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第一節 原子結構
第一章 原子結構和性質
第三課時
原子軌道、泡利原理、洪特規則、能量最低原理
學習目標
1.知道電子的運動狀態(空間分布及能量)可通過原子軌道和電子云模型來描述。
2.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，
3.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。
宏觀物體與微觀物體（電子）的運動有什么區別
宏觀物體 微觀粒子
質量 很大 很小
速度 較慢 很快（接近光速）
位移 可測 位移、能量
不可同時測定
能量 可測 軌跡 可描述 （畫圖或函數描述） 不可確定
1920年，海森堡提出著名的海森堡測不準原理：
無法同時精確測量某個電子在某一時刻的位置和動量
【思考與討論】
1.概率密度 ρ =
（電子在某處出現的概率）
（該處的體積）
氫原子1s電子的
概率密度分布圖
—— 核外電子的概率密度分布（看起來像一片云霧）
四、電子云
（1）定義：電子云是處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率分布的形象化描述。
2.電子云
①小黑點表示電子在原子核外出現的概率密度。
②小點越密，表明概率密度越大。
③電子云圖很難繪制，使用不方便，故常使用電子云輪廓圖。
（2）注意：
將電子在原子核外空間出現的概率P＝90% 的空間圈出來，繪制電子云的輪廓圖，便可描繪電子云的形狀。
氫原子的1s電子云輪廓繪制過程
x
y
z
3.電子云輪廓圖
相同原子的s電子的電子云輪廓圖
規律：①不同能級s電子的電子云形狀一致，均為球形。
②能層越高，s電子的電子云半徑越大。
原因：由于電子能量依次增高，電子在離核更遠的區域出現的概率增大，電子云越來越向更大的空間擴展
(1)s電子云輪廓形狀
注意：
①p電子云輪廓圖是啞鈴形的，每個p能級有3個相互垂直的電子云，分別以px、py、pz表示，右下角標x、y、z分別是P電子云在直角坐標系的取向。
②在同一能層中px、py、pz的能量相同。
③ p電子云輪廓圖的平均半徑隨n增大而增大。
px、py、pz的電子云輪廓圖
(2)P電子云輪廓形狀
1.定義：
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__________。
2.表示：常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向。
各能級的一個伸展方向的電子云輪廓圖即表示一個原子軌道。
（1）s能級：只有____個原子軌道，呈_______
球形
原子軌道
1
五、原子軌道
3.軌道數：
x
y
z
啞鈴形
（2）p能級: 有____個原子軌道，相對于x、y、z軸_____，它們相互垂直， 呈_______，3個P原子軌道的能量相同。
對稱
3
3、軌道數：
同一能級中能量相同的原子軌道稱為簡并軌道。所以p能級有3個簡并軌道 px、py、pz。
d能級原子軌道（5個）
f 能級原子軌道（7個）
不同能層的能級、原子軌道及電子云輪廓圖
能層 能級 原子軌道數 原子軌道名稱 電子云輪廓圖的性質與取向 形狀 取向
K 1s 1 1s 球形
L 2s 1 2s 球形
2p 3 2px、2py、2pz 啞鈴形 相互垂直
M 3s 1 3s 球形
3p 3 3px、3py、3pz 啞鈴形 相互垂直
3d 5 …… …… ……
4
9
2
3
N 4s 1 4s 球形
4p 3 4px、4py、4pz 啞鈴形 相互垂直
4d 5 …… …… ……
4f 7 …… …… ……
4
16
小結：原子軌道的特點
1.s原子軌道是球形的，p原子軌道是啞鈴形的；
2.能層序數n越大，原子軌道的半徑越大；
3.不同能層的同種能級的原子軌道形狀相似，只是半徑不同；相同能層的同種能級的原子軌道形狀相似，半徑相同，能量相同，方向不同；
4. s能級只有一個原子軌道；p能級有3個原子軌道，互相垂直，可分別以px、py、pz表示，能量相等。如2px、2py、2pz軌道的能量相等。
5.原子軌道數與能層序數(n)的關系：原子軌道數目＝n2
課堂練習1：下列有關電子云和原子軌道的說法正確的是(　　)
A．原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云
B．s能級的原子軌道呈球形，處在該軌道上的電子只能在球殼內運動
C．與s電子原子軌道相同，p電子原子軌道的平均半徑也隨能層的增大而增大
D．基態原子電子能量的高低順序為E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz)
C
課堂練習2：下列說法正確的是（ ）
A. 不同的原子軌道形狀一定不相同
B. p軌道呈啞鈴形，因此p軌道上的電子運動軌跡呈啞鈴形
C. 2p能級有3個p軌道
