化學人教版選修3學案1-1-2電子云和原子軌道

第二課時電子云和原子軌道[學習目標]1.知道電子在原子核外的運動狀態(tài)。2．知道核外電子排布應同時遵循泡利原理和洪特規(guī)則。3．通過日常生活現(xiàn)象理解核外電子運動、電子云輪廓圖和原子核外電子運動的狀態(tài)。一、電子云1．概念一定時間間隔內(nèi)電子在原子核外出現(xiàn)概率的分布圖。2．電子云輪廓圖的制作3．電子云圖中黑點不代表一個電子，每個黑點表示電子出現(xiàn)過一次。4．黑點疏密的程度表示了電子在原子核外出現(xiàn)的概率的大小。點疏的地方表示電子在那里出現(xiàn)的概率小，點密集的地方表示電子在那里出現(xiàn)的概率大。5．離核越近，電子云出現(xiàn)的概率越大，電子云越密集。如2s電子云比1s電子云更擴散。6．s能級的電子云為球形，只有一種空間伸展方向。p電子云有三種空間伸展方向。二、原子軌道1．定義：原子軌道即電子云的輪廓圖。2．原子軌道的形狀s能級原子軌道是球形的，p能級原子軌道是紡錘形的。3．能層數(shù)n越大，原子軌道半徑越大。4．不同能層的同種能級的原子軌道形狀相似，只是半徑不同。5．ns能級有1個軌道，np能級有3個軌道，nd能級有5個軌道，nf能級有7個軌道。np能級中的3個原子軌道相互垂直，分別以px、py、pz表示，它們具有相同的能量。三、泡利原理和洪特規(guī)則1．泡利原理在任何一個原子里，不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。一個軌道最多只能容納兩個電子，而且自旋方向相反。如2s2的軌道排布圖為，不能表示為。2．洪特規(guī)則當電子排布在同一能級的不同軌道時(即能量相同的軌道)，總是盡可能分別占據(jù)一個軌道，而且自旋方向相同。如2p3的軌道排布圖為，不能表示為。知識點一電子云和原子軌道一、電子云1．電子運動的特點(1)質(zhì)量非常小(電子質(zhì)量僅為9.1×10－31kg(2)運動速度很快(如在1000V電壓下加速的電子的速度可高達1.9×107(3)不能同時準確測定它的位置和速度。2．電子云(1)定義電子在原子核外的運動可以用電子在核外空間出現(xiàn)概率的大小來描述。通常用小黑點的疏密程度來表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小。由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱為電子云。(2)電子云的意義①電子云中的小黑點并不代表一個電子而是代表電子在該處出現(xiàn)過一次。小黑點的疏密程度表示電子在原子核外出現(xiàn)的概率大小。小黑點稀疏的地方，表示電子在該處出現(xiàn)的概率?。恍『邳c密集的地方，表示電子在該處出現(xiàn)的概率大。②離核越近，電子出現(xiàn)的概率越大，小黑點越密集。如2s電子云比1s電子云更擴散。(3)電子云圖和電子云輪廓圖這種形象地描述電子在空間出現(xiàn)的概率大小的圖形稱為電子云圖。如右圖所示是在一定時間間隔內(nèi)1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。電子云圖很難繪制，使用不便，可用電子云輪廓圖來描繪電子云輪廓的形狀，電子云輪廓圖的繪制過程如圖所示。(4)電子云的形狀①s電子的電子云輪廓圖為球形，只有一種空間伸展方向。所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個球形，只是球的半徑大小不同(如下圖所示)。②p電子云是啞鈴狀的，有x、y、z三種空間伸展方向，無論2p、3p、4p……哪一個p能級都有三個相互垂直的電子云，分別為px、py、pz，px、py、pz表示的是p電子云在坐標里的取向，如下圖所示。二、原子軌道1．原子軌道的空間伸展方向s電子的原子軌道為球形對稱，ns能級只有1個軌道，可表示為：eq\x()；p電子的原子軌道是啞鈴狀的，在空間中有x、y、z三個伸展方向，所以np能級有px、py、pz3個軌道，可表示為：；nd能級有5個軌道，可表示為：；nf能級有7個軌道，可表示為：。2．各原子軌道的能量高低多電子原子中，電子填充原子軌道時，原子軌道能量的高低存在以下規(guī)律：①相同能層上原子軌道能量的高低順序為：ns<np<nd<nf……②形狀相同的原子軌道能量的高低順序為：1s<2s<3s<4s……③能層和形狀相同的原子軌道的能量相同，如2px、2py、2pz軌道的能量是相等的。同理，同能層d能級的5個軌道的能量相同，同能層f能級的7個軌道的能量也相同。3．不同能層的能級、原子軌道及電子云形狀(見下表)1.相同能級的原子軌道為什么隨能層序數(shù)n的增大原子軌道平均半徑增大？