高中化学 人教版选修3第1章第1节原子结构 +基态原子的核外电子排布原子轨道教学设计教案.docx
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高中化学人教版选修3第1章第1节原子结构+基态原子的核外电子排布原子轨道教学设计教案
第一节 原子结构
第1课时 能层与能级 构造原理
[明确学习目标] 1.了解原子的诞生及人类认识原子结构的演变过程。
2.了解构造原理,知道原子核外电子的能级分布。
3.能用电子排布式表示常见元素(1~36号)原子核外电子的排布。
学生自主学习
一、原子的诞生、能层与能级
1.原子的诞生
(1)
(2)宇宙中元素的组成及含量
(3)地球的组成元素
2.能层与能级
(1)能层:
根据多电子原子的核外电子的
能量差异,将核外电子分成不同的能层,能层用n表示,n值越大,能量越高。
(2)能级
①根据多电子原子中同一能层电子的
能量也可能不同,将它们分成不同能级。
②能级用相应能层的序数和字母s、p、d、f等组合在一起来表示,如n能层的能级按能量由低到高的顺序排列为ns、np、nd、nf等。
③能层、能级与其容纳的最多电子数之间的关系
二、构造原理与电子排布式
1.构造原理
随着原子
核电荷数的递增,绝大多数元素的原子
核外电子排布遵循下列顺序:
2.电子排布式
(1)将能级上所容纳的电子数标在该能级符号的
右上角,并按照
能层从左到右的顺序排列的式子,称为电子排布式。
如:
(2)实例:
Mg、Cl、Ca的电子排布式:
Mg:
1s22s22p63s2 Cl:
1s22s22p63s23p5
Ca:
1s22s22p63s23p64s2
1.是否每个能层都有s能级?
请具体说明。
提示:
是。
任一能层的能级总是从s能级开始,如K层只有s能级,L层有s和p两个能级,M层有s、p、d三个能级,以此类推,因此每个能层都有s能级。
2.能层所包含的能级数与该能层的序数有关系吗?
举例说明。
提示:
有,是相等关系。
如:
M能层的能级数为3,分别是3s、3p、3d。
3.能层越大,能级的能量越高吗?
提示:
不是。
从构造原理示意图中可以看出能级的能量高低除了符合E(ns) 例如,E(3d)>E(4s)、E(4d)>E(5s)、E(5d)>E(6s)、E(6d)>E(7s)、E(4f)>E(5p)、E(4f)>E(6s)等。 课堂互动探究 一、能层与能级的有关规律 (1)每一能层最多可容纳的电子数为2n2(n为能层序数)。 例如: K层最多容纳2个电子;L层最多容纳8个电子;M层最多容纳18个电子;N层最多容纳32个电子…… (2)在每一个能层中,能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……(n为能层序数)。 (3)任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级数等于该能层序数,即第一(K)能层只有1个能级,第二(L)能层有2个能级,第三(M)能层有3个能级,以此类推。 (4)以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7……的2倍。 (5)英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。 例如,1s、2s、3s、4s……能级最多都只能容纳2个电子。 [即时练] 1.下列说法中不符合现代大爆炸宇宙学理论的是( ) A.我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸 B.恒星正在不断地合成自然界中没有的新元素 C.氢、氦等轻核元素是宇宙中天然元素之母 D.宇宙的所有原子中,最多的是氢元素的原子 答案 B 解析 根据现代大爆炸宇宙学理论,自然界中的元素在大爆炸中已经全部生成,但恒星间仍然存在着不同元素间的转化(核裂变和核聚变),这一过程中没有新元素(未被发现的元素)生成。 2.已知n表示能层序数,下列说法正确的是( ) A.各能级最多可容纳的电子数按s、p、d、f……的顺序依次为1、3、5、7……的2倍 B.各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束 C.各能层含有的能级数为n-1 D.各能层含有的电子数为2n2 答案 A 解析 按s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7……的2倍,A正确;任一能层的能级总是从s能级开始,且能级数等于该能层序数,B、C错误;每个能层可容纳的最多电子数为2n2,但不是一定含有2n2个电子,D错误。 二、构造原理与电子排布式 1.基态原子电子排布式的书写方法 构造原理是书写基态原子电子排布式的依据。 第一步: 按照构造原理写出电子填入能级的顺序: 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s…… 第二步: 根据各能级容纳的电子数填充电子。 