高中化学原子结构与性质教案 新人教版选修3

第九讲原子结构与性质主要知识点复习必修中学习的原子核外电子排布规律1核外电子总是尽量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能量最低原理。2原子核外各电子层最多容纳2N2个电子。3原于最外层电子数目不能超过8个K层为最外层时不能超过2个电子。4次外层电子数目不能超过18个K层为次外层时不能超过2个，倒数第三层电子数目不能超过32个。说明以上规律是互相联系的，不能孤立地理解。例如；当M层是最外层时，最多可排8个电子；当M层不是最外层时，最多可排18个电子1能层与能级由必修的知识，我们已经知道多电子原子的核外电子的能量是不同的，由内而外可以分为第一、二、三、四、五、六、七能层符号表示K、L、M、N、O、P、Q能量由低到高例如钠原子有11个电子，分布在三个不同的能层上，第一层2个电子，第二层8个电子，第三层1个电子。由于原子中的电子是处在原子核的引力场中，电子总是尽可能先从内层排起，当一层充满后再填充下一层。理论研究证明，原子核外每一层所能容纳的最多电子数如下能层一二三四五六七符号KLMNOPQ最多电子数28183250即每层所容纳的最多电子数是2N2N能层的序数但是同一个能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级S、P、D、F，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。各能层上的能级是不一样的。能级的符号和所能容纳的最多电子数如下能层KLMNO能级1S2S2P3S3P3D4S4P4D4F最多电子数2262610261014各能层电子数28183250（1）每个能层中，能级符号的顺序是NS、NP、ND、NF（2）任一能层，能级数能层序数（3）S、P、D、F可容纳的电子数依次是1、3、5、7的两倍各能层所包含的能级类型及各能层、能级最多容纳的电子数见下表能层N一二三四五六七符号KLMNOPQ能级L1S2S2P3S3P3D4S4P4D4F5S22626102610142最多电子数2818322N22、构造原理根据构造原理，只要我们知道原子序数，就可以写出几乎所有元素原子的电子排布。即电子所排的能级顺序1S2S2P3S3P4S3D4P5S4D5P6S4F5D6P7S电子填充的先后顺序（构造原理）为1S2S2P3S3P4S3D4P5S4D5P6S4F5D6P7S5F6D7PNSN2FN1DNP构造原理揭示了原子核外电子的能级分布。不同能层的能级有交错现象，如E3DE4S、E4DE5S、E5DE6S、E6DE7S、E4FE5P等。构造原理是书写基态原子电子排布式的依据，也是绘制基态原子电子排布图（即轨道表示式）的主要依据之一。如NA1S22S22P63S1，能级符号上面数字是该能级上的电子数。元素原子的电子排布（136号）氢H1S1钠NA1S22S22P63S1钾K1S22S22P63S23P64S1【AR】4S1有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有一个电子的偏差，如铬24CRAR3D54S1铜29CUAR3D104S1例如写出17CL（氯）、21SC钪、35BR（溴）的电子排布氯1S22S22P63S23P5钪1S22S22P63S23P63D14S2溴1S22S22P63S23P63D104S24P53电子云和原子轨道1电子运动的特点质量极小运动空间极小极高速运动。因此，电子运动来能用牛顿运动定律来描述，只能用统计的观点来描述。我们不可能像描述宏观运动物体那样，确定一定状态的核外电子在某个时刻处于原子核外空间如何，而只能确定它在原子核外各处出现的概率。概率分布图看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。常把电子出现的概率约为90的空间圈出来，人们把这种电子云轮廓图成为原子轨道。S的原子轨道是球形的，能层序数越大，原子轨道的半径越大。P的原子轨道是纺锤形的，每个P能级有3个轨道，它们互相垂直，分别以PX、PY、PZ为符号。P原子轨道的平均半径也随能层序数增大而增大。S电子的原子轨道都是球形的原子核位于球心，能层序数，2越大，原子轨道的半径越大。这是由于1S，2S，3S电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。这是不难理解的，打个比喻，神州五号必须依靠推动提供能量才能克服地球引力上天，2S电子比1S电子能量高，克服原子核的吸引在离核更远的空间出现的概率就比1S大，因而2S电子云必然比1S电子云更扩散。2重点难点泡利原理和洪特规则量子力学告诉我们NS能级各有一个轨道，NP能级各有3个轨道，ND能级各有5个轨道，NF能级各有7个轨道而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用方向相反的箭头“”来表示。一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且自旋方向相反，这个原理成为泡利原理。推理各电子层的轨道数和容纳的电子数。当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则是洪特规则。洪特规则的特例对于同一个能级，当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的。特例24CR1S22S22P63S23P63D54S129CU1S22S22P63S23P63D104S13D3D半充满全充满轨道表示式用“”表示轨道，用“”或“”表示容纳的电子。