【點撥】隨著n的增大，電子的能量越高，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來越向更大的空間伸展。因此原子軌道的平均半徑也變大。2．利用數(shù)學歸納法，歸納各能層容有的原子軌道數(shù)與能層序數(shù)n的關(guān)系。【點撥】第一能層只有s能級，1個原子軌道；第二能層有s能級(1個原子軌道)，p能級(3個原子軌道)共有22個原子軌道；第三能層有s能級(1個原子軌道)，p能級(3個原子軌道)，d能級(5個原子軌道)，共有32個原子軌道；可見能層序數(shù)為n的能層容有的原子軌道數(shù)為n2個?！纠?】下列有關(guān)電子云和原子軌道的說法中，正確的是()A．原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云B．s能級原子軌道呈球形，處于該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運動C．p能級原子軌道呈啞鈴狀，隨著能層的增加，p能級原子軌道也在增多D．p能級原子軌道與s能級原子軌道的平均半徑都隨能層序數(shù)的增大而增大【提示】電子云表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的概率分布，不代表電子的運動軌跡，小黑點也并不代表電子。【解析】電子云表示電子在核外某一區(qū)域出現(xiàn)的概率密度分布，故A項錯誤；原子軌道是電子出現(xiàn)概率為90%的電子云空間，這只是表明電子在這一空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機會大，在此空間區(qū)域外出現(xiàn)的機會少，故B項錯誤；無論能層序數(shù)n如何變化，每個p能級都有3個原子軌道且相互垂直，故C項錯誤；電子的能量越高，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的機會越大，電子云將向更大的空間擴展，原子軌道半徑會逐漸增大。【答案】D圖1和圖2分別是電子云圖、原子軌道圖，則有關(guān)的說法中正確的是(D)A．電子云圖就是原子軌道圖B．3p2表示3p能級中有兩個軌道C．由圖2可知s軌道呈圓形，有無數(shù)條對稱軸D．p能級最多可排6個電子解析：本題的解題關(guān)鍵是要理解電子云的含義。A項中，原子軌道圖是電子云的輪廓圖，也就是電子出現(xiàn)概率為90%的空間；B項中，3p2表示3p能級中有兩個電子；C項中，s軌道呈球形而不是圓形。知識點二原子的核外電子排布的表示方法1五種表示核外電子排布的方法中，電子排布圖最能反映電子的排布情況；2要注意五種核外電子排布方法的聯(lián)系，特別是與比較熟悉的原子結(jié)構(gòu)示意圖去相互印證；(3)電子排布式在書寫時特別注意如Cr、Cu等符合洪特規(guī)則特例的元素。在等價軌道(同一能級)上的電子排布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)狀態(tài)時，具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性，可以理解為洪特規(guī)則的特例。例如：鉻(24Cr)：1s22s22p63s23p63d54s1，正確；1s22s22p63s23p63d44s2，錯誤。銅(29Cu)：1s22s22p63s23p63d104s1，正確；1s22s22p63s23p63d94s2，錯誤?！纠?】已知錳的核電荷數(shù)為25，以下是一些同學繪制的基態(tài)錳原子的核外電子排布圖，其中最能準確表示基態(tài)錳原子核外電子運動狀態(tài)的是()【提示】①核外電子的運動狀態(tài)要從4個方面來描述，即能層、能級、原子軌道和電子的自旋狀態(tài)，只有同時包含了這4個方面的表達方式，才能準確地表示基態(tài)原子的電子運動狀態(tài)。②核外電子在軌道上填充時，要遵循構(gòu)造原理、泡利原理和洪特規(guī)則。【解析】根據(jù)泡利原理，1個原子軌道最多可容納2個電子且自旋狀態(tài)相反，選項B中1s、2s、3s和4s原子軌道中2個電子的自旋狀態(tài)相同，違背了泡利原理，故B錯誤。根據(jù)洪特規(guī)則，電子排布在同一能級的不同軌道上時，優(yōu)先單獨占據(jù)1個軌道，并且自旋狀態(tài)相同，A項中3d能級上5個電子未單獨占據(jù)1個軌道，C項中3d能級上的5個電子雖單獨占據(jù)1個軌道，但自旋狀態(tài)不相同，所以A、C項均違背洪特規(guī)則。