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第一章　
原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
第一節(jié)　
原子結(jié)構(gòu)
第2課時(shí)　
構(gòu)造原理　電子云與原子軌道
[明確學(xué)習(xí)目標(biāo)]
1．了解構(gòu)造原理，熟記基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序。
2．能正確書寫1～36號(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布式。
[核心素養(yǎng)對(duì)接]
1．宏觀辨識(shí)與微觀探析：通過認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)及核外電子排布，辨識(shí)微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同于宏觀物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2．證據(jù)推理與模型認(rèn)知：結(jié)合原子結(jié)構(gòu)模型的演變過程，能論證證據(jù)與模型的建立及其發(fā)展之間的關(guān)系。
課前篇
·
自主學(xué)習(xí)固基礎(chǔ)
一、構(gòu)造原理
[知識(shí)梳理]
隨著原子核電荷數(shù)的遞增，原子核每增加一個(gè)質(zhì)子，原子核外便增加一個(gè)電子，這個(gè)電子大多是按如圖所示的能級(jí)順序填充的，填滿一個(gè)能級(jí)再填下一個(gè)能級(jí)。
能層　
能級(jí)
二、電子排布式
將能級(jí)上所容納的電子數(shù)標(biāo)在該能級(jí)符號(hào)的________角，并按照________從左到右的順序排列的式子，稱為電子排布式。
右上　
能層
三、電子云
1．電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)
現(xiàn)代量子力學(xué)指出，不可能像描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)那樣確定核外電子在某個(gè)時(shí)刻處于原子核外空間何處，只能確定在原子核外各處出現(xiàn)的________。用P表示電子在某處出現(xiàn)的________，V表示該處的體積，則稱為__________，用ρ表示。
概率　
概率　
概率密度　
2．電子云
電子云是處于一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子在原子核外空間的__________分布的形象化描述。小點(diǎn)越密，表示概率密度越大。由于核外電子的__________分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱作電子云。
概率密度　
概率密度
四、原子軌道
量子力學(xué)把電子在原子核外的一個(gè)_____________稱為一個(gè)原子軌道。
能級(jí) 符號(hào) 電子云 形狀 空間延伸方向
s ____形 ____種
空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
球　
一　
能級(jí) 符號(hào) 電子云 形狀 空間延伸方向
p ____形 ____種(相互垂直，分別相對(duì)于x、y、z軸對(duì)稱)
d — —
f — —
啞鈴
三
[自我排查]
一、微判斷
(1)電子的運(yùn)動(dòng)與行星相似，圍繞原子核在固定軌道上高速旋轉(zhuǎn)(　　)
(2)1s電子云示意圖，一個(gè)小點(diǎn)表示一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的電子
(　　)


(3)1s電子云中小點(diǎn)的疏密表示電子在某一位置出現(xiàn)機(jī)會(huì)的多少(　　)
(4)能層序數(shù)越大，s電子云的半徑越大(　　)


二、填空
(1)根據(jù)構(gòu)造原理，試比較下列能級(jí)的能量高低(填“>”或“<”)。
①4s________3d；②6s________4f________5d。
(2)根據(jù)構(gòu)造原理，寫出下列基態(tài)原子的核外電子排布式
①2He：______________________________________；
<　
<　
<
1s2　
②8O：__________________________________________；
③10Ne：________________________________________；
④14Si：________________________________________；
⑤18Ar：________________________________________；
⑥19K：__________________________________________。
