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第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)
第3課時 電子云與原子軌道
泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
人類對原子結(jié)構(gòu)的認識經(jīng)歷了一個漫長的、不斷深化的過程。早在公元前 400多年，古希臘哲學家就把構(gòu)成物質(zhì)的最小單位稱為原子，但直到1803 年，英國化學家道爾頓（J.Dalton）才把原子從一個撲朔迷離的哲學名詞變?yōu)榛瘜W中具有確定意義的實在微粒，并提出了原子論。1904年，湯姆孫（J.J.Thomson）在發(fā)現(xiàn)電子的基礎上提出了原子結(jié)構(gòu)的"葡萄干布丁"模型，開始涉及原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。1911年，英國物理學家盧瑟福（E.Rutherford）根據(jù) α 粒子散射實驗提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型。在此基礎上，丹麥科學家玻爾（N.Bohr）于 1913年根據(jù)原子光譜實驗，進一步建立起核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有了更深刻的認識，從而產(chǎn)生了原子結(jié)構(gòu)的量子力學模型。
回顧人類對原子結(jié)構(gòu)的認識過程，你收到了哪些啟發(fā)？現(xiàn)代科學對原子結(jié)構(gòu)的描述究竟是怎樣的？
【思考】
1.知道原子核外電子的能級高低順序，了解原子核外電子排布的構(gòu)造原理。
2.認識基態(tài)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(guī)則等。
3.知道1～36號元素基態(tài)原子核外電子的排布。
4.知道電子的運動狀態(tài)(空間分布及能量)可通過原子軌道和電子云模型來描述。
1.通過認識原子結(jié)構(gòu)及核外電子排布，辨識微觀粒子的運動狀態(tài)不同于宏觀物體的運動狀態(tài)。(宏觀辨識與微觀探析)
2.結(jié)合原子核外電子排布規(guī)律及核外電子排布的原則建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。(證據(jù)推理與模型認知)
體會課堂探究的樂趣，
汲取新知識的營養(yǎng)，
讓我們一起 吧！
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原子核外電子的運動狀態(tài)是怎么樣的呢？
量子力學指出，一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行，而在核外空間各處都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的概率不同，可以算出它們的概率密度(ρ)分布。
1913年，玻爾提出氫原子模型，電子在線性軌道上繞核運行。
1926年，玻爾建立的線性軌道模型被量子力學推翻
一、電子云與原子軌道
1.概率密度
用P表示電子在某處出現(xiàn)的概率，V表示該處的體積，則 稱為概率密度，用ρ表示。
P
V
氫原子的1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率分布圖
小點是1s電子在原子核外出現(xiàn)外出現(xiàn)的概率密度的形象描述
小點越密，表明概率密度越大
2.電子云：
由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象的稱作“電子云”。
(1)定義：
一定空間運動狀態(tài)的電子在核外空間的概率密度分布的形象化描述
繪制電子云輪廓圖的目的是表示____________的形狀，對核外電子的_____________有一個形象化的簡便描述。繪制電子云輪廓圖時，把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P =______的空間圈出來。
電子云輪廓
空間運動狀態(tài)
90%
（2）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
s電子云輪廓圖的繪制過程
（3）電子云形狀
①s能級
以下為相同原子的s電子的電子云輪廓圖，能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？
ⅰ.不同能級s電子的電子云形狀一致，均為球形。
ⅱ.能層越高，s電子的電子云半徑越大。
為什么？
能層越高，電子的能量越大，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率越大，電子云越來越向更大的空間擴展。
②p能級
p能級的電子云輪廓圖與s能級的相同嗎？
ⅰ.p電子云輪廓圖是啞鈴狀的。
ⅱ.每個p能級都有3個相互垂直的電子云，分別稱為 px、py和 pz。
ⅲ.能層越高，p能級電子云半徑越大。
③d能級
——五個電子云
④f能級
——七個電子云
3.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(tài)稱為一個原子軌道。
常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀與取向。
【理解】也就是說，某個能級上有幾個電子云，電子就有幾種空間運動狀態(tài)，該能級就有幾個原子軌道。
電子云個數(shù)=電子空間運動狀態(tài)的種數(shù)=有電子占據(jù)的軌道數(shù)
（1）定義
能層 能級 原子軌道數(shù) 原子軌道名稱 原子軌道的形狀和取向 K 1s 1 1s 球形 ——
L 2s 1 2s 球形 ——
2p 3 2px、2py、2pz 啞鈴形 互相垂直
M 3s 1 3s 球形 ——
3p 3 3px、3py、3pz 啞鈴形 互相垂直
3d 5 …… …… ……
N 4s 1 4s 球形 ——
4p 3 4px、4py、4pz 啞鈴形 互相垂直
4d 5 …… …… …...
