化学苏教版 (2019)第一单元 原子核外电子的运动第1课时学案及答案

第一单元　原子核外电子的运动

第1课时　人类对原子结构的认识及原子核外电子的运动特征

一、人类对原子结构的认识

1．原子结构模型的演变

2.玻尔原子结构模型

(1)玻尔原子结构模型的基本观点

(2)贡献

玻尔原子结构模型成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实，阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，指出了电子所处的轨道的能量是量子化的。

微点拨：焰色反应是电子跃迁的结果，故焰色反应是物理变化而不是化学变化。焰色反应发生的过程：基态原子吸收能量→激发态原子→释放能量→较低能量的激发态或基态原子。

3．统计方法描述电子在原子核外空间出现机会的大小——电子云

(1)核外电子的特点：质量非常小(电子的质量仅为9.1×10－31kg)、运行速度极快且运动空间极小。

(2)描述核外电子运动的方法：不可能同时准确地测定电子的位置和速度，即无法确定电子的运动轨迹。因此，人们通过对波函数进行数学处理计算出电子在原子核外空间某处单位体积内出现概率大小的方法来描述电子的运动规律。

(3)电子云图：形象地描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形称为电子云图。氢原子电子的概率分布呈球形对称，而且电子在原子核附近单位体积内出现的概率大，离核越远，单位体积内电子出现的概率越小。

(4)电子云的意义：电子云不仅表示了电子在核外空间某处单位体积内出现的概率，同时说明量子力学中轨道的含义已与玻尔轨道的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。

微点拨：对电子云的理解误区

(1)电子云表示电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概率，不代表电子的实际运动轨迹。

(2)电子云图中的小点不表示实际电子，而是电子在原子核外空间某处单位体积内出现概率大小的形象描述。点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)卢瑟福根据α粒子散射现象，提出了原子结构的有核模型。                             (√)

(2)电子云图中小黑点的密度小，表示电子在该区域内运动的速率慢。                             (×)

(3)同一原子不同能层的电子云轮廓图的形状相同，半径相等。 (×)

(4)汤姆生发现电子，并提出原子结构轨道模型。 (×)

(5)玻尔原子结构模型是在研究氢原子光谱时，引入量子论观点而提出的。

  (√)

二、核外电子的运动特征

1．电子层

(1)电子层的含义

习惯上常用n表示电子层。n所描述的电子运动状态称为电子层，由内向外n的取值为正整数1、2、3、4、5等，对应的符号分别为K、L、M、N、O等。

(2)各电子层上电子的能量与离原子核远近的关系

一般而言，n越大，电子离原子核的平均距离越远，该电子层上的电子具有的能量越高。

2．原子轨道

在含有多个电子的原子中，同一电子层的原子核外电子，可以在不同类型的原子轨道上运动，其能量也不相同。轨道的类型不同，能量不同，形状也不同。分别用s、p、d、f等表示不同形状的轨道。如图为s轨道和p轨道的示意图：

3.原子轨道的形状和空间伸展方向

s轨道呈球形，p轨道呈纺锤形，d轨道和f轨道的形状更为复杂。原子轨道的形状是将这个能级上的电子在核外出现概率P＝90%的空间圈出来所得的电子云轮廓图。

形状相同的原子轨道在原子核外空间还有不同的伸展方向。s轨道是球形对称的，所以s轨道只有1个轨道；p轨道在空间有x、y、z 3个伸展方向，所以p轨道包括px、py、pz 3个轨道。d轨道有5个伸展方向(5个轨道)，f轨道有7个伸展方向(7个轨道)。

4．核外电子所处轨道的表示方法

为了表明原子核外电子所处的轨道，人们将表示电子层的n和表示原子轨道形状的s、p、d、f结合起来表示原子轨道，如1s、2s、2p(2px、2py、2pz)、3d等。各电子层包含的原子轨道数目和可容纳的电子数如下表所示：

5.经过科学家的深入研究，发现原子轨道能量的高低存在如下规律

(1)处于相同电子层的原子轨道能量的高低：ns<np<nd<nf。

(2)形状相同的原子轨道能量的高低：1s<2s<3s<4s……

(3)电子层和形状均相同的原子轨道的能量相等，如2px、2py、2pz轨道的能量相等。

6．电子的“自旋”运动

原于核外电子还存在一种称为“自旋”的运动。原子核外电子的自旋可以有两种不同的状态，通常人们用向上的箭头“↑”和向下的箭头“↓”来表示这两种不同的自旋状态。当然，“电子自旋”并非真像地球绕轴自转一样，它只是代表电子的两种不同状态。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)最多可容纳8个电子的电子层一定是第二电子层。 (×)