1S1S如1H2HE1S2S1S2S2P3LI6C注意、NS能级各有1个轨道，NP能级各有3个轨道，ND能级各有5个轨道，NF能级各有7个轨道。而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用方向相反的箭头“”来表示。“”“”表示自选方向相反。4基态、激发态、光谱1基态最低能量状态。如处于最低能量状态的原子称为基态原子。2激发态较高能量状态（相对基态而言）。如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子。3光谱不同元素的原子发生跃迁时会吸收（基态激发态）和放出（基态激发态）能量，产生不同的光谱原子光谱（吸收光谱和发射光谱）。利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素。小结原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。处于最低能量的原子叫做基态原子。当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。许多元素是通过原子光谱发现的。在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。【例题解析】例1下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是（）A原子核外的电子象云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云BS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CP能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，P能级原子轨道也在增多D与S电子原子轨道相同，P电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大分析电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹，故选项A错误。原子轨道是电子出现的概率约为90的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的机会大，在此区域外出现的机会少，故选项B错误。无论能层序数N怎样变化，每个P能级都是3个原子轨道且相互垂直，故选项C错误。由于按1P、2P、3P的顺序，电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展，原子轨道的平均半径逐渐增大。答案D例2已知锰的核电荷数为25，以下是一些同学绘制的基态锰原子核外电子的轨道表示式（即电子排布图），其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是（）ABCD分析由构造原理可知E4SE3D，而选项A、B中E3DE4S。洪特规则指出“电子排布在同一能级的不同轨道时优单独占据一个轨道，且自旋方向相同”而选项A中未单独占据一个轨道，选项C中虽然单独占据一个轨道但自旋方向不相同。根据泡利原理“1个原子轨道里最多可容纳2个自旋方向相反的电子”而选项B中的S轨道的自旋方向相同。答案D例3若某基态原子的外围电子排布为4D15S2，则下列说法正确的是（）A该元素基态原子中共有3个电子B该元素原子核外有5个电子层C该元素原子最外层共有3个电子D该元素原子M能层共有8个电子分析根据核外电子排布规律，该元素基态原子的电子排布式为1S22S22P63S23P63D104S24P64D15S2。由此可见该元素原子中共有39个电子，分5个电子层，其中M能层上有18个电子，最外层上有2个电子。答案B【巩固练习】1、下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是（）A、原子核外的电子象云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云B、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C、P能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，P能级原子轨道也在增多D、与S电子原子轨道相同，P电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大2、当镁原子由1S22S22P63S21S22S22P63P2时，以下认识正确的是（）A、镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量B、镁原子由激发态转化成基态，这一过程中释放能量C、转化后位于P能级上的两个电子处于同一轨道，且自旋方向相同D、转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似3、一个电子排布为1S22S22P63S23P1的元素最可能的价态是（）A、1B、2C、3D、14、下列关于稀有气体的叙述不正确的是（）A、原子的电子排布最外层都是以P6结束B、其原子与同周期A、A族阳离子具有相同电子排布式C、化学性质非常不活泼D、一定条件下，也可以形成稀有气体化合物4、下列基态原子的电子构型中，正确的是（）A、3D94S2B、3D44S2C、4D105S0D、4D85S25、同一原子的基态和激发态相比较（）A、基态时的能量比激发态时高B、基态时比较稳定C、基态时的能量比激发态时低D、激发态时比较稳定6、若某基态原子的外围电子排布为4D15S2，则下列说法正确的是（）A、该元素基态原子中共有3个电子B、该元素原子核外有5个电子层C、该元素原子最外层共有3个电子D、该元素原子M能层共有8个电子7、下表列出了核电荷数为2125的元素的最高正化合价，回答下列问题元素名称钪钛钒铬锰元素符号SCTIVCRMN核电荷数2122232425最高正价34567（1）写出下列元素基态原子的核外电子排布式SC_TI_V_MN_（2）对比上述五种元素原子的核外电子排布与元素的最高正化合价，你发现的规律是_；出现这一现象的原因是_。