高中化学第一节 原子结构第2课时学案及答案

基础课时2　电子云与原子轨道　泡利原理、洪特规则、能量最低原理

一、电子云与原子轨道

1．电子云

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。

2．电子云轮廓图

为了表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动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P＝90%的空间圈出来，即电子云轮廓图。

3．原子轨道

(1)定义：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)形状

①s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。

②除s电子云外，其他电子云轮廓图都不是球形的。例如，p电子云轮廓图是呈哑铃状的。

(3)各能级所含有原子轨道数目

微点拨：原子轨道与能层序数的关系

(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。如：

同一原子的s电子的电子云轮廓图

(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。

　电子云图中的小点是否代表电子？电子云是否代表电子的运动轨迹？

提示：电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子真实出现的次数。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，不代表电子的实际运动轨迹，小点的疏密表示电子在核外空间出现的概率密度的大小，小点越密，表示电子出现的概率密度越大。

　下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是(　　)

A．原子核外的电子像一片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

D　[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密度，并非原子核真被电子云雾所包裹，故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概率大，在此区域外出现的概率小，故B错误；p轨道在空间有x、y、z 3个伸展方向，故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，故D正确。]

二、泡利原理、洪特规则、能量最低原理

1．电子自旋与泡利原理

(1)自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性，电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。

(2)泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反。

2．电子排布的轨道表示式

(1)在轨道表示式中，用方框(或圆圈)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)。

(2)表示方法：以铝原子为例，轨道表示式中各符号、数字的意义为

微点拨：通常应在方框下方或上方标记能级符号，有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。

3．洪特规则

(1)内容：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。

(2)特例

在简并轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较大的稳定性。

相对稳定的状态

如24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2。

微点拨：洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。

4．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。

微点拨：能级的能量高低顺序如构造原理所示(对于1～36号元素来说，应重点掌握和记忆“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”这一顺序)。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占满1个轨道，然后再占据其他原子轨道。              (×)

(2)C的电子排布式1s22s22p违反了洪特规则。 (√)

(3) 违背了泡利原理。 (×)

(4)在d轨道中电子排布成，而不排布成，遵循的是洪特规则。 (√)

　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

③

④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2

⑤Fe：1s22s22p63s23p63d64s2

⑥Mg2＋：1s22s22p6

⑦

[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；⑦中违反泡利原理。

[答案]　①⑤⑥　②④　③　⑦

20世纪20年代以来，现代模型(电子云模型)认为电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理学家海森堡在1926年提出的著名的不确定性原理。

[问题1]　电子云图中的小点的含义是什么？小点的密度表示什么？

提示：小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点密度越大，表明概率密度越大。

[问题2]　电子在原子核外出现的概率有什么规律？

提示：离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云疏散。

[问题3]　不同能层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同？

提示：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原子轨道均为球形，原子轨道半径：r(1s)＜r(2s)＜r(3s)。

1．宏观物体的运动与微观电子的运动对比

(1)宏观物体的运动有确定的运动轨迹，可以准确测出其在某一时刻所处的位置及运行的速度，描绘出其运动轨迹。

(2)由于微观粒子质量小、运动空间小、运动速度快，不能同时准确测出其位置与速度，所以对于核外电子只能确定其在原子核外各处出现的概率。

①电子云图表示电子在核外空间出现概率密度的相对大小。电子云图中小点密度越大，表示电子出现的概率密度越大。

②电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子真实出现的次数。

③由氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图可知，离原子核越近的空间电子出现的概率越大；电子云的外围形状具有不规则性。

④电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。

2．s能级和p能级的原子轨道的对比

3．不同能层的能级、原子轨道

注：①d轨道和f轨道各有其名称、形状和取向，本书不作要求而从略。

题组1　认识理解电子云

1．下列关于电子云的叙述不正确的是(　　)

A．电子云是用小点的疏密程度来表示电子在核外空间出现概率大小的图形

B．电子云实际上是电子运动形成的类似云一样的图形

C．电子云图说明离核越近，电子出现概率越大；离核越远，电子出现概率越小

D．能级类别不同，电子云的形状也不同

B　[人们常用小点的疏密程度来表示电子在原子核外空间出现概率的大小，A项正确；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，而不是电子的实际运动轨迹，B项错误；从电子云图中可以看出，离核越近，电子出现概率越大；离核越远，电子出现概率越小，C项正确；能级类别不同，电子云的伸展方向不同，即电子云的形状不同，D项正确。]

2．图1和图2 分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关说法正确的是(　　)

图1　　　　　　　图2

A．图1中的每个小点表示1个电子

B．图2 表示1s电子只能在球体内出现

C．图2表明1s轨道呈球形，有无数对称轴

D．图1中的小点表示电子在核外所处的位置

C　[电子云中的小点的疏密程度描述的是电子在原子核外空间出现的概率大小，A项、D项错误；1s电子云轮廓图为球形，球体代表1s电子在原子核外空间出现概率P＝90%的区域，该区域外，电子出现的概率较小，但也会出现，B错误。]

题组2　认识原子轨道

3．3px所代表的含义是(　　)

A．px轨道上有3个电子

B．第三能层px轨道有3个伸展方向

C．px电子云有3个伸展方向

D．第三能层沿x轴方向伸展的p轨道

D　[符号“3px”中“3p”表示第三能层的p轨道，“x”表示原子轨道沿x轴的方向伸展。]

4．如图是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是(　　)

