高中化学 第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构第2Word格式.docx
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二、电子云与原子轨道
1.电子云
电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。
小黑点越密,表示概率密度越大。
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾,因而被形象地称为电子云。
2.电子云轮廓图
为了表示电子云轮廓的形状,对核外电子的空间状态有一个形象化的简便描述,把电子在原子核外空间出现概率90%的空间圈出来,即为电子云轮廓图。
3.电子云的形状
s电子云呈球形
p电子云呈哑铃形
4.原子轨道
(1)定义:
电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
(2)各能级所含有原子轨道数目
能级符号
ns
np
nd
nf
轨道数目
1
3
5
7
5.泡利原理和洪特规则
(1)泡利原理:
一个原子轨道最多只能容纳2个电子,且自旋状态相反。
电子自旋有顺时针和逆时针两种状态。
(2)洪特规则:
当电子排布在同一能级的不同轨道时,总是优先单独占据一个轨道,而且自旋状态相同。
2.结合电子云和原子轨道的知识,回答:
(1)电子的运动与宏观物体的运动有何不同?
(2)电子云图中的小黑点的含义是什么?
小黑点的密度表示什么?
(3)不同能层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同?
答案
(1)电子及其运动特点可概括为:
体积小、质量小、带负电;
绕核转、运动快、测不准(某时刻的位置和速度);
(离核的)距离不同、能量相异、描述几率(电子在核外空间某处出现的几率,即电子云)。
(2)小黑点是电子在原子核外出现的概率密度的形象表述。
小黑点密度越大,表明概率密度越大。
(3)不同能层的同种能级的原子轨道形状相似,但不完全相同。
只是原子轨道的半径不同,能级序数n越大,电子的能量越大,原子轨道的半径越大。
例如1s、2s、3s轨道均为球形,原子轨道半径:
r(1s)<
r(2s)<
r(3s)。
3.下列表示的是第二周期一些原子的核外电子排布图,请说出每种符号的意义及从中获得的一些信息。
答案 ①一个小方框表示1个原子轨道。
②每个原子轨道里最多容纳2个电子,且自旋状态相反,遵循泡利原理。
③当电子排在同一能级的不同轨道时,总是优先单独占据不同的轨道而且自旋状态相同,遵循洪特规则。
4.根据构造原理,29Cu的电子排布式应是1s22s22p63s23p63d94s2,但实际29Cu的电子排布式却是1s22s22p63s23p63d104s1,思考并讨论其原因。
依据此原理写出24Cr的电子排布式。
答案 有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。
因为能量相同的原子轨道在全充满(如p6和d10)、半充满(如p3和d5)和全空(如p0和d0)状态时,体系的能量较低,原子较稳定,所以Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
【例1】 对充有氖气的霓虹灯管通电,灯管发出红色光。
产生这一现象的主要原因是( )
A.电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
B.电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C.氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D.在电流的作用下,氖原子与构成灯管的物质发生反应
答案 A
解析 解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。
在电流作用下,基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高的能级,变为激发态原子,这一过程要吸收能量,不会发出红色光;
而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时,将释放能量,从而产生红光,故A项正确。
易错点分析 光是电子释放能量的重要形式之一,日常生活中的许多可见光,如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
规律总结
1.
2.
(1)电子按照构造原理排布(即电子优先排布在能量最低的能级里,然后依次排布在能量逐渐升高的能级里),会使整个原子的能量处于最低状态,此时为基态原子。
(2)不同元素的原子光谱都是特定的,在现代化学中,常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。
变式训练1 以下电子排布式是基态原子的电子排布的是( )
①1s12s1 ②1s22s12p1 ③1s22s22p63s2
④1s22s22p63s23p1
A.①②B.①③C.②③D.③④
答案 D
解析 根据构造原理,核外电子的排布总是首先占据能量较低的轨道,当能量较低轨道填满后再进入能量较高的轨道,此时整个原子能量最低,处于基态。
①中1s轨道未填满就进入2s轨道,属于激发态,②中2s轨道未填满就进入2p轨道,也属于激发态。
只有③④属于基态原子的电子排布。
【例2】 下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是( )
A.原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围,故称电子云
B.s轨道呈球形,处在该轨道上的电子只能在球壳内运动
C.p轨道呈哑铃形,在空间有两个伸展方向