1s22s22p4
1s22s22p6　
1s22s22p63s23p2
1s22s22p63s23p6　
1s22s22p63s23p64s1
課堂篇
·
重點(diǎn)難點(diǎn)要突破
研習(xí)1　構(gòu)造原理
元素周期表中鐵元素的相關(guān)內(nèi)容如圖：
[探究活動(dòng)]
[問題探討]
1．上圖中3d64s2表示的含義是什么？
提示：3d64s2是指鐵的價(jià)層電子排布式，表示在化學(xué)變化中可能發(fā)生電子變動(dòng)的鐵的能級(jí)電子排布。
2．你能寫出鐵的電子排布式和簡(jiǎn)化電子排布式嗎？
提示：鐵的電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2；簡(jiǎn)化電子排布式為[Ar]3d64s2。
3．書寫電子排布式時(shí)，電子是不是先填滿一個(gè)能層后再開始填入下一個(gè)能層？原因是什么？鐵的電子排布式為什么不書寫成1s22s22p63s23p63d8
提示：不是；因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象，如電子按3p→4s→3d的順序而不是按3p→3d→4s的順序填充；鐵的電子排布式不能書寫成1s22s22p63s23p63d8的原因是4s能級(jí)的能量低于3d能級(jí)的能量，電子首先填充在能量低的能級(jí)。
4．鈉的電子排布式可簡(jiǎn)化為[Ne]3s1，上式方括號(hào)里的符號(hào)的意義是什么？請(qǐng)仿照鈉原子的簡(jiǎn)化電子排布式寫出硅和銅(29號(hào)元素)的簡(jiǎn)化電子排布式。
提示：[Ne]是指該部分與Ne的電子排布式相同；硅和銅的簡(jiǎn)化電子排布式分別為[Ne]3s23p2、[Ar]3d104s1。
5．依據(jù)鐵的價(jià)層電子排布式，你能寫出Al、S、Mn(25號(hào)元素)的價(jià)層電子排布式嗎？
提示：Al：3s23p1；S：3s23p4；Mn：3d54s2。
[重點(diǎn)講解]
1．構(gòu)造原理的含義
以光譜學(xué)事實(shí)為基礎(chǔ)，從氫開始，隨核電荷數(shù)遞增，新增電子填入能級(jí)的順序稱為構(gòu)造原理。在多電子原子中，電子先排在能量較低的能級(jí)上，然后依次排在能量較高的能級(jí)上。
2．構(gòu)造原理示意圖
3．“能級(jí)交錯(cuò)”現(xiàn)象
由構(gòu)造原理可知，隨核電荷數(shù)遞增，電子并不總是填滿一個(gè)能層后再開始填入下一個(gè)能層的。電子是按3p→4s→3d的順序而不是按3p→3d→4s的順序填充的，這種現(xiàn)象被稱為能級(jí)交錯(cuò)。當(dāng)出現(xiàn)d能級(jí)時(shí)，電子按(n－1)p、ns、(n－1)d的順序填充；當(dāng)出現(xiàn)f能級(jí)時(shí)，電子通常按(n－1)p、ns、(n－2)f、(n－1)d的順序填充。
4．根據(jù)構(gòu)造原理理解各能級(jí)的能量大小關(guān)系
(1)不同能層中的同種能級(jí)，能層序數(shù)越大，能量越高。例如，1s<2s<3s……，2p<3p<4p……。
(2)同一能層中，各能級(jí)之間的能量大小關(guān)系是ns(3)能層和能級(jí)都相同的各原子軌道能量相等。例如，2px＝2py＝2pz。
(4) 從第三能層開始出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象，能級(jí)交錯(cuò)的順序即為能量由低到高的順序：Ens[典例1]　下列有關(guān)能層和能級(jí)的敘述中，正確的是
(　　)
A．M能層有s、p共2個(gè)能級(jí)，有4個(gè)原子軌道
B．3d能級(jí)最多容納10個(gè)電子，3f能級(jí)最多容納14個(gè)電子
C．無論哪一能層的s能級(jí)最多容納的電子數(shù)均為2
D．任一能層都有s、p能級(jí)，但不一定有d能級(jí)
C
解析：A錯(cuò)，M能層有s、p、d共3個(gè)能級(jí)，有9個(gè)原子軌道。B錯(cuò)，從N能層開始有f能級(jí)，不存在3f能級(jí)。D錯(cuò)，K能層只有s能級(jí)，沒有p能級(jí)。
[舉一反三]
1．下列說法正確的是(　　)
A．第三能層有s、p共2個(gè)能級(jí)
B．3d能級(jí)最多容納5個(gè)電子
C．第三能層最多容納8個(gè)電子
D．無論是哪一能層的s能級(jí)，最多容納的電子數(shù)均為2
D
解析：每一能層的能級(jí)數(shù)等于該能層的序數(shù)，故第三能層有s、p、d 3個(gè)能級(jí)，故A錯(cuò)誤；s、d能級(jí)最多容納的電子數(shù)分別是2、10，故B錯(cuò)誤、D正確；每一能層最多容納的電子數(shù)為2n2，第三能層最多容納18個(gè)電子，故C錯(cuò)誤。
2．下列有關(guān)構(gòu)造原理的說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．原子核外電子填充3p、3d、4s能級(jí)的順序一般為3p→4s→3d
