2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第1章原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第1節(jié)原子結(jié)構(gòu)第3課時電子云與原子軌道泡利原理洪特規(guī)則能量最低原理課件新人教版選擇性必修2

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第三課時電子云與原子軌道泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理素養(yǎng)目標(biāo)學(xué)習(xí)要點1.通過原子軌道和電子云模型來描述電子的運動狀態(tài)(空間分布及能量),辨識微觀粒子運動狀態(tài)不同于宏觀物體運動狀態(tài),建立對原子結(jié)構(gòu)的模型認(rèn)知。2.認(rèn)識基態(tài)原子中核外電子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規(guī)則,通過書寫1~36號元素基態(tài)原子的核外電子排布式和軌道表示式,形成證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。三個概念:原子軌道、運動狀態(tài)、空間運動狀態(tài)。三個規(guī)律:泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。一個符號:軌道表示式。知識點一電子云與原子軌道基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)知識點一電子云與原子軌道1.電子運動的特點量子力學(xué)指出,一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行,而在核外空間各處都可能出現(xiàn),但出現(xiàn)的

不同,可以算出它們的

分布。用P表示電子在某處出現(xiàn)的

,V表示該處的體積,則

稱為

,用ρ表示。

概率

概率密度

概率

概率密度

2.電子云(1)定義:電子云是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的

分布的形象化描述。

一定是立體的,而非平面的(2)含義:用單位體積內(nèi)小點的疏密程度表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小,小點越

,表示

越大。

(3)形狀概率密度密

概率密度

球形

啞鈴狀

33.原子軌道(1)定義:量子力學(xué)把電子在原子核外的一個

稱為一個原子軌道。

(2)形狀與取向①s電子的原子軌道呈

形,能層序數(shù)越大,原子軌道的半徑越

。

②p電子的原子軌道呈

狀,能層序數(shù)越大,原子軌道的半徑越大。

空間運動狀態(tài)

球

大啞鈴

(3)能級與原子軌道數(shù)目的關(guān)系

能級符號nsnpndnf軌道數(shù)目

1357深度思考(1)在同一能層中px、py、pz的能量是否相同?(2)4f能級有7個軌道,則其電子云在空間有幾種伸展方向?能層序數(shù)n與該層軌道數(shù)的關(guān)系是什么?(3)基態(tài)碳原子核外有多少種運動狀態(tài)的電子?有多少種能量狀態(tài)的電子?有多少種空間運動狀態(tài)的電子?提示

在同一能層中px、py、pz的能量相同。

提示

7種;n能層軌道數(shù)=n2。

提示

6;3;4。

正誤判斷(1)電子在原子核外的線性軌道上運行。(

)提示

×。電子在核外空間各處都可能出現(xiàn)。(2)所有原子的電子云均為球形。(

)提示

只有s能級中電子的電子云為球形。(3)在同一能層中px、py、pz的能量相同。(

)(4)原子軌道都具有一定的伸展方向。(

)提示

s軌道沒有伸展方向。(5)2p、3p、4p電子云均為啞鈴狀且大小相同。(

)提示

2p、3p、4p電子云大小不相同?！痢痢獭痢林仉y突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度1

對電子云概念的理解例1基態(tài)氫原子的電子云圖為球形(如圖),下列有關(guān)說法正確的是(

)A.1個小點表示一個電子B.He的基態(tài)原子兩個電子的電子云也是與此大小相同的球形C.如果電子發(fā)生躍遷,電子云形狀有可能變成啞鈴狀D.小點密集的地方表示電子在該區(qū)域出現(xiàn)的概率小C解析

在電子云圖中,小點并不代表電子,A錯誤;He的基態(tài)原子為1s2,所以電子云形狀相同,但是電子能量不相同,電子云的大小不相同,B錯誤;如果氫原子的電子發(fā)生了躍遷,進(jìn)入了其他能級,如p能級,則電子云的形狀將變成啞鈴狀,C正確;小點代表電子在核外空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率,小點密集的地方表示電子在該區(qū)域出現(xiàn)的概率大,D錯誤。[對點訓(xùn)練1]如圖所示,甲、乙分別是1s電子的概率密度分布圖和電子云輪廓圖。下列說法正確的是(

)A.圖甲中每個小點表示1個電子B.圖乙表明1s電子的電子云輪廓圖呈球形,球體有無數(shù)條對稱軸C.圖乙表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)D.不同能層的s電子的電子云輪廓圖的半徑相等B解析