A．s能级和p能级的原子轨道形状相同

B．每个p能级都有6个原子轨道

C．s能级的原子轨道半径与能层序数有关

D．钠原子的电子在11个原子轨道上高速运动

C　[s轨道为球形，p轨道为哑铃形，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；能层序数越小，s能级的原子轨道半径越小，C项正确；钠原子的电子在6个原子轨道上高速运动，D项错误。]

德国人弗里德里希·洪特(F．Hund)根据大量光谱实验数据总结出一个规律，即电子分布到能量简并的原子轨道时，优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道，因为这种排布方式原子的总能量最低。所以在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。

[问题1]　泡利原理和洪特规则有何区别？

提示：泡利原理：在一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋相反；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。

[问题2]　指出下列核外轨道表示式的书写分别违背了什么原则？

①2p轨道上有3个电子的原子：

②2p轨道上有2个电子的原子：

③基态P原子：1s22s22p63s23p3p

④4s轨道上有2个电子的原子：

⑤3d轨道上有8个电子的原子：

提示：①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋平行。④违背了泡利原理，一个原子轨道最多只容纳2个电子，而且这2个电子的自旋相反。

核外电子排布的表示方法

5．下列电子排布式或电子排布图正确的是(　　)

A．基态C原子的电子排布图：

B．基态Ca原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d2

C．基态N原子的电子排布图：

D．基态Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6

D　[基态C原子的电子排布图违背了洪特规则，2p能级上的2个电子应分别占据1个原子轨道，且自旋平行，A错误；基态Ca原子的电子排布式违背了能量最低原理，2个价层电子应优先排布在4s能级，B错误；基态N原子的电子排布图违背了泡利原理，同一原子轨道中的2个电子自旋相反，C错误。]

6．A、B、C、D是四种短周期元素，E是过渡元素。A、B、C同周期，C、D同主族，A的原子结构示意图为，B是同周期除稀有气体元素外原子半径最大的元素，C的原子最外层有三个未成对电子，E的原子价层电子排布式为3d64s2。回答下列问题：

(1)A为__________(写出元素符号，下同)，基态原子的电子排布式是__________；

(2)B为__________，基态原子的简化电子排布式是________；

(3)C为__________，基态原子的价层电子排布式是________；

(4)D为__________，基态原子的电子排布的轨道表示式是__________________________；

(5)E为__________，原子结构示意图是__________。

[解析]　由知x＝2，故A为Si；A、B、C同周期，B是第三周期除稀有气体元素外原子半径最大的元素，故B是Na；最外层有三个未成对电子的第三周期元素原子的价层电子排布式为3s23p3，故C是P；C、D同主族，同为短周期元素，故D为N；原子价层电子排布式为3d64s2的元素是Fe。

[答案]　(1)Si　1s22s22p63s23p2

(2)Na　[Ne]3s1　(3)P　3s23p3

(4)N　

(5)Fe　

书写轨道表示式时的“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)不同能级中的要分开，同一能级中的要连接。

(3)整个轨道表示式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)洪特规则的特例：在能量相同的轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较高的稳定性。如24Cr的价层电子排布式为3d54s1(半充满)，易错写为3d44s2。

1．对原子核外的电子运动描述方法正确的是(　　)

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运动规律，只能用统计规律来描述

D　[核外电子的运动根本不具有宏观物体运动规律，只能用统计规律来描述。我们不能测定或计算出它在某一时刻所在的位置，也不能描画它的运动轨迹。]

2．下列能级中原子轨道数为5的是(　　)

A．s能级 B．p能级

C．d能级 D．f能级

C　[s能级有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，d能级有5个原子轨道，f能级有7个原子轨道，故C项正确。]

3．下列说法正确的是(n代表能层序数)(　　)

A．L能层不包含d能级

B．s电子绕核旋转，其轨道为一个圆，而p电子是走“∞”形

C．当n＝2时，该能层不一定有四个原子轨道

D．当n＝3时，该能层有3s、3p、3d、3f四个原子轨道

A　[L能层只包含s、p能级，A项正确；核外电子的运动无固定轨迹，B项错误；n＝2时，该能层一定有四个原子轨道，C项错误；n＝3时，该能层有3s、3p、3d能级，共9个原子轨道，没有3f能级，D项错误。]

4．下列电子排布的轨道表示式所表示的元素原子中，能量处于最低状态的是(　　)

C　[本题考查的是核外电子排布的基本原理。要使各原子能量处于最低状态(即基态)，核外电子必须遵循三大原理进行排布。A项中2s轨道没有排满电子就排在了2p轨道上，显然能量不是最低的；B项中2p轨道上的电子排布不符合洪特规则，三个电子各占一个p轨道且自旋状态相同时，能量最低；C项中2p3为半充满状态，能量最低；D项中2p轨道未排满就排3s轨道，能量不是最低的。]

5．(1)下面是s能级与p能级的原子轨道图：

请回答下列问题：

s电子的原子轨道呈__________形，每个s能级有____________个原子轨道；

p电子的原子轨道呈__________形，每个p能级有____________个原子轨道。

(2)写出下列元素基态原子的电子排布式。

①Co：______________________________________________；

②Cu：______________________________________________。

(3)画出下列元素基态原子的轨道表示式。

①N：______________________________________________；

②F：______________________________________________。

[解析]　(1)s电子的原子轨道呈球形，每个s能级有1个原子轨道；p电子的原子轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道。

(2)①Co的原子序数是27，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2；②Cu的原子序数是29，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。

(3)①N的原子序数是7，基态原子的轨道表示式为；②F的原子序数是9，基态原子的轨道表示式为。

[答案]　(1)球　1　哑铃　3

(2)①1s22s22p63s23p63d74s2(或[Ar]3d74s2)

②1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)

(3)