2025春高二化學選擇性必修2 （配人教版）第一章 原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 第1課時 能層與能級 基態(tài)與激發(fā)態(tài) 構(gòu)造原理

第一章原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)課程標準要求學科核心素養(yǎng)1.能說明微觀粒子的運動狀態(tài)與宏觀物體運動特點的差異。2.能結(jié)合能量最低原理、泡利原理、洪特規(guī)則書寫1～36號元素基態(tài)原子的核外電子排布式和軌道表示式,并說明含義。1.宏觀辨識與微觀探析:能從原子結(jié)構(gòu)視角說明元素的性質(zhì)遞變規(guī)律;能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)說明或預測物質(zhì)的性質(zhì),評估所作說明或預測的合理性。3.能說出元素電離能、電負性的含義,能描述主族元素第一電離能、電負性變化的一般規(guī)律,能從電子排布的角度對這一規(guī)律進行解釋。能說明電負性大小與原子在化合物中吸引電子能力的關系,能利用電負性判斷元素的金屬性與非金屬性的強弱。4.能從原子價電子數(shù)目和價層電子排布的角度解釋元素周期表的分區(qū)、周期和族的劃分。能列舉元素周期律(表)的應用。2.證據(jù)推理與模型認知:能說明原子結(jié)構(gòu)等模型建立的重要證據(jù)及推理過程;能說出與元素性質(zhì)有關的主要參數(shù)的含義與適用范圍;能采用模型、符號等多種方式對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行綜合表征。5.能說明建構(gòu)思維模型在人類認識原子結(jié)構(gòu)過程中的重要作用,能論證證據(jù)與模型建立及其發(fā)展之間的關系。能簡要說明原子核外電子運動規(guī)律的理論探究對研究元素性質(zhì)及其變化規(guī)律的意義。3.科學探究與創(chuàng)新意識:體會在對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的科學探究中經(jīng)歷基于實驗證據(jù)建立、優(yōu)化甚至是重構(gòu)模型的過程,既需要嚴謹?shù)目茖W推理,又需要大膽的科學猜想;認識科學理論是不斷創(chuàng)新和發(fā)展的,樹立對科學本質(zhì)不懈追求的意識。第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)能層與能級基態(tài)與激發(fā)態(tài)構(gòu)造原理第1課時學習目標1.通過認識原子結(jié)構(gòu)與核外電子的排布,能說明能層與能級的關系,描述核外電子的排布規(guī)律。2.通過認識基態(tài)與激發(fā)態(tài)的含義與關系,能從電子躍遷的角度解釋原子光譜的形成。3.通過學習原子核外電子的能級高低順序,了解原子核外電子排布的構(gòu)造原理,并結(jié)合構(gòu)造原理形成核外電子排布式書寫的思維模型,能熟練書寫1～36號元素的核外電子排布式。任務分項突破『自主梳理』1.能層(1)含義:核外電子按能量不同分成能層,用符號

、

、

、

、

、

、

……表示。(2)序號及符號:能層序號一、二、三、四、五、六、七……分別用K、L、M、N、O、P、Q……表示。(3)能量關系:能層越高,電子的能量越高,能量的高低順序為E(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。學習任務1辨析能層與能級KLMNOPQ2.能級(1)含義:根據(jù)多電子原子中同一能層電子