電子云中小點的疏密程度描述的是電子在原子核外空間出現(xiàn)的概率大小,而非每個小點表示1個電子,A項錯誤;1s電子的電子云輪廓圖為球形,球體代表1s電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的區(qū)域,該區(qū)域外仍會有電子出現(xiàn),但電子出現(xiàn)的概率較小,C項錯誤;能級類別相同,能層越高,電子能量越高,電子云輪廓圖的半徑或平均半徑越大,D項錯誤。探究角度2

原子軌道的理解例2如圖甲是氫原子的1s電子云圖(即概率密度分布圖),圖乙、丙分別表示s、p能級的電子云輪廓圖。下列有關(guān)說法正確的是(

)A.電子云圖(即概率密度分布圖)就是原子軌道圖B.3p2表示3p能級中有兩個原子軌道C.由圖乙可知,s能級的電子云輪廓圖呈圓形,有無數(shù)條對稱軸D.由圖丙可知,p能級的原子軌道圖呈啞鈴狀,且有3個伸展方向D解析

電子云輪廓圖與電子云圖不是同一個概念,而是我們常說的原子軌道圖,A項錯誤;3p2表示3p能級中容納了2個電子,B項錯誤;s能級的電子云輪廓圖呈球形而不是圓形,C項錯誤;p能級的原子軌道圖呈啞鈴狀,有px、py、pz三個伸展方向,并且互相垂直,D項正確?！咀兪皆O(shè)問】(1)2px、2py、2pz的電子云形狀和大小相同嗎?(2)3px所代表的含義是什么?(3)下列能級含有7個原子軌道的是

(填序號)。

①7s

②7d

③5f

④7p答案

相同。

答案

第三能層沿x軸方向伸展的p軌道。

答案

③

歸納總結(jié)原子軌道的比較

[對點訓(xùn)練2](魯科版課后題)下列敘述中,正確的是(

)A.s、p、d能級所含有的原子軌道數(shù)分別為1、3、5B.各電子層的能級都是從s能級開始,到f能級結(jié)束C.不同的電子層所含的s能級的原子軌道數(shù)是不同的D.各電子層含有的原子軌道數(shù)為2n2A解析

每個能層上所有的能級數(shù)與能層序數(shù)相等,每個能層所包含的軌道數(shù)等于該層各能級的軌道數(shù)之和,即能層序數(shù)的平方(n2)。知識點二泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)知識點二泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理1.電子自旋與泡利原理(1)電子的自旋:電子除空間運動狀態(tài)外,還有一種狀態(tài)叫做自旋。電子自旋在空間有

兩種取向,常用上下箭頭(“↑”和“↓”)表示

的電子。

(2)泡利原理:在一個原子軌道里,最多只能容納

個電子,而且它們的自旋

,這個原理被稱為泡利原理,也稱泡利不相容原理。

順時針和逆時針

自旋相反

2相反2.電子排布的軌道表示式在軌道表示式中,用

(也可用

)表示原子軌道,如氧的基態(tài)原子的軌道表示式為

。

(1)簡并軌道:

。

(2)電子對:

。

表示為“↑↓”

表示為“↑”或“↓”(3)單電子(或未成對電子):

。

(4)自旋平行:

。

方框

圓圈

O能量相同的原子軌道

同一原子軌道中,自旋方向相反的一對電子

一個原子軌道中若只有一個電子,則該電子稱為單電子

簡并軌道中箭頭同向的單電子

(5)表示方法:以鋁原子為例,軌道表示式中各符號、數(shù)字的意義為

1個軌道1個電子及其自旋狀態(tài)2個自旋相反的電子3.洪特規(guī)則:基態(tài)原子中,填入簡并軌道的電子總是先

,且自旋

。

4.能量最低原理:在構(gòu)建基態(tài)原子時,電子將盡可能地占據(jù)

,使整個原子的能量最低。

5.判斷核外電子的運動狀態(tài)和空間運動狀態(tài)單獨分占平行能量最低的原子軌道深度思考(1)為什么基態(tài)氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1?提示

原子的能量越低越穩(wěn)定,2s能級中的電子能量高于1s能級中的電子能量,基態(tài)原子的核外電子排布必須遵循能量最低原理,故基態(tài)氦原子的電子排布式是1s2。提示

根據(jù)洪特規(guī)則,基態(tài)氮原子的核外電子在排滿2s軌道后,余下的3個電子將以自旋平行的方式分別占據(jù)2p能級的3個簡并軌道。(3)為什么基態(tài)Sc的價層電子排布是3d14s2,而不是4s3?提示