4f 7 …… …… ……
表1-2 不同能層的能級、原子軌道數(shù)量
（2）簡并軌道
同一能級中的多條原子軌道，其能量是相同的，稱為簡并軌道。
如3p能級的三條軌道3px、3py、3pz的能量相同，它們就屬于簡并軌道。
各軌道之間的位置關(guān)系
能級 1s 2s 2p 3s 3p 3d ......
各能級軌道數(shù) 1 1 3 1 3 5 ......
各能層軌道數(shù) 1 4 9 ......
最多容納電子數(shù) 2 8 18 ......
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(tài)是否完全相同呢？
資料卡片-電子自旋
鈉原子光譜實驗
斯特恩-蓋拉赫實驗
提出猜想 ：軌道中的單電子可能存在兩種不同的運動狀態(tài)
1925年：“電子自旋”概念的提出
只有1個最外層電子的堿金屬原子光譜會在光譜里呈現(xiàn)雙線
只有1個最外層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
二、基態(tài)原子的核外電子排布原則
1.電子自旋
（1）定義：
電子除空間運動狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋。
（2）兩種取向及表示方法：
電子自旋可以比喻成地球的自轉(zhuǎn)。
電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向。
常用方向相反的箭頭“↑”和“↓”表示自旋狀態(tài)相反的電子。
提示：①自旋是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質(zhì)量一樣的內(nèi)在屬性。
②能層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)四個方面共同決定電子的運動狀態(tài)，電子能量與能層、能級有關(guān)，電子運動的空間范圍與原子軌道有關(guān)
③一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子
能級 s p d f
原子軌道數(shù) 1 3 5 7
最多容納電子數(shù)
2 6 10 14
在一個原子軌道里,最多只能容納2個電子,且它們的自旋相反。這個原理被稱為泡利原理（也稱泡利不相容原理）。如2s2的電子排布圖為 ,不能表示為 。
填多少
2.泡利原理
能層（n） 1 2 3 4 5 符號 K L M N O 能級 s s p s p d s p d f s p d f g
軌道 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 3 5 7 9
軌道容納電子數(shù) 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 18
最多容納電子數(shù) 2 8 18 32 50 原子核外電子的排布
3.電子排布的軌道表示式
常用軌道表示式研究原子的核外電子在原子軌道中的排布。
1、用方框(或圓圈)表示原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連。
2、各軌道按照離核由近到遠，從左到右依次排列，且在方框的下方用能級符號表示軌道所屬能級。
3、用箭頭表示處于特定自旋方向的電子。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
常用軌道表示式研究原子的核外電子在原子軌道中的排布。
↑↓
1s 2s 2p 3s 3p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Al
↑
電子對
單電子(或未成對電子)
箭頭同向的單電子稱自旋平行。
↑
↑
2p
同一個原子軌道:
只有一個電子
2
1
B
1s
↑
↑↓
↑↓
2s
2p
電子對
自旋方向相反的一對電子
單電子
B 原子中: 有 對電子對，有 個單電子。
有 種空間運動狀態(tài)，有 種運動狀態(tài)不同的電子。
3
5
軌道數(shù)
電子數(shù)
1、基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占且自旋平行，稱為洪特規(guī)則。
2p3的電子排布為 ：