第三步: 去掉空能级,并按照能层顺序排列即可得到电子排布式。 2.依据构造原理: 能级的能量顺序为np<(n+1)s 那么,电子在排满np能级后接着进入的是(n+1)s能级而不是nd能级,当nd能级上有电子时,(n+1)s能级上已填有电子,n能层已不是最外层而是次外层了,所以原子核外最外层电子不超过8个。 例如,钾(19K)的各层电子数是2、8、8、1而不是2、8、9。 同样,当电子排满nd能级后接着进入的是(n+1)p能级而不是nf能级,当nf能级上有电子时,(n+2)s能级上已填有电子,即n能层已不是次外层而是倒数第三层了,所以次外层电子不超过18个。 3.离子的电子排布式 (1)判断该原子变成离子时会得到或失去的电子数。 (2)原子失去电子时,总是从能量高的能级失去电子,即失去电子的顺序是由外向里。 一般来说,主族元素只失去它们的最外层电子,而副族和第Ⅷ族元素可能还会进一步向里失去内层电子。 (3)原子得到电子而形成阴离子,则得到的电子填充在最外一个能层的某一个能级上。 4.简化电子排布式 如K: 1s22s22p63s23p64s1,其简化电子排布式可表示为[Ar]4s1,其中[Ar]代表Ar的核外电子排布式,即1s22s22p63s23p6。 [即时练] 3.构造原理揭示的电子排布能级顺序,实质是各能级能量高低。 若以E(nl)表示某能级的能量,以下各式中正确的是( ) A.E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d) B.E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s) C.E(4s) D.E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d) 答案 B 解析 根据构造原理,各能级能量由低到高的顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s……,A项和D项正确顺序为E(4f)>E(5s)>E(3d)>E(4s);对于不同能层的相同能级,能层序数越大,能量越高,C项的正确顺序为E(4s)>E(3s)>E(2s)>E(1s)。 4.下列有关构造原理的说法错误的是( ) A.原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序为3p→4s→3d B.某基态原子部分核外电子的排布为3d64s2 C.所有基态原子的核外电子排布都遵循构造原理 D.构造原理中的电子排布能级顺序,实质是各能级能量由低到高的顺序 答案 C 解析 根据构造原理示意图判断,A项和B项正确;绝大多数基态原子的核外电子排布都遵循构造原理,但也有少数例外,如Cu和Ag,故C项错误。 构造原理中电子填入能级的顺序即各能级能量由低到高的顺序,故D项正确。 本课归纳总结 学习效果检测 1.下列说法正确的是( ) A.氢是宇宙中最丰富的元素,约占宇宙中原子总数的99.7% B.核外电子是分层排布的,各能层与能级的能量不相同 C.p能级一般容纳6个电子,最多时可容纳12个 D.1s、2s、3s、4s、5s、6s、7s因均为s能级,故能量相同 答案 B 解析 氢是宇宙中最丰富的元素,约占宇宙中原子总数的88.6%,氢、氦两元素合起来约占宇宙中原子总数的99.7%,A错误;p能级最多容纳6个电子,C错误;虽然1s、2s、3s、4s、5s、6s、7s均为s能级,但由于能层不同,故能量不相同,D错误。 2.某元素的原子序数为33,则该元素的基态原子中能量最高的电子应排布在( ) A.3s能级B.4p能级C.4s能级D.3p能级 答案 B 解析 原子序数为33的元素是As,其核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3。 3.元素A的阳离子A3+的最外层电子排布式为3d5。 那么元素A的基态原子的核外电子排布式为( ) A.1s22s22p63s23p63d8B.1s22s22p63s23p63d64s2 C.1s22s22p63s23p64s13d7D.1s22s22p63s23p64s24p6 答案 B 解析 根据元素A的阳离子A3+的最外层电子排布式为3d5可知A为Fe,故其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,B正确。 4.质子数小于18的两种元素A和B,A原子的最外层电子数为a,次外层的电子数为b;B原子的M层电子数为(a-b),L层的电子数为(a+b),请回答: (1)A元素的名称是________,B元素的元素符号是________。 (2)A离子的核外电子排布式是____________,B原子的核外电子排布式是________________。 答案 (1)氧 Si (2)1s22s22p6 1s22s22p63s23p2 解析 由B原子的M层有电子,知其L层电子必为充满,即a+b=8,而A原子次外层的电子数为b,则b只能等于2,是K层,则a等于6,故A为氧,B为硅,接下来还要注意填写名称和符号、离子和原子的核外电子排布式的区别。 