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第一章 原子結構與性質
第一節 原 子 結 構
第3課時 原子核外電子運動狀態與排布規則
人教版高中化學選必二
問題：電子分布在能級上，是類似洋蔥的殼層結構嗎？
1913年，玻爾提出氫原子模型，
電子在確定的線性軌道上繞核運行。
局限性：宏觀物體的運動規律不適用于微觀粒子
殲-20
宏觀物體 核外電子
質量 很大
速度 較慢
位移 可測
能量 可測 軌跡 可描述 （畫圖或函數描述）
很小
很快（接近光速）
位移、能量
不可同時測定
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。
1803年
道爾頓
1904年
1911年
1913年
1926～1935年
湯姆孫
盧瑟福
波爾
薛定諤
實心球模型
葡萄干面包模型
行星式模型
原子軌道模型
現代電子云模型
人類認識原子的歷史是漫長的，也是無止境的。
提出電子分層運動
電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速圓周運動。
提出原子堅實的、不可再分實心球
確認電子平均分布著正電荷的粒子，鑲嵌著許多電子，中和了正電荷，從而形成中性原子。
確認原子核發現質子
中心有一個帶正電荷的核，電子在它的周圍沿著不同軌道運轉，就像行星環繞太陽運轉一樣。
1926年奧地利物理學家薛定諤提出：可以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在玻爾假設的線性軌道上運動，而是在核外空間各處都可以出現，只是出現的概率不同。
埃爾溫·薛定諤
(Erwin Schr dinger)
任務一 概率密度與電子云
1. 概率密度
在單位空間（體積）內出現的概率。
ρ＝
P
V
氫原子1s電子的概率密度分布圖
小點：1s電子在原子核外出現的概率密度的形象描述；
小點越密,概率密度越大。
小點不是電子，小點是1s電子在原子核外出現的概率密度的形象描述，不代表電子的運動軌跡，小點越密，表明概率密度越大。由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象的稱作“電子云”。
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
任務一 概率密度與電子云
3. 電子云輪廓圖
電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。繪制電子云輪廓圖時，把電子在原子核外空間出現概率P=90%的空間圈出來。
氫原子的1s電子云輪廓繪制過程
x
y
z
電子云圖難繪制
電子云輪廓圖
任務一 概率密度與電子云
3. 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一個球形，只是球的半徑不同
p電子云的形狀是啞鈴狀的，有3個互向垂直電子云分別稱為Px、Py、Pz，能量相同，稱為簡并軌道。
方向上：互相垂直
能量上：相等
s電子的原子軌道呈球形，能層序數越大，原子軌道的半徑越大，能量越大
任務一 概率密度與電子云
4. 原子軌道
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原子軌道。一種軌道代表一種空間運動狀態。
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。
軌道數：s能級：只有1個原子軌道，呈球形；p能級: 有3個原子軌道，它們相互垂直，呈啞鈴形。
任務一 概率密度與電子云
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
①各能層：能層序數=能級個數
②各能層最多原子軌道數=能層序數的平方
③各能層最多容納電子數：2n2
任務二 基態原子核外電子排布規則
能級 s p d f
最多可容納電子數 2 6 10 14
原子軌道數 1 3 5 7
單軌道容納電子數
2 2 2 2
每個原子軌道中最多可容納兩個電子
思考：為什么一個軌道可以容納2個電子呢？這兩個電子的運動狀態有什么差異呢？
問題：回顧s、p、d、f能級所能容納的電子數，結合該能級的原子軌道數，你有什么發現？
任務二 基態原子核外電子排布規則
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
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。
任務二 基態原子核外電子排布規則
1. 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（ ↑ 和 ↓ ）表示自旋相反的電子。
思考: 一個原子中能否存在運動狀態完全相同的2個電子？
電子的運動狀態由能層、能級、原子軌道和自旋狀態四個方面共同決定，不存在運動狀態完全相同的2個電子。
思考：基態氧原子核外有幾個運動狀態？有幾種空間運動狀態？
8 5
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。
任務二 基態原子核外電子排布規則
2. 泡利原理（也稱泡利不相容原理）
3.軌道表示式（又稱電子排布圖）
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。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
1個方框表示1個原子軌道
1個箭頭表示1個電子及其自旋狀態（用“↑↓”表示兩個自旋相反的電子）
能層序數
能級符號
單電子（或未成對電子）
沒有電子的軌道稱為空軌道
通常在方框下方或上方記能級符號
填多少
任務二 基態原子核外電子排布規則
4. 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。
怎么填
70%
適用范圍：
洪特規則不僅適用于基態原子，也適用于基態離子。洪特規則適用于電子填入簡并軌道，并不適用于電子填入能量不同的軌道
基態碳原子可能的軌道表示式
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
↑
2p
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
↑
↑
1s
↑
↑
2s
↑
2p
↑
√
任務二 基態原子核外電子排布規則
5. 洪特規則特例
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。
全充滿：p6、d10、f14
體系能量較低，原子較穩定
半充滿：p3、d5、f7
全空：p0、d0、f0
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
24Cr：
只有一組全滿的簡并軌道
↑
↑
↑
3d
↑
↑
↑
4s
有兩組半滿的簡并軌道
√
體系能量較低，原子較穩定
體系能量高，原子不穩定
練習：請寫出29Cu的價層電子的軌道表示式
3d 4s
↑↓
↑↓
↑
↑↓
↑↓
↑↓
Cu
任務二 基態原子核外電子排布規則
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




A.
B.
A
C
B
3.某元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子。請寫出該元素原子的價層電子的軌道表示式 ？
O
↑↓
2s
↑
↑
↑
↓
2p
C
↑↓
2s
↑
↑
2p
任務二 基態原子核外電子排布規則
6. 能量最低原理——自然界的普適規律（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）。
影響因素：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。
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。
所有電子排布規則都需要滿足能量最低原理
知識總結
核外電子排布表示方法
能量最低原理
泡利原理
洪特規則
核外電子排布三原則
使整個原子能量最低
最多容納2e-，且自旋相反
先單獨分占，且自旋平行
原子結構示意圖
電子排布式
簡化電子排布式
價電子排布式
軌道表示式
直觀反映出核內質子數、核外電子層數及各電子層上的電子數
直觀反映能層，能級上的電子數
能直觀反映出電子的排布情況和自旋狀態
填多少
怎么填

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