的不同,將它們分成不同能級。(2)表示方法:分別用相應能層的序數(shù)和字母s、p、d、f等表示。[示例]1s表示

,2s表示

,3d表示

;n能層的能級按能量由低到高的排列順序為

等。能量第一能層中的s能級第二能層中的s能級第三能層中的d能級ns、np、nd、nf3.能層、能級與最多容納的電子數(shù)能層(n)一二三四五六七……符號KLMNOPQ……能級1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s……………………最多電子數(shù)22626102610142……………………281832……………………『互動探究』亨利·莫斯萊和巴克拉首次于X射線吸收研究的實驗中發(fā)現(xiàn)了電子層。巴克拉把它們稱為K、L、M(以英文字母排列)等(最初K和L電子層名為B和A,改為K和L的原因是預留空位給未發(fā)現(xiàn)的電子層)。1920年,丹麥科學家玻爾正式提出了構(gòu)造原理,即從氫開始,隨核電荷數(shù)遞增,新增電子填入原子核外“殼層”的順序,由此開啟了用原子結(jié)構(gòu)解釋元素周期律的篇章。5年后,玻爾的“殼層”落實為“能層”與“能級”,厘清了核外電子的可能狀態(tài)。為方便理解,這里的能層可比作是樓層,能級可比作是樓層間的臺階。探究能層與能級的數(shù)量與能量關系問題1:一個能層的能級數(shù)與能層序數(shù)(n)間存在什么關系?如M能層中共有幾個能級?分別用什么符號表示?各能級最多容納的電子數(shù)是多少?提示:能層的能級數(shù)等于該能層序數(shù);M能層中共有3個能級;分別用3s、3p、3d表示;s能級最多容納2個電子,p能級最多容納6個電子,d能級最多容納10個電子。問題2:判斷第五能層最多可容納多少個電子,并試用以上能層與能級上填充的最多電子數(shù)規(guī)律加以解釋。提示:第五能層最多可容納50個電子,它們分別容納在5個能級中。5s能級最多容納2個電子,5p能級最多容納6個電子,5d能級最多容納10個電子,5f能級最多容納14個電子。問題3:s能級的能量一定低于p能級的能量嗎?提示:不一定。同一能層中能量s<p,不同能層中s、p能級的能量高低與能層高低也有關。問題4:3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)是否相同?能量高低有何關系?提示:3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)相同(均為10個)。3d<4d<5d。歸納拓展能層與能級的數(shù)量與能量關系1.能層就是電子層。2.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),即第一能層只有1個能級(1s),第二能層有2個能級(2s和2p),第三能層有3個能級(3s、3p和3d),依次類推。并不是任何能層均含有任何能級。3.多電子原子中,同一能層不同能級的能量順序:E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……如第四能層中E(4s)<E(4p)<E(4d)<E(4f)。4.不同能層中同一能級,能層序數(shù)越大,能量越高。如E(1s)<E(2s)<E(3s)……;E(2p)<E(3p)<E(4p)……5.原子核外電子的每一能層最多可容納的電子數(shù)是2n2(n為能層序數(shù)),但不一定與實際填充的電子數(shù)相同。6.不同能層中符號相同的能級可容納的最多電子數(shù)相同。例如,1s、2s、3s、4s……能級最多都只能容納2個電子?！侯}組例練』題點一能層與能級的定義1.下列能級符號正確的是(

)A.6s B.2d C.3f D.1p√解析:第二能層不含d能級,B項錯誤;第三能層不含f能級,C項錯誤;第一能層不含p能級,D項錯誤。2.下列關于能層和能級的認識正確的是(

)A.各能層含有的電子數(shù)為2n2B.各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束C.各能層含有的能級數(shù)為n-1D.無論哪一個能層的s能級,最多容納的電子數(shù)均為2√解析:各能層最多容納的電子數(shù)是2n2,A項錯誤;第一、第二、第三能層都沒有f能級,B項錯誤;能層序數(shù)等于各能層所含的能級數(shù),C項錯誤。題點二能層與能級的數(shù)量與能量關系3.原子核外的某一能層最多能容納的電子數(shù)目為18,則該能層是(

)A.K能層 B.L能層C.O能層 D.M能層√解析:每一能層最多能容納的電子數(shù)目為2n2,所以最多能容納電子數(shù)目為18的能層是第三能層,即M能層。4.下列說法正確的是(

)A.同一原子中1s、2s、3s電子能量逐漸減小B.同一原子中2p、3p、4p能級可容納的最多電子數(shù)相同C.能量高的電子在離核近的區(qū)域運動,能量低的電子在離核遠的區(qū)域運動D.3d能級最多容納5個電子,3f能級最多容納7個電子√解析:能級符號相同,能層越大,電子能量越高,所以1s、2s、3s電子的能量逐漸增大,故A錯誤;同一原子中,2p、3p、4p可容納的最多電子數(shù)相同,都為6,故B正確;能量低的電子在離核近的區(qū)域運動,能量高的電子在離核遠的區(qū)域運動,故C錯誤;3d能級最多容納10個電子,從N能層(第四能層)開始有f能級,最多容納14個電子,不存在3f能級,故D錯誤。學習任務2認識基態(tài)與激發(fā)態(tài)、原子光譜『自主梳理』1.基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子(1)基態(tài)原子:處于

狀態(tài)的原子。(2)激發(fā)態(tài)原子:基態(tài)原子

能量,它的電子會躍遷到

能級,變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子。(3)基態(tài)、激發(fā)態(tài)相互間轉(zhuǎn)化的能量變化?；鶓B(tài)原子