D. 氫原子的電子運動軌跡呈球形
C
課堂練習3：下列對核外電子運動狀態的描述正確的是(　　)
A．電子的運動與行星的運動相似，圍繞原子核在固定的軌道上高速旋轉
B．能層數為3時，有3s、3p、3d、3f 四個軌道
C．氫原子中只有一個電子，故氫原子只有一個軌道
D．在同一能級上運動的電子，其能量肯定相同
D
能層數 K L M N O P Q n
能級數 1 2 3 4 5 6 7
軌道數 1 4 9 16 25 36 49
最多容納電子數 2 8 18 32 50 72 98
【思考】為什么每個原子軌道中最多可容納2個電子？
這2個電子的運動狀態又是什么樣呢？
n
n2
2n2
1、電子自旋
(1)定義：1925年，烏倫貝克和哥德斯密根據實驗事實提出假設：電子除空間運動狀態外，還有一種狀態叫做自旋。
(2)兩種取向及表示方法：
電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭（ “↑”“↓” ）表示自旋相反的電子。
六、核外電子排布規律
（3）注意：
①自旋是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質量一樣的內在屬性。
②能層、能級、原子軌道和自旋狀態四個方面共同決定電子的運動狀態，電子能量與能層、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。
每個原子軌道里最多只能容納 個電子，且自旋狀態 。這個原理被稱為泡利原理（也稱泡利不相容原理）。
2
相反
能級 s p d f
原子軌道數
最多容納電子數
填多少
如2s軌道上的電子排布為 ， 不能表示為 。
1
7
5
3
2
14
10
6
2．泡利原理
3．電子排布的軌道表示式(電子排布圖)
(1) 軌道表示式（又稱電子排布圖）是表述電子排布的一種圖式。
(2)表示方法：用方框（也可用圓圈）表示原子軌道，能量相同的原子軌道（簡并軌道）的方框相連，箭頭（↑或↓）表示一種自旋狀態電子。
如：氫和氧的基態原子的軌道表示式為
↑
1s
H
O
2s
2p
1s
↑
↑↓
↑
↑↓
↑↓
通常應在方框下方或上方標記能級符號
不要標記電子數
電子對
單電子（未成對電子）
（3）軌道表示式中各符號數字的意義：
鋁原子外層有 個電子對，有 個單電子。
電子有 種空間運動狀態，有 種運動狀態不同的電子。
13
1
7
6
【注意】①電子的空間運動狀態指的是原子軌道；
②一個原子中不可能存在運動狀態完全相同的2個電子。
怎么填
4．洪特規則
當電子排布在同一能級的不同軌道時，基態原子中的電子總是 占
據一個軌道，且自旋狀態 。
如2p3的電子排布為 ，不能表示為 或 。
洪特規則特例：當能量相同的原子軌道在 (p6、d10、f14)、 (p3、d5、f7)和 (p0、d0、f0)狀態時，體系的能量最低。
優先單獨
全滿
半滿
全空
能量相同的軌道（簡并軌道）
相同
如：24Cr的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。
29Cu的電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
注意： ①洪特規則不僅適用于基態原子，也適用于基態離子。
②洪特規則是針對電子填入簡并軌道而言的，并不適用于電子填入
能量不同的軌道。
練習：(1)下列軌道表示式中哪個是硼的基態原子 為什么
(2)下列軌道表示式中哪個是氧的基態原子 為什么

違背了泡利原理

BC選項 違背了洪特規則
（1）內容：在構建基態原子時，電子將盡可能占據能量最低的原子軌道,使整個原子的能量最低，這就是能量最低原理。
（2）能級的能量高低順序：如構造原理所示(對于1～36號元素來說，應重點掌握和記憶“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”這一順序)。
（3）整個原子的能量：
由核電荷數、電子數和電子狀態三個因素共同決定。
5．能量最低原理
提示　氦原子核外有2個電子，根據能量最低原理和泡利原理，基態氦原子的2個電子以自旋相反的形式填充在能量最低的1s軌道中，且1s軌道和2s軌道能量相差較大，所以基態氦原子不會出現2個電子單獨分占1s、2s軌道的情況。
1.為什么基態氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1
思考與討論
2.為什么基態氮原子的軌道表示式是 ，而不是
提示　根據洪特規則，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。
？
思考與討論
提示　根據泡利原理，每個原子軌道上最多容納2個電子。
3.為什么基態Sc的價層電子排布是3d14s2，而不是4s3
思考與討論
26Fe
↑↓
4s
↑↓
↑
↑
3d
↑
↑
課堂練習4：寫出鐵原子、亞鐵離子、鐵離子的價電子軌道表示式。
Fe3+
Fe2+
↑↓
↑
↑
3d
↑
↑
↑
↑