(2)任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级。 (×)

(3)只有在电子层、原子轨道、原子轨道的伸展方向及电子的自旋方向都确定时，电子的运动状态才能被确定下来。              (√)

(4)决定轨道能量的是原子轨道空间分布和电子自旋方向。 (×)

(5)s电子的原子轨道呈球形，p轨道电子沿轴呈“8”字形运动。 (×)

材料一　截至2019年11月23日，中国已系统掌握各种复杂地质及气候条件下高铁建造成套技术，攻克铁路工程建造领域一系列世界性技术难题：全面掌握构造速度200 ～250 km/h、300～350 km/h动车组制造技术，构建涵盖不同速度等级、成熟完备高铁技术体系；中国高速铁路列车最高运营速度350 km/h，居全球首位。

材料二　电子是一种微观粒子，在原子内、原子核外很小的空间(直径约10－10 m)内做高速运动。电子的运动非常复杂，一个电子的运动状态可以从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋状态；在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在。

[问题1]　核外电子的运动与高铁的运动状态一样吗？核外电子的运动有无固定的方向和轨迹？

[提示]　电子在原子核外很小的空间内做高速无规则的运动，它没有明确的运动方向和轨迹。

[问题2]　前面我们已经学习了核外电子排布的知识，核外电子排布的各个规律是孤立的吗？

[提示]　核外电子排布的一般规律相互联系、相互制约，任何一条都不能违背。

[问题3]　量子力学把原子中的单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述。如何从量子力学的角度描述核外电子的运动状态？

[提示]　电子层、能级、原子轨道和自旋状态四个因素决定了电子的运动状态；与电子能量有关的因素有电子层和能级，即处于同一电子层同一能级中的电子具有相同的能量。

1．核外电子排布的一般规律

(1)原子核外各电子层最多容纳的电子数为2n2个(n代表电子层序数)，即第一层不超过2个，第二层不超过8个，第三层不超过18个。

(2)原子最外层电子数目不超过8个(K层为最外层时不超过2个)。

(3)次外层电子数目不超过18个(K层为次外层时为2个)，倒数第三层电子数目不超过32个。

(4)核外电子总是尽可能地先排布在能量较低的电子层，然后由里向外，依次排布在能量逐步升高的电子层。

2．核外电子的不同能量的符号描述

(1)在每一个电子层中，能量不同的电子，分别在不同的能级上运动，常用符号ns、np、nd、nf……(n代表电子层)表示。s、p、d、f代表不同的轨道形状。每层包含的轨道符号、能级符号、能量大小顺序如下图所示：

(2)同一能级又可能包含几个空间取向不同的原子轨道：s能级中有1个原子轨道；p能级中有3个能量相同的原子轨道，分别记作npx、npy、npz；d能级中有5个能量相同的原子轨道。

1．人类对原子结构的认识经历了漫长的历史阶段。其中最有代表性的有道尔顿原子结构模型、汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型和玻尔原子结构模型等。这些原子结构模型都是建立在一定的实验研究基础上的。下列实验事实与原子结构模型建立的关系正确的是(　　)

A．电子的发现：道尔顿原子结构模型

B．α粒子散射：卢瑟福原子结构模型

C．α粒子散射：玻尔原子结构模型

D．氢原子光谱：卢瑟福原子结构模型

B　[A．道尔顿原子结构模型是依据一些元素化合时具有确定的质量比例关系而提出的，A错误；B．卢瑟福原子结构模型是通过α粒子的散射实验提出的，B项正确；C．玻尔原子结构模型是在研究氢原子光谱时，引入量子论观点而提出的，C项错误；D．玻尔的原子模型很好地解释了氢原子光谱，D错误。]

2.如图为氢原子的电子云图，下列说法正确的是(　　)

A．电子云图中小黑点的密度越小，电子数目越少

B．电子云图中小黑点的密度越大，单位体积内电子出现的概率越大

C．所有电子云轮廓图都是球形

D．电子云图中小黑点的密度小，表示电子在该区域内运动的速率慢

B　[A．电子云图中小黑点的密度并不代表电子数目多少，是代表电子在空间某处出现的概率，小黑点的密度小，表示电子在核外该空间单位体积内出现的概率小，A项错误；B．电子云图中小黑点的密度并不代表电子数目多少，是代表电子在空间某处出现的概率，密度越大，单位体积内电子出现的概率越大，B项正确；C．只有s电子的电子云轮廓图才是球形，C项错误；D．小黑点的密度小，表示电子在核外该空间单位体积内出现的概率小，不表示电子在该区域内运动的速率慢，D项错误。]