激發(fā)態(tài)原子最低能量吸收較高不同元素原子的電子發(fā)生躍遷時會吸收或釋放不同的光,可以用光譜儀攝取各種元素原子的

光譜或

光譜,總稱原子光譜。(2)原子光譜的成因及分類。2.光譜(1)原子光譜。吸收發(fā)射吸收光譜發(fā)射光譜[示例]若鈉原子的一個電子從1s能級躍遷到3p能級,要

能量,因此可觀察到

光譜。(3)光譜分析:在現(xiàn)代化學中,常利用原子光譜上的

來鑒定元素,稱為光譜分析。吸收吸收特征譜線『互動探究』夜幕降臨,我們會看到五光十色的霓虹燈將城市的夜景裝扮得分外美麗;盛大節(jié)日時,我們常能觀賞到五彩斑斕的焰火將都市的夜空點綴得絢麗奪目。探究產(chǎn)生光譜現(xiàn)象的原因問題1:稀有氣體在霓虹燈中通電時發(fā)光屬于吸收光譜還是發(fā)射光譜?從原子結(jié)構(gòu)的角度,說明充有氖氣的霓虹燈能發(fā)出紅光的原因。提示:發(fā)射光譜。充有氖氣的霓虹燈能發(fā)出紅光,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是通電后在電場作用下,放電管里氖原子中的電子吸收能量后躍遷到能量較高的能級,且處在能量較高的能級上的電子會很快地以光的形式釋放能量而躍遷到能量較低的能級上,該光的波長恰好處于可見光區(qū)域中的紅色波段。問題2:金屬的焰色試驗中,一些金屬元素呈現(xiàn)不同的焰色的原因是什么?提示:焰色試驗發(fā)生的過程為基態(tài)原子

激發(fā)態(tài)原子

基態(tài)原子,激發(fā)態(tài)原子中的電子躍遷到低能級時將產(chǎn)生發(fā)射光譜,多余的能量以光的形式釋放出來,釋放的能量不同,光的顏色不同。問題3:光譜分析法鑒定元素的原理是什么?提示:一種元素有一種原子光譜,一種原子光譜對應著一種元素,可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜(總稱原子光譜),所以,可以用光譜分析法鑒定元素。歸納拓展光譜產(chǎn)生的原因與應用1.光(輻射)是電子躍遷釋放能量的重要形式之一。電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)時,將以光的形式釋放能量。2.日常生活中看到的燈光、激光、焰火等可見光,都與原子核外電子發(fā)生躍遷釋放能量有關。3.可以利用金屬元素電子躍遷產(chǎn)生的焰色鑒別元素種類。4.電子的躍遷是物理變化(未發(fā)生電子轉(zhuǎn)移),一般在能量相近的能級間發(fā)生,而原子得失電子時發(fā)生的是化學變化。5.可見光包括紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,其中紫色光的波長最短,紅光的波長最長?！侯}組例練』題點一基態(tài)與激發(fā)態(tài)1.下列關于同一原子中的基態(tài)和激發(fā)態(tài)說法錯誤的是(

)A.激發(fā)態(tài)時的能量比基態(tài)時的高B.激發(fā)態(tài)時較不穩(wěn)定C.由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)的過程中釋放能量D.電子在激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間相互躍遷時都會產(chǎn)生原子光譜√解析:激發(fā)態(tài)時能量較高,較不穩(wěn)定,A、B正確;電子從較低能量的基態(tài)躍遷到較高能量的激發(fā)態(tài)時,會吸收能量,產(chǎn)生吸收光譜,反之會產(chǎn)生發(fā)射光譜,C錯誤,D正確。題點二原子光譜2.電子由3d能級躍遷至4p能級時,可通過光譜儀直接攝取(

)A.電子的運動軌跡圖像B.原子的吸收光譜C.電子體積大小的圖像D.原子的發(fā)射光譜√解析:E(3d)<E(4p),故電子由3d能級躍遷至4p能級時,吸收能量,形成吸收光譜。3.激發(fā)態(tài)原子和基態(tài)原子可以通過電子躍遷的方式相互轉(zhuǎn)換,躍遷過程中可得到光譜。下列說法正確的是(