根據(jù)構(gòu)造原理,電子在排滿3p軌道后,剩余的電子先填充到4s軌道,當(dāng)4s軌道排滿后,電子再填入3d軌道,且根據(jù)泡利原理,在一個原子軌道里,最多只能容納2個電子,所以基態(tài)Sc原子的價層電子排布式是3d14s2。正誤判斷(1)當(dāng)電子排布在同一能級的不同軌道時,電子總是先占滿1個軌道,再占據(jù)其他原子軌道。(

)提示

當(dāng)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。(2)基態(tài)氮原子的軌道表示式為

。(

)提示

違背了洪特規(guī)則,2p軌道上的三個電子應(yīng)分占三個軌道且自旋方向相同。(3)原子核外電子排布為ns2np7,它違背了能量最低原理。(

)提示

違背了泡利原理,每個軌道最多可容納2個電子,p軌道最多容納6個電子?！痢痢?5)基態(tài)碳原子中不存在單電子。(

)√×提示

基態(tài)碳原子的軌道表示式為

,存在兩個單電子。

重難突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度1

泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理例1下列說法錯誤的是(

)A.ns電子的能量可能低于(n-1)p電子的能量B.6C的電子排布式為,違背了洪特規(guī)則C.電子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3,違背了能量最低原理D.電子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10,違背了泡利原理A解析

電子的能量與能層和能級都有關(guān),ns電子的能量一定高于(n-1)p電子的能量,故A錯誤;p能級有3個軌道,2p能級有2個電子,電子應(yīng)優(yōu)先占據(jù)2個軌道,且自旋方向相同,2px填充2個電子,違背了洪特規(guī)則,故B正確;3d能級的能量高于4s能級,沒有填充4s能級,就填充3d能級,違背能量最低原理,故C正確;p能級有3個軌道,每個軌道最多容納2個電子,且自旋方向相反,3p能級最多填充6個電子,而填充10個電子違背了泡利原理,故D正確。歸納總結(jié)泡利原理和洪特規(guī)則的區(qū)別

類型泡利原理洪特規(guī)則研究對象一個原子軌道同一能級的不同軌道要求最多只能容納2個電子,而且它們的自旋相反電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道,而且自旋平行實例

[對點訓(xùn)練1]下列各項敘述錯誤的是(

)A.具有如下電子層結(jié)構(gòu)的兩種原子:3p軌道上有2個未成對電子的原子和4p軌道上有2個未成對電子的原子,這兩種原子相應(yīng)的元素不一定同一主族B.若硫原子的軌道表示式為

違反了泡利原理C.[Ar]3d64s2是基態(tài)原子的核外電子排布D.泡利原理、洪特規(guī)則、構(gòu)造原理都是核外電子排布滿足能量最低的條件B解析

p軌道上有2個未成對電子,則該原子軌道上的電子數(shù)可能為2或4,不能確定元素的種類,則不一定為同一主族,故A正確;3p能級上的4個電子應(yīng)該盡可能分占不同的原子軌道,若硫原子的軌道表示式為

違反了洪特規(guī)則,故B錯誤;電子排布式為[Ar]3d64s2符合能量最低原理,所以[Ar]3d64s2是基態(tài)原子的核外電子排布式,故C正確;泡利原理、洪特規(guī)則、構(gòu)造原理都是核外電子排布滿足能量最低的條件,故D正確。探究角度2

電子排布的軌道表示式例2加大石油、天然氣、銅、鉻、鎢、稀土、晶質(zhì)石墨等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源勘查,是做好重要礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略的重要舉措。(1)基態(tài)鉻原子的核外電子排布式為[Ar]3d54s1,價層電子軌道表示式為

。

(2)基態(tài)銅原子的核外電子排布式為[Ar]3d104s1,價層電子軌道表示式為

。

(3)在d軌道中電子排布成,而不排布成,其最直接的根據(jù)是什么?洪特規(guī)則(4)如圖是一些原子的2p能級和3d能級中電子排布的情況;其中違反了洪特規(guī)則的是