↑
3d
↑
↑
3d6
3d5
電子的填入順序與失去順序并非完全相反。
原子核外電子排布遵循的原理和規則
原子核外電子排布的表示式
能量最低原理
泡利原理
洪特規則
電子排布式、價電子排布式
電子排布圖
原子結構示意圖
全滿、半滿、全空相對穩定
遵循的原理和規則
學習小結
專題：原子核外電子排布的表示方法
原子(離子)結構示意圖 意義 將每個能層上的電子總數表示在原子核外的式子
實例
電子 排布式 意義 用數字在能級符號右上角標明該能級上排布的電子數
實例 Al：1s22s22p63s23p1
簡化 電子 排布式 意義 為了避免電子排布式書寫過于繁瑣,把內層電子達到稀有氣體結構的部分以相應稀有氣體的元素符號外加方括號表示
實例 Al：[Ne] 3s23p1
價電子 排布式 意義 主族元素的價層電子指最外層電子,價層電子排布式即外圍電子排布式,副族元素還包括次外層的d電子及次次外層的f電子
實例 Al：3s23p1；
Cu：3d104s1
軌道 表示式（電子排布圖） 意義 每個方框代表一個原子軌道,每個箭頭代表一個電子
實例 Al
專題：原子核外電子排布的表示方法
表示方法
原子結構示意圖
電子式
電子排布式
簡化電子排布式
價電子排布式
電子排布圖
價電子排布圖
以硫(S)為舉例
S：1s22s22p63s23p4
[Ne]3s23p4
S：3s23p4
基態原子核外電子排布的表示方法
S：
——七圖式
量子力學的發展
19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的。
第一排：歐文·朗繆爾、馬克斯·普朗克、瑪麗·居里、亨得里克·洛侖茲、阿爾伯特·愛因斯坦、保羅·朗之萬、Ch.
E. Guye、C.T.R.威爾遜、O.W.里查森
第二排：彼得·德拜、馬丁·努森、威廉·勞倫斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保羅·狄拉克、亞瑟·康普頓、路易·德布羅意、馬克斯·波恩、尼爾斯·玻爾
第三排：奧古斯特·皮卡爾德、E. Henriot、保羅·埃倫費斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、歐文·薛定諤、E. Verschaffelt、沃爾夫岡·泡利、沃納·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里淵
1927年 第五屆索爾維會議
課外拓展
課堂練習6：寫出15P、25Mn的軌道表示式，并按要求填空。
15P：____________________________________________，
有_____對電子對，有______個單電子。
25Mn：___________________________________________________________________，
有 種空間運動狀態，有 個單電子，屬于半充滿。
6
3
15
5
課堂練習5：以下表示氦原子結構的化學用語中，對電子運動狀態描述最詳盡的是( )
A. B. C.1s2 D.
D
課堂練習7：按要求填空。
(1)17Cl的電子排布式：__________________________。
(2)17Cl的價電子排布式：_________________________。
(3)17Cl－的電子式：___________。
1s22s22p63s23p5
3s23p5
(4)17Cl的價電子軌道表示式：__________________。
(5)17Cl的原子結構示意圖：________。
(6)第四周期中最外層只有1個電子的所有基態原子的簡化電子排布式：______________________________。
[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1
課堂練習8：某元素原子序數為24，試問：
(1)該元素電子排布式：
1s2 2s22p6 3s23p63d5 4s1
(2)它有 個能層； 個能級；占有 個原子軌道。
(3)此元素有 個未成對電子；它的價電子數是 。
6
4
7
15
6
(4)此元素有 種不同運動狀態的電子；有 種不同能量的電子。
24
7
課堂練習8：真題填空：
(1)[2021·全國甲卷，35(1)節選]太陽能電池板主要材料為單晶硅或多晶硅。
Si的價電子層的電子排布式為________。
3s23p2
(2)[2021·廣東，20(1)]基態硫原子價層電子排布式為_______。
3s23p4
(3)[2021·海南，19(1)]基態錳原子的價層電子排布式為_______。
3d54s2
(4)[2021·湖南，18(1)節選]基態硅原子最外層的軌道表示式為______________。
(5)[2021·山東，16(1)]基態F原子核外電子的運動狀態有___種。
9

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