第2课时 基态原子的核外电子排布 原子轨道 1.知道原子的基态和激发态的含义。 2.初步知道原子核外电子的跃迁、吸收和发射光谱,了解其简单应用。 3.了解核外电子运动的状态、电子云和原子轨道的含义。 4.知道原子核外电子的排布遵循能量最低原理。 了解泡利原理和洪特规则。 基态与激发态、光谱 1.能量最低原理: 原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态。 2.基态原子与激发态原子 3.光谱与光谱分析 (1)原子光谱: 不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光,利用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。 (2)光谱分析: 在现代化学中,利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。 1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”,并阐释错因或列举反例)。 语句描述 正误 阐释错因或列举反例 (1)日常生活中看到的灯光、焰火等可见光,都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关 (2)由基态转化为激发态过程中释放能量 (3)电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱 (4)焰色反应属于化学变化 答案: (1)√ (2)× 由基态转化为激发态过程中吸收能量 (3)× 电子从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态时,也会产生原子光谱 (4)× 焰色反应是电子跃迁的结果,其属于物理变化 2.任何元素的原子从基态到激发态都要吸收能量,从激发态到基态都要放出能量。 为什么具有焰色反应现象的元素大多为金属而不是所有元素都有焰色反应? 答案: 元素的原子从激发态到基态要放出能量,发出的电磁波的频率各不相同,只有在可见光范围的才会有焰色反应现象。 题组一 基态和激发态 1.下列电子排布式是基态原子的电子排布式的是( ) A.1s12s1 B.1s22s12p1 C.1s22s22p63s2D.1s12s12p63p1 解析: 选C。 根据构造原理,基态原子的核外电子的排布总是优先占据能量低的能级,填满后再逐一填充能量高的能级。 低能量的能级没填满就填高能量的能级的原子处于激发态。 A项,1s12s1为激发态;B项,1s22s12p1为 激发态;D项,1s12s12p63p1为激发态;只有C项处于基态。 2.当镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时,以下说法正确的是( ) A.镁原子由基态转化成激发态,这一过程中吸收能量 B.镁原子由激发态转化成基态,这一过程中释放能量 C.转化后镁原子的性质更稳定 D.转化后镁原子与硅原子电子层结构相同,化学性质相似 解析: 选A。 镁原子3s能级上的电子被激发到3p能级上,要吸收能量变为激发态原子,其性质比基态更不稳定,所以A项正确,B、C项错误;变成激发态后,Mg与Si电子层结构不同,化学性质也不相似,所以D项错误。 题组二 光谱现象与电子跃迁 3.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 解析: 选A。 在电流作用下,基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级,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。 4.(2017·高考全国卷Ⅰ)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为________nm(填标号)。 A.404.4 B.553.5 C.589.2 D.670.8 E.766.5 解析: 当对金属钾或其化合物进行灼烧时,焰色反应显紫红色,可见光的波长范围为400~760nm,紫色光波长较短(钾原子中的电子吸收较多能量发生跃迁,但处于较高能量轨道的电子不稳定,跃迁到较低能量轨道时放出的能量较多,故放出的光的波长较短)。 答案: A 电子云与原子轨道 核外电子排布规则 1.电子云 (1)电子运动的特点: 电子的质量小,运动速度快且没有规则,无法确定核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处,只能确定在原子核外各处出现的概率。 (2)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。 (3)电子云的形状: s电子云呈球形,p电子云呈哑铃形。 2.