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第一章 原子結構與性質
第一節 原子結構
教學目標
1、教學目標
1) 知道電子運動的能量狀態具有量子化的特征，能從電子躍遷角度初步解釋原子光譜的形成，進一步強化“結構決定性質”的觀念。
2) 了解原子核外電子排布的構造原理，能寫出1~36號元素基態原子的電子排布式，進一步增強證據推理意識。
3) 知道電子的運動狀態可通過原子軌道和電子云模型來描述，能說明微觀粒子運動狀態與宏觀物質運動特點的差異，建立對原子結構的模型認知。
4) 認識基態原子中核外電子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規則，能寫出1~36號元素基態原子的軌道表示式，初步學會運用模型解決實際問題。
教學目標
2、教學重點和難點
1) 重點：根據構造原理寫出1~36號元素的基態原子的電子排布式；核外電子的運動狀態，電子云與原子軌道；泡利原理和洪特規則。
2) 難點：基態、激發態與原子光譜；電子云與原子軌道。
導入新課
絢麗多彩的煙花
焰色試驗：很多金屬或它們的化合物在灼燒時都會使火焰呈現特殊的顏色，據此判斷試樣所含金屬元素，把這種定性分析操作稱為焰色試驗。
原子理論發展史
1803年，英國科學家道爾頓才把原子從一個撲朔迷離的哲學名詞變為化學中具有確定意義的實在微粒，并提出了原子論
1904年湯姆孫在發現電子的基礎上提出原子結構的“葡萄干布丁”模型，開始涉及原子內部的結構。
1911年英國物理學家盧瑟福根據α粒子散射實驗提出了原子結構的核式模型。
1913年丹麥科學家玻爾根據原子光譜實驗，進一步建立起核外電子分層排布的原子結構模型。
20世紀20年代中期建立的量子力學理論，使人們對原子結構有了更深刻的認識，從而產生了原子結構的量子力學模型。
1936年馬德隆發表了以原子光譜事實為依據的完整的構造原理。
一、能層與能級
1、能層
(1) 劃分依據：
(2) 能層序數：
(3) 符號表示：
(4) 能量關系：
核外電子按能量不同分成能層(即電子層)。
分別為1、2、3、4、5、6、7
分別用K、L、M、N、O、P、Q
能層越高，電子的能量越高
即： E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)
思考：同一能層中電子的能量是否就相同的呢？
一、能層與能級
2、能級
1) 劃分依據：
2) 種類代號：
3) 表示方法：
4) 能量關系：
5) 最大容量：
同一能層，又按能量被分成不同能級。
任一能層的能級總是從s能級開始，按s、p、d、f …… 排序，且：能層的能級數＝能層序數
能層序號＋能級代號：1s、2s、2p、3d、4f……
同能層不同能級順序：E(ns)s、p、d、f能級中最多可容納的電子數依次為1、3、5、7……的2倍
一、能層與能級
能層 K L M N ……
能級 ……
最多 電子數
2 8 18 32 2n2
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
2
2
2
2
6
6
6
10
10
14
練、下列能級符號①5s、②2d、③3f、④6p表示正確的組合是 (　　)
A．①④ B．②③ C．③④ D．①②
練、下列各能層不包含d能級的是 (　　)
A．N B．M C．Q D．K
思考：電子的能量及電子所在能級是否就一成不變呢？
基態
激發態
原子光譜
二、基態與激發態 原子光譜
1、基態原子與激發態原子
1) 定義
基態原子：
激發態原子：
2) 關系：
處于最低能量狀態的原子
基態原子吸收能量，它的電子會躍遷到較高能級，變為激發態原子。相反……
基態原子
吸收能量
激發態原子
釋放能量
思考：化學反應中的能量變化通常以熱、光的形式呈現，那么，電子發生躍遷時能量變化又以什么形式呈現呢？
光(輻射)是電子躍遷是釋放能量的重要形式
二、基態與激發態 原子光譜
2、原子光譜與光譜分析
1) 原子光譜
① 定義:
② 類型:
③ 生活實例:
不同元素原子的電子發生躍遷時會吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收或發射光譜，總稱原子光譜。
發射光譜 (高躍到低)
暗色背景明亮譜線
吸收光譜 (低躍到高)
明亮背景暗色譜線
霓虹燈
二、基態與激發態 原子光譜
2、原子光譜與光譜分析
2) 光譜分析
定義:
依據:
應用:
現代化學中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析。
一種元素對應一種原子光譜
焰色試驗
解釋：基態原子→吸收能量→激發態原子→以光的形式釋放能量→較低能量的激發態或基態原子。
知識回顧
能層 K L M N ……
能級 ……
最多 電子數
2 8 18 32 2n2
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
規律：①能層的能級數＝能層序數
2
2
2
2
6
6
6
10
10
14
②以s、p、d、f······排序的各能級可容納的最多電子數依次為1、3、5、7······的2倍。
③同一能層不同能級電子的能量：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)
④不同能層相同能級電子的能量：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)
