè)電子變?yōu)镕e2+后，剩余的6個(gè)電子在軌道中可能有哪幾種排布？
①
⑤
②
④
③
2個(gè)電子可能都是4s能級(jí)，可能是1個(gè)3d、1個(gè)4s，也可能是2個(gè)3d，實(shí)際測(cè)定如何呢？
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，基態(tài)Fe2+的價(jià)電子排布實(shí)際為下面這種：
即：Fe優(yōu)先失去4s上的兩個(gè)電子。
類(lèi)似的，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，基態(tài)Fe3+的價(jià)電子排布為：
即：Fe失去4s上的兩個(gè)電子和3d上的一個(gè)電子。
【思維啟迪】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
通過(guò)Fe的例子，我們可以得出如下結(jié)論：
Fe的基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單陽(yáng)離子的時(shí)候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去4s電子，再失去3d電子。
這個(gè)順序適用于其他元素么？
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律具有普遍性：
基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單陽(yáng)離子的時(shí)候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去ns電子，再失去(n-1)d電子。
如何書(shū)寫(xiě)一個(gè)離子的電子排布式或軌道表示式？
步驟一：依照構(gòu)造原理、洪特規(guī)則書(shū)寫(xiě)出基態(tài)原子的電子排布式或軌道表示式
（注意Cr和Cu是洪特規(guī)則特例）
步驟二：按照失去電子的數(shù)量由外層到內(nèi)層依次減去電子
注意：在基態(tài)離子的簡(jiǎn)并軌道中，電子的排布仍遵循洪特規(guī)則
【總結(jié)】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
寫(xiě)出Cr、Cu、Zn基態(tài)原子的價(jià)電子軌道表示式，以及Cr3+、Cu2+、Zn2+離子的價(jià)電子軌道表示式。
課堂練習(xí)
Cr
Cr3+
Cu
Cu2+
Zn
Zn2+
（1）書(shū)寫(xiě)基態(tài)離子的電子排布式和軌道表示式為什么不能直接使用構(gòu)造原理？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
首先，構(gòu)造原理的適用對(duì)象是原子。
整個(gè)原子或離子的能量是由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個(gè)因素共同決定。離子中核電荷數(shù)與電子數(shù)不相等，此時(shí)核對(duì)電子的吸引和電子之間的排斥與電中性中的原子情況不同。
對(duì)離子而言，這種未遵循構(gòu)造原理的排布才是能量最低的排布方式，符合能量最低原理。
（2）前面只討論了失去電子變?yōu)殛?yáng)離子的情況，你認(rèn)為基態(tài)原子得到電子變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子的情況是怎么樣的？得到的電子應(yīng)填在哪個(gè)軌道？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
基態(tài)原子得電子變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子的元素應(yīng)是非金屬元素，它們的價(jià)電子數(shù)一般≥4，變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子后，形成了最外層8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的最外層電子排布為ns2np6。
因此得到的電子一定是填入最外層的p軌道。
在書(shū)寫(xiě)基態(tài)陰離子時(shí)，把原子中最外層3條p軌道填滿即可。
（3）先失去ns，再失去(n-1)d的順序，表明了d電子參與了化學(xué)反應(yīng)，因此這個(gè)順序是針對(duì)過(guò)渡元素適用的，如果是主族金屬元素，是怎樣的呢？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
主族金屬元素的價(jià)電子只有ns和np電子，與d電子無(wú)關(guān)。
第IA和IIA族的元素，他們ns能級(jí)上只有1或2個(gè)電子，失去全部的ns后就變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如Na、Mg、K、Ca。故與d電子無(wú)關(guān)。
IIIA族的Al，價(jià)電子排布為3s23p1，失去3個(gè)電子后變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
IIIA族的其他元素，如Ga，價(jià)電子排布為4s24p1，失去3個(gè)電子后變?yōu)樽钔鈱?8e-結(jié)構(gòu)（3s、3p、3d均全滿），也同樣穩(wěn)定。
（4）從Fe2+和Fe3+的價(jià)電子的軌道表示式分析，為何它易失去1個(gè)電子變?yōu)镕e3+？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
Fe2+失去一個(gè)電子變?yōu)镕e3+后，3d恰好為半充滿的狀態(tài)，此時(shí)能量低較穩(wěn)定，故Fe2+易表現(xiàn)出還原性。
Fe2+
Fe3+
（5）之前的學(xué)習(xí)中我們見(jiàn)過(guò)Cu可以失去2個(gè)電子變?yōu)镃u2+，從Cu的價(jià)電子的軌道表示式分析，它除了+2價(jià)，還容易形成幾價(jià)的陽(yáng)離子？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
Cu失去一個(gè)電子變?yōu)镃u+后，3d恰好為全充滿的狀態(tài)，此時(shí)能量低較穩(wěn)定，Cu也可形成+1價(jià)的Cu+，例如Cu2O，CuCl，CuI等。
在有機(jī)化學(xué)中用新制Cu(OH)2鑒定醛基的反應(yīng)中， Cu(OH)2被還原為Cu2O
Cu
Cu+
通過(guò)基態(tài)原子的價(jià)電子排布式和軌道表示式，我們能夠?qū)ζ涫セ虻玫降碾娮訑?shù)量做出預(yù)測(cè)，這個(gè)方法可以預(yù)測(cè)一些離子的電荷量繼而判斷出其化合價(jià)。
價(jià)電子的結(jié)構(gòu)決定了原子的性質(zhì)，繼而在宏觀上表現(xiàn)出某元素具有的性質(zhì)：金屬的價(jià)電子少，同時(shí)吸引電子的能力弱，故一般失去電子形成陽(yáng)離子；非金屬的價(jià)電子多，同時(shí)吸引電子的能力強(qiáng)，故一般得到電子形成陰離子。過(guò)渡元素ns和(n-1)d軌道上的電子可以分布失去，故過(guò)渡元素常能形成不同價(jià)態(tài)的離子。
【總結(jié)】
五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理

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