。

②④⑤解析

(4)①該電子排布中,有一個原子軌道中排布了兩個自旋狀態(tài)相同的電子,該排布符合洪特規(guī)則,但違反了泡利原理;②2p軌道中排布4個電子時,一定有3個電子的自旋狀態(tài)相同,該排布不符合洪特規(guī)則;③2p軌道中排布4個電子時,一定有3個電子的自旋狀態(tài)相同,該排布符合洪特規(guī)則;④3d軌道在只有5個電子時,電子優(yōu)先以相同的自旋狀態(tài)分別占據(jù)一個軌道,該排布不符合洪特規(guī)則;⑤3d軌道在排布6個電子時,一定有5個電子的自旋狀態(tài)相同,該排布不符合洪特規(guī)則;⑥3d軌道在排布10個電子時,每個軌道排布2個自旋狀態(tài)相反的電子,該排布符合洪特規(guī)則。歸納總結(jié)1.書寫軌道表示式時的“四”注意(1)一個方框表示一個原子軌道,一個箭頭表示一個電子。(2)不同能級中的□要相互分開,同一能級中的□要相互連接。(3)整個軌道表示式中各能級的排列順序要與相應(yīng)的電子排布式一致。(4)當(dāng)□中有2個電子時,它們的自旋狀態(tài)必須相反。2.洪特規(guī)則的特例簡并軌道上的電子排布處于全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)狀態(tài)時,體系的能量較低,原子較穩(wěn)定。(1)絕大多數(shù)原子的電子排布只要遵循構(gòu)造原理,就符合能量最低原理。(2)Cr、Cu、Ag、Au等少數(shù)原子的電子排布雖然不遵循構(gòu)造原理,但是符合能量最低原理。

半充滿如基態(tài)24Cr原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1,易錯寫為

1s22s22p63s23p63d44s2;基態(tài)29Cu原子的電子排布式為[Ar]3d104s1,易錯寫為[Ar]3d94s2。

全充滿[對點訓(xùn)練2](教材改編題)下面是元素周期表第二周期部分元素基態(tài)原子的軌道表示式,據(jù)此判斷下列說法錯誤的是(

)A.每個原子軌道里最多只能容納2個電子B.電子排在同一能級時,總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道C.每個能層所具有的能級數(shù)等于能層的序數(shù)(n)D.若一個能級中有2個電子,則其自旋一定相反D解析

由題給四種元素原子的軌道表示式可知,在一個原子軌道里,最多只能容納自旋相反的2個電子,即符合泡利原理,A正確;當(dāng)電子排布在同一能級的不同軌道時,總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道且自旋平行,即符合洪特規(guī)則,

B正確;任一能層的能級總是從s能級開始,而且能級數(shù)等于該能層序數(shù),C正確;若在同一個原子軌道里有2個電子,則它們的自旋相反,若在同一能級的不同軌道里有2個電子,則自旋平行,故D錯誤。[對點訓(xùn)練3](魯科版課后題)下列各組原子中,彼此化學(xué)性質(zhì)一定相似的是(

)A.電子排布式為1s2的X原子與電子排布式為1s22s2的Y原子B.原子核外M能層上僅有兩個電子的X原子與原子核外N能層上僅有兩個電子的Y原子C.2p能級中有一個空軌道的X原子與3p能級中有一個空軌道的Y原子D.最外層都只有1個電子的X、Y原子C解析

電子排布式為1s2的原子為He,電子排布式為1s22s2的原子為Be,兩者化學(xué)性質(zhì)不相似,A錯誤;原子核外M能層上僅有兩個電子的X原子為Mg,原子核外N能層上僅有兩個電子的Y原子有多種,如第四周期中Ca、Fe、Zn等,化學(xué)性質(zhì)不一定相似,B錯誤;2p能級中有一個空軌道的X原子為C,3p能級中有一個空軌道的Y原子為Si,均為第ⅣA族元素,同主族的C和Si化學(xué)性質(zhì)相似,C正確;原子最外層只有1個電子有第ⅠA族元素及部分過渡元素(如Cr、Cu),其化學(xué)性質(zhì)不一定相似,D錯誤。探究角度3

未成對電子數(shù)及空間運動狀態(tài)的判斷例3氧元素基態(tài)原子核外未成對電子數(shù)為

;第三周期中有2個未成對電子的元素符號為

(填一種即可),M層上有2對成對電子的原子最外層共有

種不同運動狀態(tài)的電子。

2Si(或S)6解析

O原子核外有8個電子,其基態(tài)原子核外電子排布式為1s22s22p4,故其核外未成對電子數(shù)是2。第三周期中有2個未成對電子的元素的價層電子排布式為3s23p2或3s23p4,核外電子數(shù)為14或16,元素符號為Si或S。M層上有2對成對電子的原子的電子排布式為1s22s22p63s23p4,最外層有6個電子,每個電子的運動狀態(tài)都不相同,所以最外層共有6種不同運動狀態(tài)的電子?！咀兪皆O(shè)問】(1)第三周期M層上有兩對成對電子的元素符號為