B．某基態(tài)原子部分核外電子的排布式為3s24s2
C．在多電子原子中，電子最后填入的能級(jí)不一定是原子最外能層上的能級(jí)
D．從第三能層開始出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象，即電子填入能級(jí)的順序與能層順序不同
B
解析：根據(jù)構(gòu)造原理判斷，A項(xiàng)正確；根據(jù)構(gòu)造原理可知，3s與4s能級(jí)之間還有3p能級(jí)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；電子最后填入的能級(jí)不一定是原子最外能層上的能級(jí)，如某些過渡元素，C項(xiàng)正確；從M能層開始，電子填入的順序是3s→3p→4s→3d……，與能層的順序不同，D項(xiàng)正確。
研習(xí)2　電子排布式
[探究活動(dòng)]
[問題探討]
1．決定電子能量高低的因素有哪些？
提示：①能層：能級(jí)符號(hào)相同時(shí)，能層序數(shù)越大，電子能量越高；②能級(jí)：在同一能層的不同能級(jí)中，s、p、d、f能級(jí)的能量依次升高；③在多電子原子中會(huì)發(fā)生能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。
2．在多電子原子中，不同能級(jí)能量高低有什么關(guān)系？1s與3d,3s與3d的能量高低如何？
提示：相同能層上不同能級(jí)能量的高低為ns3．電子排布式中各符號(hào)的意義是什么？
提示：電子排布式中各符號(hào)的意義：
4．如何書寫基態(tài)原子的電子排布式？
提示：在書寫電子排布式時(shí)，一般情況下，能層低的能級(jí)要寫在左邊，而不是按照構(gòu)造原理順序?qū)憽＠纾有驍?shù)為21的鈧的電子排布式中最后兩個(gè)能級(jí)為3d14s2，不應(yīng)寫成4s23d1。
[重點(diǎn)講解]
1．原子的電子排布式
(1)簡(jiǎn)單原子：按照構(gòu)造原埋將電子依次填充到能量逐漸升高的能級(jí)中。如14Si：1s22s22p63s23p2。
(2)復(fù)雜原子：先根據(jù)構(gòu)造原理寫出填充電子的能級(jí)，然后將同能層的能級(jí)移到一起。
如26Fe：先排列為1s22s22p63s23p64s23d6，然后將同一能層的能級(jí)排到一起，即該原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2。
(3)特殊原子：當(dāng)能量相等的軌道處于全空、全充滿或半充滿狀態(tài)時(shí)，能量相對(duì)較低，原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。
如24Cr的電子排布式的書寫：
29 Cu的電子排布式的書寫：
2．離子的電子排布式
(1)判斷該原子變成離子時(shí)會(huì)得到或失去的電子數(shù)。
(2)原子失去電子時(shí)，總是先失去最外層電子。一般來說，主族元素只失去最外層電子，而副族和第Ⅷ族元素可能還會(huì)進(jìn)一步失去內(nèi)層電子。
(3)原子得到電子形成陰離子時(shí)，得到的電子填充在最外層的能級(jí)上。
[典例2]　隱形戰(zhàn)機(jī)的核心材料是金屬鈦，我國(guó)探明鈦儲(chǔ)量世界第一，其有“第三金屬”之美譽(yù)。下列有關(guān)推斷不正確的是(　　)
A．鈦的原子序數(shù)為22
B．鈦位于元素周期表第四周期
C．基態(tài)鈦原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d4
D．鈦屬于過渡元素
C
解析：由元素周期表可知，鈦是22號(hào)元素，位于第四周期ⅣB族，A、B正確；鈦屬于過渡元素，D正確；依據(jù)構(gòu)造原理，4s能級(jí)能量低于3d能級(jí)，故應(yīng)先排滿4s能級(jí)后再排3d能級(jí)，則基態(tài)鈦原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d24s2，C錯(cuò)誤。
1．下列屬于基態(tài)原子電子排布式的是(　　)
A．1s12s1 B．1s22s12p1
C．1s22s22p63p1 D．1s22s22p63s2
[舉一反三]
D
解析：A、B、C三項(xiàng)基態(tài)原子的電子排布式應(yīng)分別為1s2、1s22s2、1s22s22p63s1。
2．(1)某元素的原子序數(shù)為33，則：
① 該元素原子的核外電子總數(shù)是________；
② 該元素原子有________個(gè)電子層，________個(gè)能級(jí)；
③ 該元素原子的電子排布式為_____________________。
(2)寫出S、Cl－的電子排布式：
①S________________；② Cl－：________________。
33　
4　
8　
1s22s22p63s23p63d104s24p3
1s22s22p63s23p4　
1s22s22p63s23p6