只有D項既符合構(gòu)造原理，又符合泡利原理和洪特規(guī)則，該選項包含了錳原子核外各個電子所處的能層、能級、原子軌道及自旋狀態(tài)，因而能最準確地表示錳原子核外電子的運動狀態(tài)?！敬鸢浮緿下列表示式錯誤的是(A)A．Na＋的核外電子排布圖：B．Na＋的結(jié)構(gòu)示意圖：C．Na的電子排布式：1s22s22p63s1D．Na的簡化電子排布式：[Ne]3s1解析：A中違反了泡利不相容原理。知識點三基態(tài)原子中未成對電子的判斷方法1．未成對電子存在的原因原子核外電子排布時，如果同一個能級上各個軌道不能都排滿時，會遵循洪特規(guī)則，即盡可能分占不同的原子軌道，這樣能量最低，原子最穩(wěn)定。所以此時有些原子軌道上只存在1個電子，該電子被稱為未成對電子。2．一般規(guī)律(1)在元素周期表中有如下一般規(guī)律：第ⅠA、ⅢA、ⅦA族三個主族元素的基態(tài)原子核外存在著1個未成對電子，第ⅣA、ⅥA族兩個主族元素的基態(tài)原子核外存在著2個未成對電子，第ⅤA族元素的基態(tài)原子核外存在著3個未成對的p電子，而第ⅡA和0族元素都不存在未成對電子。(2)副族和第Ⅷ族元素可通過核外電子排布式進行判斷，其中特別要注意的是鉻和銅兩種元素，鉻的基態(tài)原子存在著6個未成對電子，而不是4個。銅的基態(tài)原子存在著1個未成對s電子而不是d電子。3．核外電子排布的特點原子核外電子按能量相近排布在不同的能層，各能層又按能量不同排布在不同的能級，每個能級中又分為能量相同的不同軌道，每個軌道中最多填充2個自旋狀態(tài)不同的電子，即在任何一個原子中找不到兩個完全相同的電子。1～36號元素核外電子排布的特殊性(1)最外層只有1個未成對電子的元素：第ⅠA族(ns1：H、Li、Na、K)，第ⅢA族(ns2np1：B、Al、Ga)，第ⅦA族(ns2np5：F、Cl、Br)，第ⅠB族[nd10(n＋1)s1：Cu]；最外層有2個未成對電子的元素：第ⅣA族(ns2np2：C、Si、Ge)，第ⅥA族(ns2np4：O、S、Se)；最外層有3個未成對電子的元素，第ⅤA族(ns2np3：N、P、As)。(2)核外電子排布中，未成對電子數(shù)最多的元素：Cr(3d54s1，共有6個未成對電子)?！纠?】已知X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42。X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子。X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成負一價離子。請回答下列問題：(1)X元素原子基態(tài)時的電子排布式為________，該元素的符號是________。(2)Y元素原子的最外層電子的軌道表示式為________，該元素的名稱是________。(3)已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金屬鋅還原為XZ3，產(chǎn)物還有ZnSO4和H2O，該反應的化學方程式是________?！咎崾尽渴炀殤梦闯蓪﹄娮拥囊话阋?guī)律和特殊性。【解析】(1)X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，則X是第四周期ⅤA族元素，其電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s24p3，即X為As。(2)Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子，且As跟Y可形成化合物As2Y3，可推知Y為O；又因為X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42，可得Z為H。(3)X2Y3為As2O3，XZ3為AsH3，As2O3與稀硫酸和Zn反應的化學方程式為As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O?！敬鸢浮?1)1s22s22p63s23p63d104s24p3As(2)氧(3)As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O(多選)人們常將在同一原子軌道上運動的，自旋方向相反的2個電子，稱為“電子對”；將在同一原子軌道上運動的單個電子，稱為“未成對電子”。以下有關(guān)主族元素原子的“未成對電子”的說法，錯誤的是(BD)A．核外電子數(shù)為奇數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中一定含有“未成對電子”B．核外電子數(shù)為偶數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中一定不含“未成對電子”C．