D.与s电子原子轨道相同,p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大
解析 电子云是对电子运动的形象化描述,它仅表示电子在某一区域内出现的概率,并非原子核真被电子云雾所包裹,故选项A错误;
原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓,它表明电子在这一区域内出现的机会大,在此区域外出现的机会少,故选项B错误;
p轨道在空间有x、y、z3个伸展方向,故选项C错误;
由于按2p、3p……的顺序,电子的能量依次增大,电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大,电子云越来越向更大的空间扩展,原子轨道的平均半径逐渐增大。
1.不同能层的同种能级的原子轨道形状相同,只是半径不同。
能层序数n越大,原子轨道的半径越大。
2.s能级只有1个原子轨道。
p能级有3个原子轨道,它们互相垂直,分别以px、py、pz表示。
在同一能层中px、py、pz的能量相同。
3.原子轨道数与能层序数(n)的关系是原子轨道为n2个。
变式训练2 以下对核外电子运动状态的描述正确的是( )
A.电子的运动与行星相似,围绕原子核在固定的轨道上高速旋转
B.能量低的电子只能在s轨道上运动,能量高的电子总是在f轨道上运动
C.能层序数越大,s原子轨道的半径越大
D.在同一能级上运动的电子,其运动状态肯定相同
答案 C
解析 电子运动是无序的,没有固定轨道,能量低的在离核近的区域运动,能量高的在离核远的区域运动。
只有选项C正确。
三、泡利原理和洪特规则
【例3】 下列各原子或离子的电子排布式或电子排布图表示正确的是( )
A.Ca2+:
1s22s22p63s23p6
B.F-:
1s22s23p6
C.P:
最外层电子排布图为
D.Cr:
1s22s22p63s23p63d44s2
解析 解此类题一是要注意观察电子排布是否符合构造原理,二是注意是否符合泡利原理和洪特规则。
千万不要忽略了Cu、Cr等少数原子的“能量相同的原子轨道在半充满、全充满或全空状态时,体系的能量较低,原子较稳定”这种特例。
A项正确,符合核外电子排布规律;
B项错误,由核外电子排布规律,电子排完2s后应排2p轨道而不是3p轨道,正确的应为1s22s22p6;
C项错误,没有遵循洪特规则——电子在能量相同的原子轨道上排布时,应尽可能分占不同的原子轨道且自旋方向相同,正确的应为;
D项错误,忽略了能量相同的原子轨道在半充满状态时,体系的能量较低,原子轨道稳定,正确的应为1s22s22p63s23p63d54s1。
1.原子核外电子排布“两原理一规则”
(1)能量最低原理:
电子在原子轨道上的分布要尽可能地使原子的能量为最低。
(2)泡利原理:
每个原子轨道最多容纳两个电子且自旋方向必须相反。
(3)洪特规则:
当电子排布在同一能级(能量相同)的不同轨道时,总是优先单独占据一个轨道,而且自旋方向相同。
2.特别地,当同一能级上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空状态(p0、d0、f0)时,具有较低的能量和较大的稳定性。
例如,铬(24Cr)的外围电子排布是3d54s1(3d、4s能级均为半充满),而不是3d44s2;
铜(29Cu)的外围电子排布是3d104s1(3d全充满、4s半充满),而不是3d94s2,等等。
3.以铝原子为例,电子排布图中各符号、数字的意义为
变式训练3 下列电子排布图(每一个小方框表示一个原子轨道)所表示元素的原子中,其能量处于最低状态的是( )
答案 A
1.若将6C原子的电子排布式写成1s22s22px2,它违背了( )
A.能量守恒定律B.能量最低原理
C.泡利原理D.洪特规则
解析 根据洪特规则,对于基态原子的电子在能量相同的轨道上排布时,应尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同,故本题给出的电子排布式违背了洪特规则,应写为1s22s22px12py1。
2.图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是( )
解析 燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得的光能都是电子跃迁时能量以光的形式释放出来导致的,而平面镜成像则是光线反射的结果。
3.以下表示氦原子结构的化学用语中,对电子运动状态描述最详尽的是( )
A.·
·
HeB.C.1s2D.
解析 A项只能表示最外层电子数;
B项只表示核外的电子分层排布情况;
C项具体到各能层的电子数;
而D项包含了能层数、能级数以及轨道内电子的自旋方向,故该项正确。
4.下列基态原子的外围电子排布式中,正确的是( )
A.3d94s2B.3d44s2C.3d104s0D.3d84s2
解析 根据电子填入轨道的能级顺序和核外电子的排布规律,选项A应为3d104s1;
选项B应为3d54s1;
选项C应为3d84s2。
则只有选项D正确。
5.在下列各组电子构型中,__________属于基态原子,__________属于激发态原子,__________是错误的电子排布式。
A.1s22s2
B.1s22s23s2
C.1s22s22p63s23px13py13pz14s1
D.1s22s22p63s23p54s1
E.1s22s22p63s23px13py23pz1
F.1s22s22p62d53s2
答案 A、E C、D B、F
解析 基态原子是指电子填充顺序符合能量最低原理,各轨道电子排布不违背泡利原理和洪特规则的原子;
激发态原子是指电子未按轨道能量顺序填充,但各轨道电子排布不违背泡利原理和洪特规则的原子。
A项表示铍原子的基态;
E项表示硫原子的基态(还可写作3px23py13pz1或3px13py13pz2);
C项中1个3p电子激发到4s轨道上,属于激发态原子;
同理,D项中1个3p电子激发
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