原子轨道 (1)概念: 量子力学把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)各能级所含原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 1 3 5 7 3.核外电子的排布 (1)核外电子排布规则 ①能量最低原理: 原子的电子排布遵循构造原理,能使整个原子的能量处于最低状态。 ②泡利原理: 在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反。 ③洪特规则: 当电子排布在同一能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,而且自旋状态相同。 (2)电子排布图: 用方框表示原子轨道,用不同方向的箭头表示自旋状态不同的电子的式子。 例如: 1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”,并阐释错因或列举反例)。 语句描述 正误 阐释错因或列举反例 (1)同一原子中2p、3p、4p能级轨道数依次增多 (2)基态多电子原子中,可以存在两个运动状态完全相同的电子 (3)核外电子排布的表示方法中,电子排布图最能反应电子的排布情况 (4)2p 只违背了洪特规则 答案: (1)× 不同能层中的p能级轨道数相同 (2)× 基态多电子原子中,电子的运动状态各不相同 (3)√ (4)× 2p 违背了洪特规则和泡利原理 (5)× 违背了洪特规则 2.核外电子排布的表示方法主要有哪些? 你能用这些方法表示硫原子的核外电子排布吗? 答案: 主要有四种方法,即原子结构示意图、电子排布式、简化电子排布式、电子排布图。 表示硫原子核外电子排布的各种方法如下: 原子结构示意图 电子排布式 1s22s22p63s23p4 简化电子排布式 [Ne]3s23p4 电子排布图 题组一 电子云和原子轨道 1.下列说法中正确的是( ) A.1s电子云呈球形,表示电子绕原子核做圆周运动 B.基态氢原子的电子云是圆形的 C.ns能级的原子轨道图可表示为 D.3d3表示3d能级有3个原子轨道 解析: 选C。 电子云是用小黑点表示电子在原子核外空间出现的概率,小黑点不代表电子,小黑点的疏密表示电子出现概率的大小,A项错误;基态氢原子的电子云是球形的而不是圆形的,B项错误;3d3表示第三能层d能级有3个电子,d能级有5个原子轨道,D项错误。 2.(2019·东营胜利一中高二周测)下列有关原子轨道的叙述中正确的是( ) A.氢原子的2s轨道能量较3p轨道高 B.锂原子的2s与5s轨道均为球形 C.p能级的原子轨道呈哑铃形,随着能层序数的增加,p能级原子轨道数也在增多 D.能层n=4的原子轨道最多可容纳16个电子 解析: 选B。 2s轨道能量低于3p轨道,A项错误;p能级所含原子轨道数只有3个,与能级序数多少无关,C项错误;n=4时,最多可容纳2×42=32个电子,D项错误。 题组二 核外电子排布规则及表示方法 3.(2018·高考全国卷Ⅰ)下列Li原子电子排布图表示的状态中,能量最低和最高的分别为______、______(填标号)。 A. B. C. D. 答案: D C 4.下列原子或离子的电子排布表示方法中,正确的是________,违反能量最低原理的是________,违反洪特规则的是________,违反泡利原理的是________。 ①Ca2+: 1s22s22p63s23p6 ②F-: 1s22s23p6 ④Cr: 1s22s22p63s23p63d44s2 ⑤Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 ⑥Mg2+: 1s22s22p6 解析: 根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道,而不是3p轨道,应为1s22s22p6;③中没有遵循洪特规则——电子在同一能级的不同轨道上排布时,应尽可能分占不同的轨道并且自旋状态相同;④中忽略了3d轨道在半充满状态时,体系的能量较低, 原子较稳定,应为1s22s22p63s23p63d54s1;⑦违反泡利原理,应为 。 答案: ①⑤⑥ ②④ ③ ⑦ 书写电子排布图时的“五”注意 (1)一个方框表示一个原子轨道,一个箭头表示一个电子。 (2)不同能级中的□要相互分开,同一能级中的□要相互连接。 (3)整个电子排布图中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。 (4)当□中有2个电子时,它们的自旋状态必须相反。 (5)基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。 学习小结 1.能量最低原理: 原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态。 处于最低能量的原子叫做基态原子。 2.泡利原理: 在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反。 3.