高中化学人教版 (2019)选择性必修2第一节 原子结构第3课时学案设计

第3课时　电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、

能量最低原理

必备知识·自主学习

一、 电子云

1．电子运动的特点

现代量子力学指出，不可能像描述宏观物体运动那样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。用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则P/V称为概率密度，用ρ表示。

2．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，因而被形象地称作电子云。

(1)电子云中的一个小黑点表示一个电子。(　×　)

提示：小黑点的疏密表示概率密度大小。

(2)所有原子的电子云均为球形。(　×　)

提示：只有s能级中电子的电子云为球形。

二、原子轨道

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。因此常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。

不同能层的能级、原子轨道

(1)同一原子的不同能层的s电子云半径是否相同？为什么？

提示：同一原子能层越高，s电子云半径越大，是由于电子能量越大，电子在离核更远的区域出现的概率越大，电子云越向更大的空间扩散。

(2)ns、np、nd、nf能级各有几个轨道？能层序数n与该层轨道数的关系是什么？

提示：ns、np、nd、nf能级各有1、3、5、7个轨道，n能层轨道数＝n2。

三、核外电子排布规则与轨道表示式

1．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，这个原理称为泡利原理。

2．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，而且自旋平行。

3．能量最低原理：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。

4．轨道表示式：

在轨道表示式中，用方框(也可用圆圈)表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连，箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)。

(1)基态氮原子的轨道表示式为

。(　×　)

提示：违背了洪特规则，2p轨道上的三个电子应分占三个轨道且自旋方向相同。

(2)某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了能量最低原理。(　×　)

提示：违背了泡利原理，每个轨道最多可容纳2个电子，p轨道最多容纳6个电子。

关键能力·合作学习

知识点一　电子云与原子轨道

1．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。

2．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。

3．不同能层对应的能级和原子轨道

(1)同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数目相同吗？半径一样吗？

提示：2p、3p、4p的轨道相同，均为三个，半径依次增大。

(2)(情境应用)d能级轨道呈梅花形，在空间坐标轴中形状如下图：

d能级共有几个轨道？最早出现d能级的是哪个能层？

提示：d能级有5个轨道，M能层最早出现d能级。

(3)4f能级有7个轨道，则其电子云在空中有几种伸展方向？

提示：7种。

【典例】(2021·武汉高二检测)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．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大

D．基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz)

【解析】选C。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，故A错误；s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故B错误；离原子核越远的电子，其能量越大，所以p原子轨道电子的平均半径随能层的增大而增大，故C正确；2px、2py、2pz轨道是3个不同的原子轨道，空间伸展方向不同，3个轨道上的电子的运动状态不同，但同一能级上的原子轨道具有相同的能量，所以基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＝E(2py)＝E(2pz)，故D错误。

【母题追问】(1)2px、2py、2pz的电子云形状和大小相同吗？

提示：相同。

(2)下列能级含有7个原子轨道的是________。

①7s　　 ②7d　　 ③5f　　 ④7p

提示：③。

能层中能级与原子轨道关系

说明：①同一能级不同轨道能量相同，如：3px、3py、3pz具有相同的能量，4px、4py、4pz则具有另外相同的能量。

②任意能层中，能级数等于能层序数(n)，原子轨道总数为n2，如N层有4s、4p、4d、4f 4个能级，16个原子轨道。

1．(2021·衡水高二检测)如图甲是氢原子的1s电子云图(即概率密度分布图)，图乙、丙分别表示s、p能级的电子云轮廓图。下列有关说法正确的是(　　)

A.电子云图(即概率密度分布图)就是原子轨道图

B．3p2表示3p能级中有两个原子轨道

C．由图乙可知，s能级的电子云轮廓图呈圆形，有无数条对称轴

D．由图丙可知，p能级的原子轨道图呈哑铃形，且有3个伸展方向

【解析】选D。电子云轮廓图与电子云图不是同一个概念，而是我们常说的原子轨道图，A项错误；3p2表示3p能级中容纳了两个电子，B项错误；s能级的电子云轮廓图呈球形而不是圆形，C项错误；p能级的原子轨道图呈哑铃形，有px、py、pz三个伸展方向，并且互相垂直，D项正确。

2．(2021·福州高二检测)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．电子云图中的小黑点密度大，说明该原子核外空间电子数目多

C．3d3表示3d能级有3个轨道

D．ns能级的原子轨道图可表示为

【解析】选D。电子云表示电子在核外空间某处出现的机会，不代表电子的运动轨迹，故A错误；小黑点的疏密表示电子出现机会的多少，密则机会大，疏则机会小，故B错误；3d3表示3d能级有3个电子，故C错误；ns能级的电子云呈球形，所以可以用该图表示该能级的原子轨道，故D正确。