)A.鉀元素的焰色呈紫色,其紫色對應的輻射波長最長B.利用光譜儀只能測得原子的發(fā)射光譜C.焰色試驗中發(fā)生的是化學變化D.原子光譜可以用于定性鑒定元素√解析:鉀元素的焰色呈紫色,可見光中紫色的波長最短,A錯誤;可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜,總稱原子光譜,B錯誤;焰色試驗中發(fā)生的是物理變化,C錯誤;原子光譜可以用于定性鑒定元素,D正確?！鹤灾魇崂怼?.構(gòu)造原理(1)構(gòu)造原理:以光譜學事實為基礎,從氫開始,隨

遞增,新增電子填入能級的順序稱為構(gòu)造原理。學習任務3探究構(gòu)造原理與電子排布式核電荷數(shù)即電子所排的能級順序:1s、2s、2p、3s、3p、4s、

、4p、5s、

、5p、6s、

、

、6p、7s……能層能級電子填入能級3d4d4f5d(2)能級交錯:根據(jù)構(gòu)造原理示意圖可知,隨核電荷數(shù)遞增,電子并不總是填滿一個能層后再開始填入下一個能層的。電子是按3p→4s→3d的順序而不是按3p→3d→4s的順序填充的,這種現(xiàn)象被稱為能級交錯。[示例]試解釋鉀原子結(jié)構(gòu)示意圖為

的原因。提示:由于出現(xiàn)能級交錯現(xiàn)象,鉀原子排滿第一層和第二層后,在排第三層時,先排滿3s能級、3p能級,最后一個電子進入4s能級而不是3d能級,所以它的原子結(jié)構(gòu)示意圖為。2.電子排布式(1)含義:將能級上所排布的電子數(shù)標注在該能級符號

,并按照能層從左到右的順序排列的式子。(2)表示方法。右上角[示例]書寫基態(tài)鋁原子的電子排布式,并解釋各字母、數(shù)字代表的意義。提示:?！夯犹骄俊话雽w或芯片是由晶體硅生產(chǎn)的。晶圓片上刻蝕出數(shù)以百萬甚至上億的晶體管,通過控制電流來管理數(shù)據(jù),形成各種文字、數(shù)字、聲音、圖像和色彩。晶體硅廣泛用于集成電路、微波傳送、激光轉(zhuǎn)換等領域。探究構(gòu)造原理與電子排布式的書寫問題1:寫出基態(tài)硅原子的電子排布式及簡化的電子排布式,硅元素的原子核外共有多少種不同能級的電子?提示:基態(tài)硅原子的電子排布式為1s22s22p63s23p2,簡寫為[Ne]3s23p2,硅元素原子核外有5種不同能級的電子。問題2:圖中3s23p2是硅的何種電子排布式?該排布式與硅元素的化合價之間有何關系?提示:3s23p2是硅的價層電子排布式;元素原子的價層電子排布能體現(xiàn)出元素的主要化合價。問題3:從元素周期表給出的信息知,Cr和Cu的簡化電子排布式分別為[Ar]3d54s1和[Ar]3d104s1,這樣的電子排布符合構(gòu)造原理嗎?是根據(jù)什么確定其電子排布的?提示:不符合構(gòu)造原理;是根據(jù)Cr、Cu的原子光譜確定的。歸納拓展1.基態(tài)原子電子排布式的書寫(以Fe為例)(1)按照構(gòu)造原理寫出電子填入能級的順序1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s……(2)分析基態(tài)原子的核外電子數(shù),根據(jù)各能級容納的電子數(shù)填充電子基態(tài)鐵原子的核外電子數(shù)為26,電子填充順序為1s2→2s2→2p6→3s2→3p6→4s2→3d6(3)去掉空能級,并按能層順序書寫,能量低的能級寫在左邊,而不是按照構(gòu)造原理的順序書寫鐵原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2不能寫成1s22s22p63s23p64s23d62.簡化電子排布式將電子排布式中內(nèi)層電子達到稀有氣體元素原子結(jié)構(gòu)的部分用相應的稀有氣體元素符號外加方括號表示的式子稱為簡化電子排布式;方括號里的符號的意義是該元素上一個周期的惰性氣體元素原子電子排布式的結(jié)構(gòu)。實例氮鈉砷電子排布式1s22s22p31s22s22p63s11s22s22p63s23p63d104s24p3簡化電子排布式[He]2s22p3[Ne]3s1[Ar]3d104s24p33.價層電子排布式的書寫主族元素的價層電子是最外層電子;過渡元素的價層電子不僅是最外層電子,還有次外層電子及某些元素倒數(shù)第三層電子。如Cl的價層電子排布式為3s23p5;K的價層電子排布式為4s1;Fe的價層電子排布式為3d64s2。4.離子核外電子排布式的書寫先寫出原子的電子排布式,再根據(jù)得失電子情況進行調(diào)整。對于主族元素的原子來說,原子失去電子時,一般只失去最外層電子,而過渡元素的原子可能還會進一步失去內(nèi)層電子;原子得到電子時,一般總是填充到最外層未填滿的能級上。如5.絕大多數(shù)元素的原子核外電子的排布順序遵循構(gòu)造原理,但是Cr([Ar]3d54s1)、Cu([Ar]3d104s1)等除外?！侯}組例練』題點一構(gòu)造原理的理解與應用1.下列有關構(gòu)造原理的說法錯誤的是(