洪特规则: 当电子排布在同一能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,而且自旋状态相同。 4.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。 电子云中,小黑点越密,表示电子出现的概率密度越大。 5.电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道,s能级只有一个原子轨道,p能级有三个原子轨道: px、py、pz。 课后达标检测[学生用书P55(单独成册)] 一、选择题 1.(2019·合肥高二检测)下图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是( ) 解析: 选D。 燃放焰火、霓虹灯光、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。 2.(2019·福建三明一中段考)下列电子排布式违反了泡利原理的是( ) A.硅原子的电子排布式: 1s22s22p63s13p3 B.碳原子的电子排布式: 1s22s22p2 C.钪原子的电子排布式: 1s22s22p63s23p64s3 D.铬原子的电子排布式: 1s22s22p63s23p63d44s2 答案: C 3.(2019·济宁高二检测)下列说法中正确的是( ) A.1s22s12p1表示的是激发态原子的电子排布式 B.元素的发射光谱一般是亮背景、暗线 C.基态原子的电子只能从1s跃迁到2s D.同一原子能层越高,s电子云半径越小 解析: 选A。 1s22s12p1为激发态的电子排布式,根据能量最低原理,其基态的电子排布式应为1s22s2,A正确;发射光谱是原子自身发光产生的光谱,所以是暗背景、明线,B错误;基态原子的电子可以从1s跃迁到2s、2p等,C错误;同一原子能层越高,s电子云半径越大,D错误。 4.(2019·东营胜利一中高二周测)对原子核外电子运动的描述方法正确的是( ) A.根据一定的数据计算出它们某一时刻所在的位置 B.用一定仪器测定或描述出它们的运动轨道 C.核外电子的运动有确定的轨道 D.核外电子的运动根本不具有宏观物体的运动规律,只能用统计规律来描述 答案: D 5.(2019·长春高二检测)下列描述碳原子结构的化学用语正确的是( ) A.碳12原子: C B.原子结构示意图: C.原子核外能量最高的电子云图像: D.原子的电子排布图: 解析: 选C。 元素符号的左下角表示质子数,左上角表示质量数,则碳12原子可表示为 C,A错误;碳原子结构示意图为 ,B错误;碳原子核外能量最高的电子在p能级,电子云呈哑铃形,C正确;根据核外电子排布规则可知,该原子的电子排布图为 ,D错误。 6.已知锰的核电荷数为25,以下是一些同学绘制的基态锰原子核外电子的电子排布图,其中能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是( ) 解析: 选D。 选项A、B中E(3d)<E(4s),违反了能量最低原理;洪特规则指出: 电子排布在同一能级的不同轨道时优先单独占据一个轨道,且自旋方向相同,选项C中虽然单独占据一个轨道但自旋方向不相同。 7.下列对核外电子运动状态的描述正确的是( ) A.电子的运动与行星的运动相似,围绕原子核在固定的轨道上高速旋转 B.能层数为3时,有3s、3p、3d、3f四个轨道 C.氢原子中只有一个电子,故氢原子只有一个轨道 D.在同一能级上运动的电子,其运动状态肯定不同 解析: 选D。 A项,质量很小的电子在做高速运动时,其运动规律跟普通物体不同,没有固定的运动轨道。 B项,第三能层只有3s、3p、3d三个能级,而3s能级有1个轨道、3p能级有3个轨道、3d能级有5个轨道,故第三能层有9个轨道。 C项,氢原子中只有1个电子,只填充1s轨道,但还存在其他空轨道。 D项,电子的运动状态与能层、能级、原子轨道和自旋状态有关,在同一原子内部没有两个电子存在完全相同的运动状态。 8.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能级的原子轨道呈球形,处在该轨道上的电子只能在球壳内运动 C.p能级的原子轨道呈哑铃形,随着能层的增加,p能级原子轨道也增多 D.与s能级原子轨道相同,p能级原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大 解析: 选D。 A项,电子云只是一种对核外电子运动的形象描述;B项,核外电子并不像宏观物体的运动那样具有一定的轨道;C项,p能级在任何能层均只有3个轨道。 9.(2019·东营胜利一中高二周测)科学研究证明: 核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关,还与核外电子的数目及核电荷数有关。 氩原子与硫离子的核外电子排布相同,
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