知识点二　核外电子排布规律与表示方法

1．核外电子排布规律

基态原子的核外电子排布规律应遵循：

(1)泡利原理：每个能级最多容纳2个自旋方向相反的电子。

(2)洪特规则：同能级电子优先单独占据一个轨道，且自旋平行。

(3)能量最低原理：遵循构造原理，优先占据能量较低的轨道，使原子总能量最低。

(4)特殊性

有少数元素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。如

2．核外电子排布的表示方法

(1)电子排布式：

①电子排布式。如K原子的电子排布式：

1s22s22p63s23p64s1。

②简化的电子排布式。

如K原子简化的电子排布式：[Ar]4s1。

(2)轨道表示式

每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子。如N的轨道表示式：

(1)当碳原子的核外电子排布由基态转变为激发态时，能量变化如何？

提示：碳原子要从外界环境中吸收能量完成向高能级的跃迁。

(2)在d轨道中电子排布成，而不排布成，其最直接的根据是什么？

提示：洪特规则。

【典例】下列有关电子排布式、原子结构示意图以及电子排布图正确的是

(　　)

A．Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d44s2

B．As的价电子排布图：

C．Fe的原子结构示意图：

D．Mn2＋的价电子排布图：

【解题指南】解答本类试题应注意以下几点：

(1)注意观察电子排布是否符合构造原理。

(2)注意分析电子排布是否符合泡利原理和洪特规则。

(3)不要忽略Cu、Cr等少数原子“半充满”或“全充满”较稳定的特例。

(4)过渡元素的原子结构示意图不能仅仅依靠初中所学知识解决，应该先写出电子排布式，再据此写出电子排布图。

【解析】选D。根据洪特规则特例，Cr的电子排布式应为1s22s22p63s23p63d54s1，A错误；根据洪特规则，As的4p轨道的三个电子应该分占不同轨道，且自旋方向相同，B错误；根据铁的电子排布式1s22s22p63s23p63d64s2可知铁的原子结构示意图为，C错误；Mn的价电子排布式为3d54s2，由于原子失去电子时先失最外层电子，所以Mn2＋的价电子排布为3d5，电子排布图为，D正确。

【母题追问】(1)电子排布式的书写顺序＝电子排布顺序吗？为什么？

提示：电子排布式的书写顺序≠电子排布顺序。

电子进入能级的顺序是按构造原理中能级的能量递增的顺序，而电子排布式的书写规则是按能层的顺序，能层中的能级按s、p、d、f的顺序排布。

(2)价电子排布式等于最外层电子排布式吗？举例说明。

提示：不等于。 价电子是原子在参与化学反应时能够用于成键的电子，是原子核外跟元素化合价有关的电子。在主族元素中，价电子数就是最外层电子数。副族元素原子的价电子，除最外层电子外，还可包括次外层电子。例如：Mn的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，价电子排布式为3d54s2。

核外电子排布常见错误

(1)在写基态原子的电子排布式时，常出现以下错误：

①(违反能量最低原理)

②(违反泡利原理)

③(违反洪特规则)

(2)当出现d轨道时虽然电子按ns、(n－1)d、np的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把(n－1)d放在ns前，即将能层低的能级写在前面，而不能按填充顺序写，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2。

(3)注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价电子排布式的区别与联系。如Cu的电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1；简化电子排布式：[Ar] 3d104s1；价电子排布式：3d104s1。

1．(2021·成都高二检测)下列各项叙述错误的是(　　)

A．如果硫原子轨道表示式为

，则违反了泡利原理

B．如果25号Mn元素的基态电子排布式为

1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理

C．氦原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利原理

D．泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求

【解析】选A。所画的轨道表示式中3p能级，在等价轨道(相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，违背了洪特规则，故A错误；因为4s轨道能量比3d轨道能量还低，所以25号Mn元素的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d7违反了能量最低原理，应该为1s22s22p63s23p63d54s2，故B正确；氦原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利原理，故C正确；泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求，故D正确。

2．(2021·武昌高二检测)下列描述碳原子结构的化学用语正确的是(　　)

A．碳­12原子：

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。

3．微粒的核外电子排布的表达方式有多种：

Na＋的电子式：Na＋

Na＋的结构示意图：；

Na＋的电子排布式：1s22s22p6；

Na＋的轨道表示式：。

哪种表达方式包含信息更多？

提示：轨道表示式包含能层、能级、电子自旋方向等信息。

【补偿训练】

下列氮原子的电子排布图中，属于激发态，且能量最高的是(　　)