3．下面是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是(　　)

A．s轨道电子球形运动，p轨道电子沿轴呈“8”字形运动

B．s能级电子能量低于p能级

C．每个p能级有3个原子轨道，在空间伸展方向是相同的

D．任一电子层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该电子层序数

D　[A．s电子的原子轨道呈球形，p电子的原子轨道是“8”字形的，但是电子是做无规则运动，轨迹是不确定的，A错误；B．处于相同电子层的原子轨道能量：ns＜np，B错误；C．不同能级的电子云有不同的空间伸展方向，p轨道有3个相互垂直的呈纺锤形的不同伸展方向的轨道，C错误；D．多电子原子中，同一能层的电子，能量可能不同，还可以把它们分成能级，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，D正确。]

1．自从1803年英国化学家道尔顿提出了原子学说，人类对原子结构的认识就不断深入、发展，并通过实验事实不断地完善对原子结构的认识。下列关于原子结构模型的说法中，正确的是(　　)

A．道尔顿的原子结构模型将原子看作实心球，故不能解释任何问题

B．汤姆生“葡萄干面包式”原子结构模型成功地解释了原子中的正负粒子是可以稳定共存的

C．卢瑟福原子结构的有核模型指出了原子核和核外电子的质量关系、电性关系及占有体积的关系

D．玻尔电子分层排布原子结构模型引入了量子化的概念，能够成功解释所有的原子光谱

C　[A．道尔顿的原子理论成功地解释了质量守恒定律等规律，A项错误；B．汤姆生“葡萄干面包式”原子结构模型提出了正负电荷的共存问题，但同时认为在这样微小的距离上有着极大的作用力，存在着电子会被拉进去并会碰撞在带正电的核心上这样的问题，B项错误；C．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子结构的有核模型，散射实验的结果能够分析出原子核和核外电子的质量关系、电性关系及占有体积的关系，C项正确；D．玻尔电子分层排布原子结构模型只引入了一个量子化的概念，只能够解释氢原子光谱，而不能解释比较复杂的原子光谱，D项错误。]

2．下列说法错误的是(　　)

A．汤姆生发现原子中存在电子，提出“葡萄干面包式”原子结构模型

B．卢瑟福研究了氢原子光谱并提出了带核的原子结构模型

C．玻尔研究氢原子光谱，引入量子论观点，提出电子在稳定轨道上运动

D．S2－的结构示意图：

B　[A．汤姆生发现电子后，提出“葡萄干面包式”原子结构模型，A正确；B．卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子结构的有核模型，B错误；C．玻尔研究氢原子光谱，引入了量子理论观点，提出量子力学模型，C正确；D．硫原子的核电荷数为16，硫离子核外电子数为18，其离子结构示意图为，D正确。]

3．原子核外电子分层排布，不同的电子层上运动的电子能量不同。下列电子层上运动的电子能量最低的是(　　)

A．M层　　　　　 B．K层

C．L层 D．N层

B　[多电子原子中核外电子是分层排布的，电子层从内到外排布的顺序为K、L、M、N、O、P、Q，电子层距离原子核越近，电子层上运动的电子能量越低，则K、L、M、N中K层能量最低。]

4．(1)镁元素基态原子核外M层电子的自旋状态________(填“相同”或“相反”)。

(2)基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为________形。

(3)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是_____________________

________________________________________________________________，

占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。

(4)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用________形象化描述。在基态14C原子中，K层电子云的形状是________。

(5)铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向，有________种不同运动状态的电子。

[解析]　(1)Mg为12号元素，M层只有2个电子，排布在3s轨道上，电子自旋状态相反。

(2)基态S原子的核外电子占据的最高能级为3p，p能级的电子云轮廓图形状为纺锤形。

(3)基态K原子核外有4个能层：K、L、M、N，能量依次增高，处于N层的1个电子位于s轨道，s电子云轮廓图形状为球形。

(4)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用电子云形象化描述。K层即第一层，电子云为球形。

(5)铝原子的核外，有1s、2s、2p、3s、3p共5个能级，ns、np电子云分别有1种、3种伸展方向，13个电子的运动状态各不相同。

[答案]　(1)相反　(2)纺锤　(3)N　球形　(4)电子云　球形　(5)4　13