高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第1节 原子结构模型学案及答案

第1节　原子结构模型

氢原子光谱和玻尔的原子结构模型

1．原子是由原子核和核外电子构成的，原子中核外电子的运动状态是分析、解释和预测元素性质的基础。

2．实验证明，氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的线状光谱。这与根据卢瑟福原子结构核式模型得到的推论是不一致的。

3．玻尔原子结构模型的基本观点

(1)原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量。

(2)在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量值是不连续的，这称为能量“量子化”。轨道能量依n值(1、2、3、…)的增大而升高，n称为量子数。对氢原子而言，电子处于n＝1的轨道时，能量最低，这种状态称为基态，能量高于基态能量的状态称为激发态。

(3)只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量，当辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录时，就形成了光谱。

量子力学对原子核外电子运动状态的描述

1．原子轨道

(1)量子力学理论仍然使用量子数n，习惯上，将n所描述的电子运动状态称为电子层。n的取值为正整数1、2、3、4、5、6等，对应的符号分别为K、L、M、N、O、P等，一般而言，n越大，电子离核的平均距离越远，电子具有的能量越高。

(2)当n相同，电子具有的能量也可能不同，即同一个电子层内的电子可处于不同的能级。当n＝x时，有x个能级，分别用符号s、p、d、f等表示，例如n＝2，有2个能级，符号分别为s、p。

(3)习惯上人们用“原子轨道”来描述原子中单个电子的空间运动状态。电子层为n的状态，有n2个原子轨道。

n值所对应的能级和原子轨道的情况

(4)核外运动的电子还存在一种被称为“自旋”的量子化状态，处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有两种。分别用符号“↑”和“↓”表示。

2．原子轨道的图形描述

原子轨道在量子力学中用波函数来表示，并可以将其以图形的方式在直角坐标系中呈现出来。s轨道在三维空间分布的图形为球形，该原子轨道具有球对称性；p轨道在三维空间分布的图形与s轨道明显不同，其空间分布特点是分别相对于x、y、z轴对称，也就是说，p轨道在空间分别沿x、y、z轴的方向分布。

3．电子在核外的空间分布

对于质量非常小、运行速度极快且运动空间极小的微观粒子(如电子)而言，人们不可能同时准确地测定它的位置和速度，但是能通过对波函数进行数学处理计算出电子在什么地方出现的概率大，在什么地方出现的概率小。通常用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小。这种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。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)氢原子光谱为线状光谱。(　　)

(2)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。(　　)

(3)玻尔原子结构模型能够成功地解释各种原子光谱。(　　)

(4)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。(　　)

(5)p能级的原子轨道呈哑铃形，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多。(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×

解析　(3)玻尔原子结构模型能够成功地解释氢原子光谱。

(4)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。

(5)p能级含有3个原子轨道，不同能层上的p能级含有的轨道数相同。

2．原子的吸收光谱是线状的而不是连续的，主要原因是(　　)

A．原子中电子的能量高低

B．外界条件的影响

C．原子轨道的能量是量子化的

D．仪器设备的工作原理

答案　C

解析　由于原子核外不同原子轨道上的电子具有不同的能量，能量是量子化的，只能选择性吸收特定频率的光，所以原子的吸收光谱是线状的而不是连续的。

3．以下能级符号不正确的是(　　)

A．3s          B．3p         C．3d       D．3f

答案　D

解析　n＝3时，存在s、p、d三个能级，不存在f能级。

4．图1和图2分别是1s电子的概率分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是(　　)

A．图1中的每个小黑点表示1个电子

B．图1中的小黑点表示某一时刻，电子在核外所处的位置

C．图2表示1s电子只能在球体内出现

D．图2表明1s轨道呈球形，有无数对称轴

答案　D

解析　电子云图就是用小黑点疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率大小的一种图形，每个小黑点并不代表一个电子，故A错误；由上述分析可知，每个小黑点代表电子出现的概率，不是电子在核外所处的位置，故B错误；对比图1、图2可知，在球体内出现该电子的几率大，界面外出现该电子的几率小，故C错误；1s轨道呈球形，沿剖面直径连线，有无数对称轴，故D正确。