（1）洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子，
（2）洪特規(guī)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。
2p
↑
↑
↑
2p
↑
↓
↑
2p
↑
↑↓
不能為 ：
洪特
↑↓
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Na+
1s22s22p6
Na+
4. 洪特規(guī)則
怎么填
2p4的電子排布為
不能為
↑↓ ↑ ↓
↑↓ ↑↓
2p
使用范圍
有少數(shù)元素的基態(tài)原子的電子排布對于構(gòu)造原理有1個電子的偏差。
因為能量相同的原子軌道在全充滿、半充滿、 全空狀態(tài)時，體系的能量較低，原子較穩(wěn)定。
相對穩(wěn)定的狀態(tài)
全充滿：p6、d10、f14
半充滿:p3、d5、f7
全空:p0、d0、f0
洪特規(guī)則特例
洪特規(guī)則特例：全空、半充滿、全充滿時相對穩(wěn)定
寫出 24Cr 29Cu 電子排布式
29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1
洪特規(guī)則特例：
當軌道被電子半充滿或全充滿或全空時最穩(wěn)定，即p3、d5、f7半充滿和p6、d10、f14全充滿穩(wěn)定。
【學以致用】
(1)含義：在構(gòu)建基態(tài)原子時，電子將盡可能地先占據(jù)能量低的原子軌道，使整個原子的能量最低。（構(gòu)造原理）
(2)因素：整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定。
(3)注意：書寫軌道表示式時，常出現(xiàn)的錯誤及正確書寫。
5.能量最低原理
鐵原子的電子排布圖
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
↑
↑
↑
洪特規(guī)則
泡利原理
能量最低原理
1s
2s
2p
3p
3d
3s
4s
表示方法
原子結(jié)構(gòu)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(tài)原子核外電子排布的表示方法
——七圖式
↓
↓
↑
↑
↑
↑
S：
3p
3s
原子核外電子排布遵循的原理和規(guī)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(guī)則
電子排布式、價電子排布式
電子排布圖
原子結(jié)構(gòu)示意圖
全滿、半滿、全空相對穩(wěn)定
遵循的原理和規(guī)則
1.下列敘述正確的是(　　)
A.[Ar]3d64s2是基態(tài)鐵原子的電子排布
B.鉻原子的電子排布式:1s22s22p63s23p64s13d5
C.銅原子的外圍電子排布式是3d94s2
D.氮原子的電子排布圖是
A　　　
2.下列有關(guān)碳原子的電子排布圖中,能量最低的是(　　)
A.
B.
C.
D.
D　　　
3.下列有關(guān)原子核外電子的能量與運動狀態(tài)的說法正確的是(　　)
A.在同一原子中,2p、3p、4p……能級的電子軌道數(shù)依次增多
B.在同一能級上運動的電子,其能量一定相同
C.在同一能級上運動的電子,其運動狀態(tài)有可能相同
D.在同一原子中,1s、2s、3s、4s……能級的原子軌道的平均半徑相同
B 　　
4.下列關(guān)于硅原子的核外電子排布表示方法中,錯誤的是(　　)
A.1s22s22p63s23p2 B.[Ne]3s23p2
C. D.
C
5.(1)寫出砷的元素符號　　　　,原子中所有電子占據(jù)　　　　　個能級,共占有　　　　個軌道,核外共有　　　　個不同運動狀態(tài)的電子。
(2)寫出元素Ni的名稱　　　　,該元素在周期表的位置為第　　　　周期,第　　　　族。
(3)第四周期基態(tài)原子中未成對電子數(shù)最多的元素是　　　　,該元素基態(tài)原子的價電子軌道表示式為　　　　　　　　。
(4)第三電子層上有　　　　個能級,作為內(nèi)層最多可容納　　　　個電子,作為最外層時,最多可含有　　　　個未成對電子。
As
8
18
33
鎳
四
Ⅷ
鉻(或Cr)　
3
18
3

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