三、構造原理與電子排布式
活動：根據已學的知識，試寫出鐵原子的原子結構示意圖。
閱讀教材：請同學們閱讀課本第8 ~ 10頁。
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。
1) 原子核外電子的填充順序
1s→2s→2p→
3s→3p→4s→3d→4p→
5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p
2) 能級交錯現象：
隨著核電荷數遞增，電子并不總是填滿一個能層后再開始填入下一個能層的。 如：4s→3d→4p
規律：ns＜(n 2)f＜(n 1)d＜np
三、構造原理與電子排布式
2、電子排布式：用核外電子填充的能級符號及各能級上的電子數來表示電子排布的式子。
活動：閱讀課本P9-10表1-1，總結電子排布式的書寫原則。
按照構造原理寫出電子填充能級的順序；
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p······
根據各能級容納的電子數填充電子；
去掉空能級，并按照能層順序排列。
1) 電子排布式的書寫原則
三、構造原理與電子排布式
練、(1)試寫出鈉、鉀、鐵基態原子的電子排布式
(2)寫出稀有氣體氦、氖、氬、氪基態原子的電子排布式，尋找它們的共同點？
11Na：1s2 2s22p6 3s1
19K：1s2 2s22p6 3s23p6 4s1
26Fe：1s2 2s22p6 3s23p6 3d64s2
2He：1s2
10Ne：1s2 2s22p6
18Ar：1s2 2s22p6 3s23p6
36Kr：1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p6
2) 簡化電子排布式：將電子排布式中的內層電子已達到稀有氣體結構的部分 (可稱為原子實) 用對應元素符號外加方括號表示的式子。
三、構造原理與電子排布式
練、請分別寫出26Fe、33As和35Br基態原子的簡化電子排布式
26Fe：[Ar]3d6 4s2
33As：[Ar]3d10 4s24p3
35Br：[Ar]3d10 4s24p5
2) 簡化電子排布式：將電子排布式中的內層電子已達到稀有氣體結構的部分 (可稱為原子實) 用對應元素符號外加方括號表示的式子。
活動：找找As、Br和Fe常見化合價與電子排布式間的聯系？
價電子：將在化學反應中可能發生電子變動的能級上的電子
主族元素：一般是在最外面能層的電子 (即：最外層電子)
過渡元素：通常包括最外能級組的電子 (即：最外層電子和部分內層電子)
三、構造原理與電子排布式
3) 價層電子層：為突出化合價與電子排布式的關系，將在化學反應中可能發生電子變動的能級稱為價電子層(簡稱價層)
練、寫出25Mn、23V基態原子的價層電子排布式，并推測25Mn、23V兩種元素可能的化合價。
25Mn：3d54s2
23V：3d34s2
+2、+3、+4、+5、+6、+7
+2、+3、+4、+5、
三、構造原理與電子排布式
練、基態Fe2＋的價層電子排布式：____________
基態Fe3＋的簡化電子排布式：____________
基態Cl 的核外電子排布式：_____________
3d6
[Ar]3d5
1s22s22p63s23p6
或 [Ne]3s23p6
課堂小結
原子的核外電子排布
排布規律
表示方法
構造原理
能量最低原理
泡利原理
洪特規則
電子排布式
簡化電子排布式
價電子排布式
軌道表示式
四、電子云與原子軌道
思考：原子核外電子的運動狀態是怎樣的呢？
印象中：質量小、運動空間大、運動速率快
1913年，玻爾提出氫原子模型，電子在線性軌道上運行
薛定諤
1926年奧地利物理學家薛定諤提出：可用一個數學方程描述核外電子的運動狀態，為近代量子力學奠定了理論基礎。量子力學推翻了玻爾的氫原子模型。
量子力學指出：一定空間運動狀態的電子并不是在波爾假定的線性軌道上運行，而在核外空間各處都可能出現，但出現的概率不同。
四、電子云與原子軌道
1、概率密度＝
(P：電子在某處出現的概率；V：該處的體積)
P
V
氫原子1s電子的概率密度分布圖
2、概率密度分布圖與電子云圖
1) 小點是1s電子在原子核外出現的概率密度的形象描述。
2) 小點并不是電子本身，只表示電子曾在這里出現過一次；小點的疏密表示電子在原子核外空間出現的概率大小。
由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱為“電子云”。
四、電子云與原子軌道
3、電子云圖與電子云輪廓圖
電子云圖難繪制、使用不便
概率P＝90%的空間圈出來
電子云輪廓圖
1s電子的電子云輪廓圖繪制過程
四、電子云與原子軌道
3、電子云圖與電子云輪廓圖——s電子云
1s 2s 3s 4s
同一原子的s電子云輪廓圖
你發現了什么規律？
① 不同能層的s電子的電子云輪廓圖形狀相同，均為球形；
② 能層越高， s電子的電子云半徑越大。
原因：由于電子的能量依次增高，電子在離核更遠的區域出現的概率逐漸增大，電子云越來越向更大的空間擴散。
四、電子云與原子軌道
3、電子云圖與電子云輪廓圖——p電子云
p電子云有什么特點？
p電子的電子云形狀相同，均為啞鈴形；且px、py、pz 的電子云互相垂直。
四、電子云與原子軌道
3、電子云圖與電子云輪廓圖
s電子有一種空間運動狀態，p電子有三種空間運動狀態
