資源簡介

第一節 原子結構
第1課時
教學目標
1.知道核外電子按能量不同分為能層、同一能層的電子分成不同能級，以及多電子原子中同一能層各個能級的能量順序，進一步認識原子結構。
2.知道電子運動的能量狀態具有量子化的特征，知道基態、激發態與原子光譜，能解釋一些金屬產生不同顏色的原因。
3.知道構造原理，能根據構造原理寫出1~36號元素的基態原子的電子排布式。
教學重難點
1~36號元素的基態原子的電子排布式、簡化的電子排布式的書寫，認識價層電子排布。
教學過程
一、新課導入
回憶已經學習過了原子的組成，核外電子的分層排布與原子結構示意圖的表達。
是否有更精細的模型表達原子的結構？
進一步的結構可以幫助我們理解原子光譜、元素化合價這樣的性質么？
【科學史話】
簡要介紹人類對于原子結構的探索的歷程及成果，讓學生體會原子結構模型的證據發現與模型建立的方法。資料參考《教師教學用書》第23—25頁原子結構研究史。
二、講授新課
【閱讀理解】閱讀教材P6的內容，完成表格。
一、能層與能級
（1）能層的含義：多電子原子核外電子的能量是不同的，核外電子按能量不同分成能層。
（2）能層對應的序號、符號、及所能容納的電子數。
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
（中學只研究到第七能層）
（3）能層的能量與能層離原子核距離的關系：
能層能量的高低順序為E(K) (4)能級的含義
多電子原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，所以，同一能層的電子，又被分成不同的能級，就好比能層是樓層，能級是樓梯的階級。
(5)能級的符號和所能容納的最多電子數如下：
能層 K L M N O
能級 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p …
最多電子數 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 …
（6）能層與能級的有關規律
閱讀教材P7的內容并思考：
【提問】（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？
【講解】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)
【提問】（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？
【講解】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
【提問】（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？
【講解】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。
【提問】（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）
【講解】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
1.情境導入
在日常生活中，我們常見的焰火、霓虹燈光、激光燈發光現象，都有原子結構有密切的關系，為什么不同的原子會發出不同的光？
2. 【閱讀理解】
基態原子：處于最低能量狀態的原子
激發態原子：基態原子吸收能量，電子躍遷到較高能級，變為激發態原子。
二者的可以通過吸收或放出能量相互轉化。
【注意】
(1)電子的躍遷是物理變化(未發生電子轉移)，而原子得失電子發生的是化學變化。
(2)一般在能量相近的能級間發生電子躍遷。如1s22s32p2表示基態碳原子，1s22s12p為激發態碳原子(電子數不變)。
(3)激發態原子不穩定，易釋放能量變為基態原子，其能量可轉化為可見光。
3.原子光譜
吸收光譜：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。
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。
【講解】根據原子光譜形成示意圖介紹發射光譜和吸收光譜的形成過程。
【提問】線狀的原子光譜反映了原子結構怎么樣的結構特征？
【講解】線狀的原子光譜反映出電子在核外是分層排布的，電子所處能級的能量是“量子化”的，電子可以在不同的能級之間躍遷。
【提問】為什么說原子光譜是“原子的指紋”？
【講解】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”，譜線與元素一一對應。我們可以依據光譜信息對體系中的未知元素進行鑒定。
【提問】原子發射光譜與吸收光譜有怎樣的聯系？
【講解】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。
【拓展】
（1）霓虹燈發光原理：充有氖氣的霓虹燈能發出紅光，產生這一現象的原因是通電后在電場作用下，放電管里氖原子中的電子吸收能量后躍遷到能量較高的能級，且處在能量較高的能級上的電子會很快地以光的形式釋放能量而躍遷回能量較低的能級上，該光的波長恰好處于可見光區域中的紅色波段。
（2）部分金屬元素的焰色是電子躍遷的結果，故焰色試驗的本質是物理變化，該過程中因加熱可能伴隨化學變化。焰色產生的過程：
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，新增電子填入能力的順序稱為構造原理。
2.構造原理的運用
【課堂練習】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。
原子序數 元素符號 排布式
3 Li 1s22s1
5 B 1s22s22p1
10 Ne 1s22s22p6
13 Al 1s22s22p63s23p1
18 Ar 1s22s22p63s23p6
【課堂練習】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
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
【講解】書寫電子排布式的方法
“三步法”書寫電子排布式：
構造原理是書寫基態原子電子排布式的依據。
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......
第二步：根據各能級容納的電子數填充電子。
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。
【提問】（1）為什么K的電子排布式是1s22s22p63s23p64s1而非1s22s22p63s23p63d1
【講解】按照構造原理，電子是按照3p→4s→3d的的順序填充的，先填4d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
【提問】（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？
【講解】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
【提問】（3）利用構造原理證明原子最外層不超過8電子
【講解】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。
【提問】（4）為什么Cr的電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2？
為什么Cu的電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2？
【講解】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。
三、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。
通過原子光譜我們深入了解原子結構中電子的排布規律。也可以用原子光譜進行鑒定。
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。
原子序數較大的原子電子排布可以用 “[稀有氣體原子] + 其余電子”進行簡化表達。
構造原理是一個理想化模型，依照構造原理所得的電子排布并非所有都能與原子的原子光譜的測定結果所吻合。模型中只考慮了主要矛盾。
四、課堂練習
1. 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
(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(　　)
答案?。?）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√
解析
（1）電子在特定的兩個能級之間躍遷，吸收或發射固定能量的光，從而形成線狀光譜，故正確。
（2）電子一般情況下按照構造原理進行填充，但是也存在能級交錯的現象，如先填4s，后填寫3d。
（3）元素的原子因核電荷不同，核外電子排布不同，故每種元素的元素對光的吸收或發射都是不同的，形成的原子光譜也是完全不同的，這種唯一對應關系可以用于“元素鑒定”。（4）構造原理只是一個理論模型，能較好的符合實驗結果，但無法準確預測。
（5）相同字母代號的能級最大可容納電子數是一定的，與所在能層無關，見書第6頁表格。
2. 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
答案　A
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。
3. 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
答案　D
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。

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