核外電子數(shù)為偶數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中可能含有“未成對電子”D．核外電子數(shù)為奇數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中可能不含“未成對電子”解析：本題考查核外電子排布的軌道表示式。洪特規(guī)則指出電子在等價軌道上排布時，應盡可能分占不同的軌道且自旋方向相同，這就會造成“未成對電子”。當核外電子為奇數(shù)時，一定有“未成對電子”，故D錯誤；當核外電子為偶數(shù)時，會出現(xiàn)不同情況，如8O：，有“未成對電子”；10Ne：，沒有“未成對電子”，故B錯誤。1．下列敘述中，正確的是(C)A．在一個基態(tài)多電子的原子中，可以有兩個運動狀態(tài)完全相同的電子B．在一個基態(tài)多電子的原子中，不可能有兩個能量完全相同的電子C．在一個基態(tài)多電子的原子中，M層上的電子能量肯定比L層上的電子能量高D．如果某一基態(tài)3p能級上僅有2個電子，它們自旋狀態(tài)必然相反解析：同一軌道上的兩個電子，能量相同、自旋狀態(tài)相反，即運動狀態(tài)不一樣，所以A、B錯誤；C中因為M層與L層沒有能級交錯，所以M層能量一定大于L層；D中3p有3個軌道，按照洪特規(guī)則，應占據(jù)其中2個，并且自旋狀態(tài)相同。2．下列說法正確的是(D)A．因為p軌道是“8”字形的，所以p電子是“8”字形B．能層數(shù)為3時，有3s、3p、3d、3f四個軌道C．氫原子中只有一個電子，故氫原子只有一個軌道D．原子軌道與電子云都是用來形象描述電子運動狀態(tài)的解析：A項，p軌道是啞鈴形，是說的電子出現(xiàn)概率高的“區(qū)域”的形狀。B項，能層數(shù)為3時，共有9條軌道。C項，氫原子中有一個電子，但軌道是人們規(guī)定的，可以是空軌道。3．若將15P原子的電子排布式寫成1s22s22p63s23peq\o\al(2,x)3peq\o\al(1,y)，它違背了(D)A．能量守恒原理 B．泡利不相容原理C．能量最低原理 D．洪特規(guī)則解析：洪特規(guī)則：當電子排布在同一能級的不同軌道時，基態(tài)原子中的電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，而且自旋狀態(tài)相同。4．下列說法正確的是(A)A．1s22s12p1表示的是激發(fā)態(tài)原子的核外電子排布B．3p2表示3p能級上有兩個軌道C．同一原子中，1s、2s、3s電子的能量逐漸降低D．同一原子中，2p、3p、4p能級中的軌道數(shù)依次增多解析：A項，1個2s電子被激發(fā)到2p能級上，表示的是激發(fā)態(tài)原子；B項，3p2表示3p能級上填充了2個電子；C項，同一原子中能層序數(shù)越大，能級能量也就越高，故1s、2s、3s電子的能量逐漸升高；D項，不同能層的相同能級，其軌道數(shù)是相等的。5．下列軌道表示式所表示的元素原子中，能量處于最低狀態(tài)的是(C)A.B.C.D.解析：本題考查的是核外電子排布的基本原理。要使各原子能量處于最低狀態(tài)(即基態(tài))，核外電子必須遵循三大原理進行排布。A項中2s軌道沒有排滿電子就排在了2p軌道上，顯然能量不是最低的；B項中2p軌道上的電子排布不符合洪特規(guī)則，三個電子各占一個p軌道且自旋狀態(tài)相同時，能量最低；C項中2p3為半充滿狀態(tài)，能量最低；D項中2p軌道未排滿就排3s軌道，能量不是最低的。故正確答案為C。6．如圖是s能級和p能級的原子軌道圖，下列說法正確的是(C)A．s能級和p能級的原子軌道形狀相同B．每個p能級都有6個原子軌道C．s能級的原子軌道的半徑與能層序數(shù)有關(guān)D．Na原子的電子在11個原子軌道上高速運動解析：s軌道為球形，p軌道為啞鈴形，A項錯誤；每個p能級只有3個原子軌道，B項錯誤；能層序數(shù)越小，s能級的原子軌道的半徑越小，C項正確；Na原子的電子在6個原子軌道上高速運動，D項錯誤。7．下列關(guān)于價電子構(gòu)型為3s23p4的粒子描述正確的是(B)A．它的元素符號為OB．它的核外電子排布式為1s22s22p63s23p4C．它可與H2生成液態(tài)化合物D．其電子排布圖為：解析：依據(jù)價電子構(gòu)型“3s23p4”，可寫出該原子的基態(tài)電子排布式為：1s22s22p63s23p4，應為S。硫與H2化合生成的H2S是氣態(tài)化合物，依據(jù)洪特規(guī)則，其在3p上的4個電子應這樣排布：。8．A、B