8、以下列出的是一些原子的2P能级和3D能级中电子排布的情况。试判断，哪些违反了泡利不相容原理，哪些违反了洪特规则。12345违反泡利不相容原理的有，违反洪特规则的有。9、某元素的激发态原子的电子排布式为1S22S22P63S23P34S1，则该元素基态原子的电子排布式为；元素符号为。二、原子结构与元素的性质（一）、原子结构与周期表1、周期系随着元素原子的核电荷数递增，每到出现碱金属，就开始建立一个新的电子层，随后最外层上的电子逐渐增多，最后达到8个电子，出现稀有气体。然后又开始由碱金属到稀有气体，如此循环往复这就是元素周期系中的一个个周期。例如，第11号元素钠到第18号元素氩的最外层电子排布重复了第3号元素锂到第10号元素氖的最外层电子排布从1个电子到8个电子；再往后，尽管情形变得复杂一些，但每个周期的第1个元素的原子最外电子层总是1个电子，最后一个元素的原子最外电子层总是8个电子。可见，元素周期系的形成是由于元素的原子核外屯子的排布发生周期性的重复。2、周期表在周期表中，把能层数相同的元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成横行，称之为周期，有7个；在把不同横行中最外层电子数相同的元素，按能层数递增的顺序由上而下排成纵行，称之为族，共有18个纵行，16个族。16个族又可分为主族、副族、0族。元素在周期表中的位置由原子结构决定原子核外电子层数决定元素所在的周期，原子的价电子总数决定元素所在的族。S区元素价电子特征排布为S12，价电子数等于族序数。区元素价电子排布特征为（1）D110NS12；价电子总数等于副族序数；DS区元素特征电子排布为N1D10NS12，价电子总数等于所在的列序数；P区元素特征电子排布为NS2NP16；价电子总数等于主族序数。原子结构与元素在周期表中的位置是有一定的关系的。（1）原子核外电子总数决定所在周期数周期数最大能层数（钯除外）46PDKR4D10,最大能层数是4，但是在第五周期。（2）外围电子总数决定排在哪一族，如29CU3D104S1，10111尾数是1所以，是IB。元素周期表是元素原子结构以及递变规律的具体体现。（二）、元素周期律1、原子半径同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小。其主要原因是由于核电荷数的增加使核对电子的引力增加而带来原子半径减小的趋势大于增加电子后电子间斥力增大带来原子半径增大的趋势。同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大。其主要原因是由于电子能层增加，电子间的斥力使原子的半径增大。原子半径的大小取决于两个相反的因素一是电子的能层数，另一个是核电荷数。显然电子的能层数越大，电子间的负电排斥将使原子半径增大，所以同主族元素随着原子序数的增加，电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大。而当电子能层相同时，核电荷数越大，核对电子的吸引力也越大，将使原子半径缩小，所以同周期元素，从左往右，原子半径逐渐减小。粒子半径大小的比较1、原子半径大小比较电子层数越多，其原子半径越大。当电子层数相同时，随着核电荷数增加，原子半径逐渐减小。最外层电子数目相同的原子，原子半径随核电荷数的增大而增大2、核外电子排布相同的离子，随核电荷数的增大，半径减小。3、同种元素的不同粒子半径关系为阳离子原子阴离子，并且价态越高的粒子半径越小。2、电离能（1）定义气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最小能量叫做电离能常用符号I表示，单位为KJMOL1意义通常用电离能来表示原子或离子失去电子的难易程度。（2）元素的第一电离能处于基态的气态原子失去1个电子，生成1价气态阳离子所需要的能量称为第一电离能，常用符号I1表示。原子为基态原子，保证失去电子时消耗能量最低。电离能用来表示原子或分子失去电子的难易程度。电离能越大，表示原子或离子越难失电子；电离能越小，表示原子或离子易失电子。气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量叫做第一电离能。上述表述中的“气态”“基态”“电中性”“失去一个电子”等都是保证“最低能量”的条件。原子的第一电离能有什么变化规律1、递变规律周一周期同一族第一电离能从左往右，第一电离能呈增大的趋势从上到下，第一电离能呈增大趋势。2、第一电离能越小，越易失电子，金属的活泼性就越强。因此碱金属元素的第一电离能越小，金属的活泼性就越强。3气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量叫做第一电离能用I1表示，从一价气态基态正离子中再失去一个电子所需消耗的能量叫做第二电离能用I2表示，依次类推，可得到I3、I4、I5同一种元素的逐级电离能的大小关系I1I2I3I4I5即一个原子的逐级电离能是逐渐增大的。