探究一　氢原子光谱和玻尔的原子结构模型

1．氢原子光谱为什么是线状光谱呢？

提示：

氢原子从一个电子层跃迁到另一个电子层时，吸收或释放一定的能量，就会吸收或释放一定波长的光，所以得到线状光谱。

2．玻尔的原子结构模型的基本观点有哪些？

提示：

　玻尔的核外电子分层排布的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。玻尔的重大贡献在于指出了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是量子化的。

　　　 　　　　　　     光谱

                         ↑

光谱的形成过程为：基态激发态

                         ↓

                        光谱

光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。焰色反应也与原子中的电子在能量不同的轨道上跃迁释放能量有关。

1．下列图像中所发生的现象与电子跃迁无关的是(　　)

答案　D

解析　燃放烟花、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，而平面镜成像则是光反射的结果。

2．玻尔理论不能解释(　　)

A．氢原子光谱为线状光谱

B．在一给定的稳定轨道上运动的核外电子不辐射能量

C．氢原子的可见光区谱线

D．有外加磁场作用时氢原子光谱有多条谱线

答案　D

解析　玻尔理论是针对原子的稳定存在和氢原子光谱为线状光谱的事实提出的。有外加磁场时氢原子有多条谱线，玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象，必须借助量子力学加以解释。

探究二　量子力学对原子核外电子运动状态的描述

1．为什么在通常条件下，钠原子中处于n＝4的电子跃迁到n＝3的状态时，在高分辨光谱仪上看到的不是一条谱线，而是两条谱线？

提示：原子的线状光谱产生于原子核外的电子在不同的、能量量子化的轨道之间的跃迁。多电子原子光谱中原有的谱线之所以能分裂为多条谱线，可能是量子数n标记的核外电子运动状态包含多个能量不同的“轨道”，电子在不同能量的“轨道”之间跃迁时产生的谱线就会增多。

2．s电子绕核旋转，其轨道为一圆圈，对吗？

提示：不对，电子运动并无固定轨道，s电子在核外运动电子云图像呈球形。

3．电子在一定区域内如何运动呢？如何描述电子的运动？

提示：核外电子运动特征：①电子质量小；②运动空间小；③运动速度快。

对于电子而言，人们不能同时准确地测定它的位置和速度；但能够统计出电子在什么地方出现的概率大、什么地方出现的概率小，并用点的疏密程度表示电子在某处出现机会的多少，所得的图形称之为电子云图。

1．原子核外电子运动状态的描述

2．量子数n值所对应的能级和原子轨道的情况

3．原子轨道的图形描述

基态原子中有多少个核外电子就有多少种电子的运动状态

3．量子力学原子结构模型中的原子轨道是用来描述核外电子空间运动状态的。下列关于原子轨道的叙述正确的是(　　)

A．原子轨道就是原子核外电子运动的轨道，这与宏观物体运动轨道的含义相同

B．第n电子层上共有2n2个原子轨道

C．任意电子层上的p能级都有3个伸展方向相互垂直的原子轨道

D．处于同一原子轨道上的电子，运动状态完全相同

答案　C

解析　原子轨道与宏观物体的运动轨道不同，它是指电子出现的主要区域，而不是电子运动的实际轨迹，A错误；第n电子层上共有n2个原子轨道，B错误；原子核外每个电子的运动状态均不同，D错误。

4．下列说法正确的是(　　)

A．L电子层不包含d能级

B．s电子绕核旋转，其轨迹为一个圆，而p电子是走“∞”形

C．当n＝1时，可能有两个原子轨道

D．当n＝3时，有3s、3p、3d、3f四个能级

答案　A

解析　L电子层只包含s、p能级，A正确；核外电子的运动无固定轨迹，B错误；n＝1时，只有1s原子轨道，C错误；n＝3时，有3s、3p、3d能级，没有3f能级，D错误。