解析：(1)某元素的原子序數(shù)為33，原子的核外電子總數(shù)等于原子序數(shù)，則該元素原子的核外電子總數(shù)為33。根據(jù)核外電子的排布規(guī)律，可知該元素原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s24p3，則含有4個(gè)電子層，8個(gè)能級(jí)。
(2)①S的原子序數(shù)為16，核外電子數(shù)為16，核外電子排布式為1s22s22p63s23p4。
②Cl的原子序數(shù)為17，Cl－的核外電子數(shù)為18，核外電子排布式為1s22s22p63s23p6。
研習(xí)3　電子云
[探究活動(dòng)]
如圖是氘原子及1s電子云輪廓圖的繪制過程：
[問題探討]
1．電子的質(zhì)量很小，約為9.109 5×10－31 kg，原子核外電子的運(yùn)動(dòng)有何特點(diǎn)？
提示：電子的質(zhì)量很小，運(yùn)動(dòng)速度很快(接近光速)，相對(duì)于原子和電子的體積而言，電子運(yùn)動(dòng)的空間較大，因此無法準(zhǔn)確確定某一時(shí)刻電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2．圖中的小點(diǎn)是不是代表一個(gè)電子？若不是代表一個(gè)電子，那么圖中小點(diǎn)代表的是什么？
提示：氘原子只有一個(gè)電子，那么圖2中大量的小點(diǎn)不是電子本身。圖中小點(diǎn)是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象化描述。
3．電子云輪廓圖中的小點(diǎn)密度的大小是否表示電子的多少？
4．任一能級(jí)s電子云的形狀相同嗎？2p、3p電子云的形狀相同嗎？
提示：不是；它是電子出現(xiàn)的概率密度，小點(diǎn)越密，表明概率密度越大。
提示：相同，s電子云的形狀均為球形；相同，2p、3p電子云的形狀均為啞鈴形。
5．什么是原子軌道？M層共有幾個(gè)原子軌道？
提示：量子力學(xué)把電子在原子核外的一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為一個(gè)原子軌道；M層含3s、3p、3d三個(gè)能級(jí)，共9(1＋3＋5)個(gè)原子軌道。
[重點(diǎn)講解]
1．電子云
由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱作電子云。換句話說，電子云是處于一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述。
2．電子云輪廓圖
(1) 含義
繪制電子云輪廓圖的目的是表示電子云輪廓的形狀，對(duì)核外電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一個(gè)形象化的簡(jiǎn)便描述。例如，繪制電子云輪廓圖時(shí)，把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P＝90%的空間圈出來，如圖所示。
電子云輪廓圖的繪制過程
(2) s電子、p電子的電子云輪廓圖
所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是球形，同一原子的能層越高，s電子云的半徑越大，如圖所示。這是由于1s、2s、3s……電子的能量依次增高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來越向更大的空間擴(kuò)展。
同一原子的s電子的電子云輪廓圖
除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的，如p電子云輪廓圖是啞鈴形的。每個(gè)p能級(jí)都有3個(gè)相互垂直的電子云，分別稱為px、py和pz，如圖所示。p電子云輪廓圖的平均半徑隨能層序數(shù)的增大而增大。
3．原子軌道
(1) 定義
量子力學(xué)把電子在原子核外的一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為一個(gè)原于軌道。各能級(jí)的一個(gè)伸展方向的電子云輪廓圖即表示一個(gè)原子軌道。
注意：這里所說的原子軌道與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，它是量子力學(xué)描述電子在原子核外空間運(yùn)動(dòng)的主要區(qū)域。
(2) 不同能層的能級(jí)、原子軌道及電子云輪廓圖
注：d軌道和f軌道各有其名稱、形狀和取向，此處不作要求而從略。
[典例3]　下列說法正確的是(　　)
A．2p能級(jí)有3個(gè)p軌道
B．不同的原子軌道的形狀一定不同
C．同一能層的p軌道電子能量不一定高于s軌道電子能量
D．p軌道呈啞鈴形，因此p軌道上的電子運(yùn)動(dòng)軌跡呈啞鈴形
A