这是因为随着电子的逐个失去，阳离子所带的正电荷数越来越大，再要失去一个电子需克服的电性引力也越来越大，消耗的能量也越来越多。4、BE有价电子排布为2S2，是全充满结构，比较稳定，而B的价电子排布为2S22P1，、比BE不稳定，因此失去第一个电子B比BE容易，第一电离能小。5、NA的I1，比I2小很多，电离能差值很大，说明失去第一个电子比失去第二电子容易得多，所以NA容易失去一个电子形成1价离子；MG的I1和I2相差不多，而I2比I3小很多，所以MG容易失去两个电子形成十2价离子；AL的I1、I2、I3相差不多，而I3比I4小很多，所以A1容易失去三个电子形成3价离子。而电离能的突跃变化，说明核外电子是分能层排布的。电离能的应用、根据电离能数据，确定元素核外电子的排布1如LII1I2I3，表明LI原子核外的三个电子排布在两个能层上，且最外层上只有一个电子根据电离能数据，确定元素在化合物中的化合价。2如K元素I1I2I3，表明K原子易失去一个电子形成1价阳离子。一般来讲，在电离能较低时，原子失去电子形成阳离子的价态为该元素的常见的价态。如NA的第一电离能较小，第二电离能突然增大相当于第一电离能的10倍，故NA的化合价为1，而MG在第三电离发生突变，故MG的化合价为2、判断元素的金属性、非金属性强弱3I1越大，元素的非金属性越强，I1越小，元素的金属性越强。需要我们注意的是，金属活动性表示的是在水溶液中金属单质中的原子失去电子的能力，而电离能是指金属元素在气态时失去电子成为气态阳离子的能力，二者对应条件不同，所以排列顺序不完全一致。3、电负性1键合电子元素相互化合时，原子中用于形成化学键的电子称为键合电子孤电子元素相互化合时，元素的价电子中没有参加形成化学键的电子的孤电子。（2）定义用来描述不同元素的原子对键合电子吸引力的大小。（3）意义元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强；反之，电负性越小，相应原子在化合物中吸引电子的能力越弱。4电负性大小的标准以F的电负性为40和LI的电负性为10作为相对标准。元素的电负性用于判断一种元素是金属元素还是非金属元素，以及元素的活泼性。通常，电负性小于2的元素，大部分是金属元素；电负性大于2的元素，大部分是非金属元素。非金属元素的电负性越大，非金属元素越活泼；金属元素的电负性越小，金属元素越活泼。例如，氟的电负性为4，是最强的非金属元素；钫的电负性为07，是最强的金属元素，5元素电负性的应用元素的电负性与元素的金属性和非金属性的关系1金属的电负性一般都小于18，非金属的电负性一般都大于18，而位于非金属三角区边界的“类金属”如锗、锑等的电负性在18左右，它们既有金属性，又有非金属性。电负性与化合价的关系2电负性数值的大小能够衡量元素在化合物中吸引电子能力的大小。电负性数值小的元素在化合物中吸引电子的能力弱，元素的化合价为正值；电负性数值大的元素在化合物中吸引电子的能力强，元素的化合价为负价判断化学键的类型一般电负性差值大的元素原子间形成的主要是离子键，电负性差值小于17或相同的非金属原子之间形成的主要是共价键；当电负性差值为零时，通常形成非极性键，不为零时易形成极性键。当电负性差值大于17，形成的是离子键对角线规则元素周期中处于对角线位置的元素电负性数值相近，性质相似。4LI、MG在空气中燃烧产物分别为LI2O、MGO，BE（OH）2、AL（OH）3均为两性氢氧化物，硼和硅的含氧酸均为弱酸，由此可以看出对角线规则的合理性。LI、MG的电负性分别为10、12，BE、AL电负性均为15，B、SI的电负性分别为20、18数值相差不大,故性质相似）电负性的周期性变化1、金属元素越容易失电子，对键合电子的吸引能力越小，电负性越小，其金属性越强；非金属元素越容易得电子，对键合电子的吸引能力越大，电负性越大，其非金属性越强；故可以用电负性来度量金属性与非金属性的强弱。周期表从左到右，元素的电负性逐渐变大；周期表从上到下，元素的电负性逐渐变小。电负性的大小可以作为判断元素金属性和非金属性强弱的尺度。金属的电负性一般小于18，非金属的电负性一般大于18，而位于非金属三角区边界的“类金属”的电负性则在18左右，他们既有金属性又有非金属性。2、同周期元素从左往右，电负性逐渐增大，表明金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。同主族元素从上往下，电负性逐渐减小，表明元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。小结原子半径、电离能、电负性的周期性变化规律在元素周期表中同周期元素从左到右，原子半径逐渐减小，第一电离能逐渐增大（趋势），电负性逐渐增大。在元素周期表中同主族从上到下原子半径逐渐增大，第一电离能逐渐减小，电负性逐渐减小。典例解析例1镁的第一电离能比铝的大，磷的第一电离能比硫的大，为什么呢MG1S22S22P63S2P1S22S22P63S23P3解析那是因为镁原子、磷原子最外层能级中，电子处于半满或全满状态，相对比较稳定，失电子较难。如此相同观点可以解释N的第一电离能大于O，MG的第一电离能大于AL，ZN的第一电离能大于GA。例2下列说法正确的是（）A第3周期所含的元素中钠的第一电离能最小B铝的第一电离能比镁的第一电离能大C在所有元素中，氟的电离能最大D钾的第一电离能比镁的第一电离能大解析考查元素第一电离能的变化规律，一般同周期从左到右第一电离能逐渐增大，碱金属元素的第一电离能最小，稀有气体最大故A正确C不正确；但有反常，第A和VA族元素比同周期相邻两种元素第一电离能都低。同主族从上到下元素的第一电离能逐渐减小。，由于核外价电子排布镁为3S2，AL为3S23P1，故AL的第一电离能小于MG的，所