在多电子原子中，电子填充原子轨道时，原子轨道能量的高低存在如下规律：

(1)相同电子层上原子轨道能量的高低：ns<np<nd。

(2)不同电子层形状相同的原子轨道能量的高低：1s<2s<3s；2p<3p<4p。

(3)相同电子层形状相同的原子轨道能量的高低：2px＝2py＝2pz。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．如图为原子结构模型的演变图，其中①为道尔顿原子模型，④为近代量子力学原子模型。下列排列符合历史演变顺序的一组是(　　)

A．①③②⑤④   B．①②③④⑤

C．①⑤③②④   D．①③⑤④②

答案　A

解析　①为道尔顿提出的“实心球”模型，②为1911年英国物理学家卢瑟福提出的原子结构的核式模型，③为英国科学家汤姆孙1904年提出的“葡萄干布丁”原子结构模型，④为近代量子力学原子模型，⑤为1913年丹麦物理学家玻尔提出的核外电子分层排布的原子结构模型，故正确的历史演变顺序为①③②⑤④，A正确。

2．下列说法正确的是(　　)

A．自然界中的所有原子都处于基态

B．同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量

C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量

D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性

答案　B

解析　自然界中的原子有的处于基态，有的处于激发态，A错误；同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量，若原子种类不同，则不一定如此，所以B正确，C错误；激发态原子的能量较高，容易转换成能量较低的激发态或基态，能量降低，该过程为物理变化，与还原性无关，故D错误。

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为(　　)

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．在电流作用下，氖原子与构成灯管的物质反应

答案　A

解析　通电后基态氖原子的电子吸收能量，跃迁到较高能级，由于处于激发态的氖原子不稳定，则电子从激发态跃迁到较低能级的激发态乃至基态时，多余的能量以光的形式释放出来，光的波长对应一定的颜色，则A正确，B错误；霓虹灯发光过程中没有新物质生成，则C、D错误。

4．符号为M的能层所含的能级有(　　)

A．2种   B．3种

C．8种   D．18种

答案　B

解析　符号为M的能层所含的能级有3s、3p、3d，共3种，B正确。

5．下列说法正确的是(　　)

A．核外电子质量很小，在原子核外做高速运动

B．核外电子的运动规律与普通物体相同，能用牛顿运动定律来解释

C．电子在核外运动时有确定的轨道和轨迹，电子云就是对其运动轨迹的准确描述

D．原子核外电子在某一时刻的位置可以测定或计算出来

答案　A

解析　电子的质量很小，在原子核外做高速运动，A正确；原子核外电子做高速不规则运动，所以不能用牛顿运动定律来解释，B错误；电子云表示电子在原子核外空间出现的概率，C错误；电子的运动速度极快且无规则，所以不能测定或计算某一时刻电子所处的位置，D错误。

6．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3s能级高

B．锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布

C．p能级的原子轨道呈哑铃形，随着能层序数的增加，p能级原子轨道也在增多

D．能层n＝4的原子轨道最多可容纳16个电子

答案　B

解析　氢原子的2s轨道能量较3s能级低，故A错误；s能级的原子轨道都是球形的，故B正确；p能级的原子轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道，故C错误；能层最多容纳的电子数为2n2，能层n＝4的原子轨道最多可容纳32个电子，故D错误。

7．下列说法正确的是(　　)

A．2s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越密，说明该原子核外空间电子数目多

C．ns能级的原子轨道图可表示为

D．3d能级上有3个原子轨道

答案　C

解析　电子云不代表电子的运动轨迹，A错误；小黑点的疏密表示电子出现概率的大小，密则概率大，疏则概率小，B错误；ns能级的电子云呈球形，C正确；3d能级上有5个原子轨道，D错误。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

8．下列说法正确的是(　　)