)A.原子核外電子填充3p、3d、4s能級的順序為3p→4s→3dB.某基態(tài)原子部分核外電子的排布式為3d64s2C.所有基態(tài)原子的核外電子排布都遵循構(gòu)造原理D.構(gòu)造原理中的電子排布能級順序,實質(zhì)是各能級能量由低到高的順序√解析:根據(jù)構(gòu)造原理ns<(n-2)f<(n-1)d<np,可判斷原子核外電子填充3p、3d、4s能級的順序為3p→4s→3d,故A正確;根據(jù)構(gòu)造原理ns<(n-2)f<(n-1)d<np,某基態(tài)原子部分核外電子的排布式為3d64s2,故B正確;絕大多數(shù)基態(tài)原子的核外電子排布都遵循構(gòu)造原理,但也有少數(shù)例外,如Cu,故C錯誤;構(gòu)造原理中電子填入能級的順序即各能級能量由低到高的順序,故D正確。2.比較下列能級的能量大小關系(填“>”“<”或“=”)。(1)2s

4s;

(2)3p

3d;

(3)3d

4s;

(4)4d

5d;

(5)2p

3s;

(6)4d

5f。

<<><<<解析:由構(gòu)造原理可知,①同一能層的能級能量高低順序為ns<np<nd<nf;②不同能層之間,能量會產(chǎn)生能級交錯現(xiàn)象,即能層序數(shù)大的能級,其能量不一定高,如3d能級具有的能量就高于4s能級所具有的能量。思維建模判斷能級能量高低的方法題點二電子排布式的書寫3.下列電子排布式表示基態(tài)原子的核外電子排布的是(

)A.1s22s22p63s13p2B.1s22s22p63s23p63d104s14p1C.1s22s22p63s23p63d24s1D.1s22s22p63s23p63d104s24p1√解析:A表示激發(fā)態(tài)原子,對應基態(tài)原子的電子排布式為1s22s22p63s23p1;B表示激發(fā)態(tài)原子,對應基態(tài)原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s2;C表示激發(fā)態(tài)原子,對應基態(tài)原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d14s2;D項電子排布式滿足構(gòu)造原理,能量最低,表示基態(tài)原子。4.以下基態(tài)原子的價層電子排布式正確的是(

)A.Mn:1s22s22p63s23p63d54s2B.Zn:[Ar]3d104s2C.Cr:3d44s2D.Cu:3d104s1√解析:1s22s22p63s23p63d54s2為基態(tài)Mn的電子排布式,基態(tài)Mn的價層電子排布式為3d54s2,A錯誤;[Ar]3d104s2為基態(tài)Zn的電子排布式,基態(tài)Zn的價層電子排布式為3d104s2,B錯誤;Cr是24號元素,它的基態(tài)原子的價層電子排布式是3d54s1,C錯誤。5.按要求填空。(1)基態(tài)B的電子排布式為

。

(2)基態(tài)N的最外層電子排布式為

。

(3)Se的原子序數(shù)為

,其核外M層電子排布式為

。(4)Li3N晶體中氮以N3-形式存在,N3-的電子排布式為

。(5)基態(tài)鎵(Ga)原子的電子排布式為

.

。1s22s22p12s22p3343s23p63d101s22s22p61s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)解析:基態(tài)B的核外有5個電子,電子排布式為1s22s22p1?；鶓B(tài)N最外層有5個電子,最高能層數(shù)為2,最外層電子排布式為2s22p3。Se與O同主族,原子序數(shù)為34,N層有6個電子,故其M層排滿