解析：任何能層的p能級(jí)都有3個(gè)p軌道，A項(xiàng)正確；不同能級(jí)的原子軌道的形狀可能相同，如1s、2s能級(jí)的原子軌道都是球形，只是球的半徑不同，B項(xiàng)錯(cuò)誤；同一能層的p軌道電子能量一定高于s軌道電子能量，C項(xiàng)錯(cuò)誤；電子云是處于一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述，而不是電子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
1．圖中甲、乙分別是1s電子的概率密度分布圖和電子云輪廓圖。下列說法正確的是(　　)
[舉一反三]
A．圖甲中每個(gè)小點(diǎn)表示1個(gè)電子
B．圖乙表明1s電子云輪廓圖呈球形，有無數(shù)條對(duì)稱軸
C．圖乙表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)
D．不同能層的s電子云輪廓圖的半徑相等
解析：電子云中小點(diǎn)的疏密程度描述的是電子在原子核外空間出現(xiàn)的概率大小，而非每個(gè)小點(diǎn)表示1個(gè)電子，A項(xiàng)錯(cuò)誤；由圖乙可知，1s電子云輪廓圖呈球形，有無數(shù)條對(duì)稱軸，B項(xiàng)正確；1s電子云輪廓圖為球形，球體代表1s電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P≥90%的區(qū)域，該區(qū)域外的其他區(qū)域，電子出現(xiàn)的概率較小，C項(xiàng)錯(cuò)誤；能級(jí)類別相同，能層越高，電子能量越高，電子云輪廓圖的半徑越大，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
2．3px所代表的含義是(　　)
A．px 軌道上有3個(gè)電子
B．第三能層 px 軌道有3個(gè)伸展方向
C．px 電子云有3個(gè)伸展方向
D．第三能層沿x軸方向伸展的p軌道
D
解析：符號(hào)“3px”中“3p”表示第三能層的p軌道，“x”表示原子軌道沿x軸的方向伸展。
演習(xí)篇
·
學(xué)業(yè)測(cè)試速達(dá)標(biāo)
1．下列說法中正確的是(　　)
A．1s電子云呈球形，表示電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)
B．ns能級(jí)的原子軌道圖可表示為
C．3d3表示3d能級(jí)有3個(gè)軌道
D．電子云圖中的小點(diǎn)密度大，說明該原子核外空間電子數(shù)目多
B
2．下列說法中正確的是(　　)
A．1s22s12p1表示的是激發(fā)態(tài)原子的核外電子排布
B．3p2表示3p能級(jí)有兩個(gè)原子軌道
C．同一原子中，1s、2s、3s電子的能量逐漸減小
D．同一原子中，2p、3p、4p能級(jí)中的軌道數(shù)依次增多
A
3．寫出下列原子的電子排布式：
(1)11Na：_______________________________________；
(2)16S：_________________________________________；
(3)34Se：________________________________________；
(4)20Ca：_______________________________________；
(5)26Fe：________________________________________；
(6)30Zn：_______________________________________。
1s22s22p63s1
1s22s22p63s23p4
1s22s22p63s23p63d104s24p4　
1s22s22p63s23p64s2
1s22s22p63s23p63d64s2　
1s22s22p63s23p63d104s2
4．A、B、C、D是四種短周期元素，E是過渡元素。A、B、C同周期，C、D同主族，A的原子結(jié)構(gòu)示意圖為
，B是同周期除稀有氣體外半徑最大的元素，C的最外層有三個(gè)單電子，E的價(jià)層電子排布式為3d64s2。回答下列問題：
(1) A為________(寫出元素符號(hào)，下同)；
Si　
(2) B為_________，簡(jiǎn)化電子排布式是______________；
(3) C為________，核外電子排布式是________________；
(4) D為________，價(jià)層電子排布式是________________；
(5) E原子結(jié)構(gòu)示意圖是________________________。
Na
[Ne]3s1　
P　
1s22s22p63s23p3
N　　
2s22p3
解析：A、B、C、D是四種短周期元素，由A的原子結(jié)構(gòu)示意圖可知，x＝2，A的原子序數(shù)為14，故A為Si元素；A、B、C同周期，B是同周期除稀有氣體外半徑最大的元素，故B為Na元素，C的最外層有三個(gè)單電子，C原子的3p能級(jí)有3個(gè)電子，故C為P元素；C、D同主族，故D為N元素；E是過渡元素，E的價(jià)層電子排布式為3d64s2，則E為Fe元素，據(jù)此答題。
本課結(jié)束
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