A．原子核外第n电子层最多可容纳的电子数为n2

B．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

C．不同电子层中s电子的原子轨道半径相同

D．不同电子层中p电子的能量相同

答案　B

解析　原子核外第n电子层最多可容纳的电子数为2n2，A错误；任一电子层含有的能级数等于电子层序数，即第n电子层含有n个能级，每一电子层总是从s能级开始，B正确；电子层序数越大，该电子层中s电子的能量越高，原子轨道的半径越大，C错误；离原子核越远的电子，其能量越高，所以p电子的能量随电子层序数的增大而增大，D错误。

9．下列叙述正确的是(　　)

A．M电子层只有s、p 2个能级，该电子层最多能容纳8个电子

B．d能级有5个原子轨道，f能级有7个原子轨道

C．无论哪一电子层的s能级，最多容纳的电子数均为2

D．任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级

答案　BC

解析　A项，M电子层有s、p、d 3个能级，该电子层最多能容纳18个电子；D项，K电子层只有s能级，不含有p能级。

10．对于钠原子的第三电子层的p轨道3px、3py、3pz间的差异，下列说法正确的是(　　)

A．电子云形状相同

B．原子轨道的对称类型不同

C．电子(基态)的能量不同

D．电子云空间的伸展方向不同

答案　AD

解析　3px、3py、3pz的电子云、原子轨道都呈哑铃形，都是轴对称的，A正确，B错误；3px、3py、3pz表示的是第三电子层p能级中的三个不同的原子轨道，其能量相同，C错误；3px电子云沿x轴方向伸展，3py电子云沿y轴方向伸展，3pz电子云沿z轴方向伸展，D正确。

11．对于s轨道及s电子云，下列说法正确的是(　　)

A．某原子s轨道的能量随主量子数n的增大而增大

B．s电子在以原子核为中心的球面上出现，但其运动轨迹测不准

C．s能级可能有两个原子轨道

D．s轨道的电子云为球形，说明电子在空间各位置出现的概率相等

答案　A

解析　B项，s轨道的电子云为球形，向空间各处伸展方向相同，s电子在空间各处均可能出现，不限于出现在球面上，故不正确；C项，s能级只有一个原子轨道，故不正确；D项，s轨道的电子云为球形，并不能说明电子在原子核外空间各处出现的概率相等，在离核近的区域，电子出现的概率大，在离核远的区域，电子出现的概率小，故不正确。

三、非选择题(本题共3小题)

12．已知A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则基态A原子中，电子运动状态有________种；电子占据的最高电子层符号为________，该电子层含有的能级数为________，该电子层含有________个原子轨道。

答案　6　L　2　4

解析　A原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，则A原子为C原子，核外有6个电子，即核外有6种运动状态不同的电子，基态C原子核外电子共占据2个电子层，电子占据的最高电子层为L层，L层含有的能级数为2。s能级有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，所以L电子层共有4个原子轨道。

13．下面是s能级、p能级的原子轨道图，试回答问题：

s能级的原子轨道呈________形，每个s能级有________个原子轨道；p能级的原子轨道呈________形，每个p能级有________个原子轨道。

答案　球　1　哑铃　3

解析　s能级的原子轨道在三维空间分布的图形为球形，p能级3个原子轨道空间分布的图形为哑铃形。

14．请回答下列与电子层(电子层序数为n)或能级有关的问题：

(1)原子核外电子的每个电子层最多容纳的电子个数为________。

(2)不同的电子层，能级数________，但能级数________电子层的序数，如K层有1个能级：1s；L层有________个能级：2s和2p；M层有3个能级，分别是________。

答案　(1)2n2　(2)不同　等于　2　3s、3p、3d

解析　电子层包括能级，K层只有1s能级、L层有2s、2p能级，s轨道最多容纳2个电子，p轨道最多容纳6个电子，故原子核外电子的每个电子层最多容纳的电子数目为2n2。