,其最外層電子軌道表示式為

。

(2)基態(tài)S原子核外有幾種不同的空間運動狀態(tài)?答案

9種。S歸納總結(jié)1.成對電子和未成對電子的定義。一個原子軌道中只有1個電子時,該電子即為未成對電子。一個原子軌道中的2個自旋相反的電子稱為成對電子。2.一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子。注意與“空間運動狀態(tài)”的區(qū)分,如在同一個原子軌道里的2個電子,它們的空間運動狀態(tài)是相同的。[對點訓(xùn)練4]下列微粒中,最外層未成對電子數(shù)最多的是(

)A.O B.FC.Mn D.Fe3+D解析

O的最外層電子排布式為2s22p4,2p能級上有2個未成對電子;F的最外層電子排布式為2s22p5,2p能級上有1個未成對電子;Mn的最外層電子排布式為4s2,最外層未成對電子數(shù)為0;Fe3+的最外層電子排布式為3s23p63d5,3d能級上有5個未成對電子。根據(jù)分析可以知道最外層未成對電子數(shù)最多的是Fe3+,D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)123456題組1電子云與原子軌道1.(2024·河北邢臺高二檢測)1926年奧地利學(xué)者薛定諤提出了電子云模型。關(guān)于電子云的下列說法不正確的是(

)A.s電子繞核旋轉(zhuǎn),其軌道為一圓圈,而p電子是走∞字形B.s軌道都是球形軌道C.軌道不同,電子云的形狀也不一樣D.電子云圖是形象描述電子在空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率大小的圖形A123456解析

電子的運動為無規(guī)則運動,沒有固定軌道,故A錯誤;每個能層s能級的原子軌道的形狀相同,均為球形,故B正確;軌道不同,電子云的形狀也不一樣,故C正確;電子云是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述,電子云圖是形象描述電子在空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率大小的圖形,故D正確。1234562.下列有關(guān)電子云和原子軌道的說法正確的是(

)A.2s電子云呈球形,表示電子繞原子核做圓周運動B.電子云圖中的小黑點密度大,說明該原子核外空間電子數(shù)目多C.ns能級的原子軌道圖可表示為D.3d能級上有3個原子軌道C123456解析

電子云是電子在原子核外空間概率密度分布的形象描述,電子云不代表電子的運動軌跡,故A錯誤;小黑點的疏密表示電子出現(xiàn)概率的大小,密則出現(xiàn)概率大,疏則出現(xiàn)概率小,故B錯誤;s能級的電子云呈球形,故C正確;

3d能級上有5個原子軌道,故D錯誤。123456題組2泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理3.在2p能級上最多只能排布6個電子,其依據(jù)的規(guī)律是(

)A.能量最低原理 B.泡利原理C.洪特規(guī)則 D.能量最低原理和泡利原理B解析

在一個原子軌道里,最多只能容納2個電子,而且它們的自旋狀態(tài)相反,稱為泡利原理。當(dāng)電子排布在同一個能級的不同軌道時,基態(tài)原子中的電子總是單獨優(yōu)先占據(jù)一個軌道,而且自旋狀態(tài)相同,稱為洪特規(guī)則。能量最低原理是核外電子排布時,盡可能先占據(jù)能量最低的軌道。因此在2p能級上最多只能排布6個電子,其依據(jù)的規(guī)律是泡利原理,B正確。1234564.下列說法錯誤的是(

)A.電子排布(23V)1s22s22p63s23p63d5違反了洪特規(guī)則B.

違反了泡利原理C.原子核外電子排布遵循“使整個原子處于能量最低的狀態(tài)”總原則D.同一原子中,2p、3d、4f能級的軌道數(shù)依次增多A解析

電子排布(23V)1s22s22p63s23p63d5違反了能量最低原理,故A錯誤;根據(jù)泡利原理,每個軌道最多容納兩個電子,且自旋方向相反

,違反了泡利原理,故B正確;原子核外電子排布遵循“使整個原子處于能量最低的狀態(tài)”總原則,故C正確;同一原子中,2p軌道有3個,3d軌道有5個,4f軌道有7個,軌道數(shù)依次增多,故D正確。1234565.下列關(guān)于硅原子的核外電子排布表示方法錯誤的是(

)A.1s22s22p63s23p2B.[Ne]3s23p2C解析

A、B兩項是電子排布式,C、D兩項是軌道表示式,其中C項違背了洪特規(guī)則,故錯誤。1234566.(2024·福建廈門高二檢測)許多金屬及其化合物在生活、化工、醫(yī)藥、材料等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。(1)鈦被譽為“未來鋼鐵”“戰(zhàn)略金屬”?；鶓B(tài)鈦原子中電子占據(jù)能量最高能級的符號為

。

(2)基態(tài)Fe3