量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態稱為一個原子軌道。
四、電子云與原子軌道
4、原子軌道：量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態稱為一個原子軌道。
能級 s p d f
最多可容納電子數 2 6 10 14
原子軌道數
每個軌道容納電子數
練、請填寫下表，并預測d、f能級中的原子軌道數量。
1
3
2
2
2
2
5
7
注：①同一能級的幾個原子軌道的能量相同。
②把同一能級的幾個能量相同的原子軌道稱為簡并軌道
四、電子云與原子軌道
請整理能層、能級和原子軌道之間的關系，并填表。
能層
能級
原子軌道數
原子軌道名稱
電子云輪廓圖的形狀和取向
形狀 取向
K
L
M
N
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
······
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
1s
2s
2px、2py、2pz
3s
3px、3py、3pz
4s
4px、4py、4pz
球形
球形
啞鈴(紡錘)形
球形
啞鈴(紡錘)形
球形
啞鈴(紡錘)形
相互垂直
相互垂直
相互垂直
回顧
能級 1s 2s 2p 3s 3p 3d ......
各能級 軌道數 ......
各能層 軌道數
最多容納 電子數
1
1
1
3
3
5
1
4
9
n2
2
8
18
2n2
提出問題：為什么每個軌道最多能容納兩個電子呢？同一軌道中的兩個電子的狀態是否完全相同呢？
資料卡片-電子自旋
資料卡片-電子自旋
鈉原子光譜實驗
最外層只有1個電子的堿金屬原子光譜會在光譜里呈現雙線
斯特恩-蓋拉赫實驗
最外層只有1個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
提出猜想：軌道中的單電子可能存在兩種不同的運動狀態
1925年：“電子自旋”概念的提出
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
1、電子自旋與泡利原理
(1)電子自旋：
電子除空間運動狀態外，還有一種運動狀態叫做自旋，電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，分別用“↑”和“↓”表示自旋相反的電子。
(2)泡利原理：
在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，它們的自旋相反。(又稱泡利不相容原理)
說明：(1)自旋是微觀粒子普遍存在的一種內在屬性。
(2)電子運動狀態由能層、能級、原子軌道和自旋狀態4個方面共同決定；電子的能量與能層、能級有關，電子運動的空間范圍與原子軌道有關。
(3)一個原子中不可能存在運動狀態完全相同的2個電子。
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
思考：核外電子在原子軌道中的排布應該如何表示？
2、軌道表示式 (又稱電子排布圖)：
表述電子排布的一種圖式
如：基態Al原子軌道表示式：
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
↑
↑
3s
↑
3p
↑
↑
↑
↑
Al：
原子軌道
能級符號
“↑↓”代表自旋相反的電子對
能量相同的原子軌道(簡并軌道)
單電子
(未成對電子)
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
練、請寫出基態碳原子可能的軌道表示式
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
①
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
②
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
③
思考：哪一種軌道表示式正確表達了基態碳原子核外電子的排布呢？
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
3、洪特規則：基態原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行。
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
①
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
②
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
③
√
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
洪特規則特列：簡并軌道全充滿、半充滿或全空狀態是能量較低的穩定狀態。
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
如24Cr：
只有一組全滿的簡并軌道
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
有兩組半滿的簡并軌道
√
練、請寫出29Cu的價層電子的軌道表示式