【解析】选D。A为基态原子的电子排布，能量最低，与基态原子相比有更多电子跃迁到能量更高的轨道，则该激发态原子的能量最高，故选D。

三言两语话重点

1．记住2个形状：球形——s电子云；哑铃形——p电子云。

2．掌握3个关系：电子云形状——与能级相关；电子云大小——与能层相关；原子轨道数目——与伸展方向有关。

3．会用三个原理和规则：泡利原理、洪特规则及特例、能量最低原理。

4．会写三式一图：电子排布式、价电子式、轨道表示式、原子结构示意图。

课堂检测·素养达标

1．(2021·广州高二检测)下列化学符号能表示明确的一个原子轨道的是(　　)

A．3s   B．px   C．4d   D．5f

【解析】选A。3s能表示一个明确的原子轨道，A正确；px未明确能层，所以原子轨道不明确，B错误；4d、5f分别表示5个轨道和7个轨道，C、D均错误。

2．(2021·德州高二检测)下列说法中不正确的是(　　)

A．电子在3px与3pz轨道上的运动状态不相同

B．1s22s12p2p2p违背了洪特规则，是激发态原子的电子排布式

C.原子结构示意图为的原子，核外电子云有两种不同形状

D.基态Ni原子的价电子排布图为

【解析】选B。3px与3pz轨道上的电子运动状态不相同，A正确；1s22s12p2p2p是违背了能量最低原理，B错误；原子结构示意图为的原子的核外电子排布式为1s22s22p4，只有s、p两种能级，故只有两种不同形状的电子云，C正确；符合基态Ni原子的价电子排布，D正确。

【补偿训练】

(2021·成都高二检测)下列有关说法正确的是(　　)

A．每个能层s能级的原子轨道的形状相同，能层序数越大，轨道半径越大，电子能量越高

B．原子核外电子云是核外电子运动后留下的痕迹

C．教材中说“核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云”，这说明原子核外电子云是实际存在的

D．每个能层都有p能级，p能级都有3个原子轨道

【解析】选A。每个能层s能级的原子轨道的形状相同，能层序数越大，轨道半径越大，电子能量越高，故A正确；电子云表示的是电子在核外某处出现的概率，不是电子运动后留下的痕迹，故B错误；电子云是电子在核外运动的概率密度分布的形象化描述，实际不存在，故C错误；第一能层没有p能级，故D错误。

3．(2021·孝感高二检测)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。电子运动不是围绕原子核在固定的轨道上高速旋转，只是在某个区域出现的概率大些，故A错误；能层数为3时，只有3s、3p、3d轨道，故B错误；氢原子有多个轨道，只有一个轨道上有电子，其他轨道为空轨道，故C错误；同一能级上的同一轨道上最多排两个电子，两个电子的自旋方向不同，则其运动状态肯定不同，所以在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同，故D正确。

4．(2021·潍坊高二检测)下列硼原子轨道表示式表示的状态中，能量最高的是

(　　)

【解析】选A。原子核外电子排布中，如果电子所占的轨道能级越高，该原子能量越高，根据图知，电子排布能量较高的是2s、2p能级，则能量最高的是2p轨道，有3个电子，C和A相比，C符合洪特规则能量更低，所以能量最高的是A。

5．(2021·泉州高二检测)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轨道表示式，其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是(　　)

【解析】选D。锰是25号元素，其原子核外有25个电子，A违反洪特规则，故A错误；B违反泡利原理，故B错误；C违反洪特规则，故C错误；D符合泡利原理和洪特规则，故D正确。

素养新思维

6．(2021·河北选择考节选)KH2PO4晶体具有优异的非线性光学性能。我国科学工作者制备的超大KH2PO4晶体已应用于大功率固体激光器，填补了国家战略空白。回答下列问题：

(1)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排布相同的是______(填离子符号)。

(2)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用＋表示，与之相反的用－表示，称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子，其价电子自旋磁量子数的代数和为__________。

【解析】(1)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，其中核外电子排布相同的是K＋和P3－ 。

(2)基态磷原子的价电子排布式为3s23p3，其中3s轨道的2个电子自旋状态相反，自旋磁量子数的代数和为0；3p轨道3个电子的自旋状态相同，基态磷原子的价电子自旋磁量子数的代数和为＋或－。

答案：(1)K＋、P3－　(2)＋或－