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3d
↑
4s
↑
↑
五、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
4、能量最低原理：
在構建基態原子時，電子將盡可能地占據能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低。
觀察與思考：以下幾種元素的基態原子的價電子排布并分析：是否符合構造原理及洪特規則特例？如何理解這些排布方式？
Nb: 4d45s1 Ru:4d75s1 Rh:4d85s1 W:5d46s2
以上四種元素的基態原子價層電子排布既不遵守構造原理，也不能用洪特規則特例來解釋。但根據客觀事實，以上排布符合能量最低原理。
總結：原子核外電子的運動狀態和排布規律
核外電子
運動狀態
核外電子
排布規律
核外電子排布表示方法
能量的量子化
能層
能級
原子軌道
電子自旋
原子結構示意圖
構造原理
電子排布式
泡利原理
洪特規則
洪特規則特列
能量最低原理
軌道表示式
隨堂檢測
練、下列核外電子排布式(或軌道表示式)不正確的是( )
基態Cr的電子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1
B. 基態K的簡化電子排布式：[Ar]4s1
C. 基態N原子的核外電子軌道表示式：
D. 基態S原子的核外電子軌道表示式：
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
↑
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
3s
↑
3p
↑
↑
↑
隨堂檢測
練、已知X、Y、Z、W、Q、R、E七種元素的原子序數依次增大，其原子或離子結構或性質信息如下表所示。
元素 結構或性質信息
X 原子的L層上s電子數等于p電子數
Y 元素的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋1
Z 單質在常溫常壓下是氣體，原子的M層上有1個未成對的p電子
W 元素的正一價離子的電子層結構與氬相同
Q 元素的核電荷數為Y和Z之和
R 元素的正三價離子的3d能級為半充滿
E 元素基態原子的M層全充滿，N層沒有成對電子，只有一個未成對電子
請根據信息回答下列問題：
(1)元素X的原子核外共有____種不同運動狀態的電子，有____種不同能級的電子。
(2)元素Y的原子中能量最高的是______電子，其原子軌道呈_______狀。
6
3
2p
啞鈴
隨堂檢測
元素 結構或性質信息
X 原子的L層上s電子數等于p電子數
Y 元素的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋1
Z 單質在常溫常壓下是氣體，原子的M層上有1個未成對的p電子
W 元素的正一價離子的電子層結構與氬相同
Q 元素的核電荷數為Y和Z之和
R 元素的正三價離子的3d能級為半充滿
E 元素基態原子的M層全充滿，N層沒有成對電子，只有一個未成對電子
(3)Q的基態原子簡化電子排布式為_______________，R的元素符號為_______， E元素原子的價層電子排布式為________。
(4)含有元素W的鹽的焰色試驗為_________色，許多金屬鹽都可以發生焰色反應，其原因是______________________________________________________________
_______________________________________。
[Ar]3d54s1
3d104s1
紫
激發態的電子從能量高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，以一定波長的光的形式釋放能量，形成不同的焰色
Fe
高考真題中的電子排布問題
[2021全國甲卷] Si的價層電子排布式為 。
3s23p2
[2021廣東卷] 基態硫原子價電子排布式為 。
3s23p4
[2021山東卷] 基態F原子核外電子的運動狀態有 種。
9
[2021湖南卷] 基態硅原子最外層的電子排布圖為 。
↑
↑
3s
↑
3p
↑
高考真題中的電子排布問題
[2021河北卷] (1)在KH2PO4的四種組成元素各自所能形成的簡單離子中，核外電子排布相同的是 (填離子符號)。
(2)原子中運動電子有兩種相反的自旋狀態，若一種自旋狀態用+1/2表示，與之相反的用 1/2表示，稱為電子的自旋磁量子數。對于基態的磷原子，其價電子自旋磁量子數的代數和為 。
[2021八省聯考湖南卷] As4S4俗稱雄黃，其中As基態原子的核外電子排布式為[Ar] ，有 個未成對電子。
K＋和P3
+3/2或 3/2
3d104s24p3
3
As為33號元素
高考真題中的電子排布問題
[2022全國甲卷] 基態F原子的價層電子排布圖(軌道表示式)為 。
[2022全國乙卷] 氟原子激發態的電子排布式有 ，其中能量較高的是 (填編號)。
a. 1s22s22p43s1 b. 1s22s22p43d2 c. 1s22s12p5 d. 1s22s22p33p2
[2022全國北京卷] 基態Si原子的價層電子的軌道表示式： 。

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