化学人教版选修3学案1-1-2电子云和原子轨道

第二课时电子云和原子轨道[学习目标]1.知道电子在原子核外的运动状态。2．知道核外电子排布应同时遵循泡利原理和洪特规则。3．通过日常生活现象理解核外电子运动、电子云轮廓图和原子核外电子运动的状态。一、电子云1．概念一定时间间隔内电子在原子核外出现概率的分布图。2．电子云轮廓图的制作3．电子云图中黑点不代表一个电子，每个黑点表示电子出现过一次。4．黑点疏密的程度表示了电子在原子核外出现的概率的大小。点疏的地方表示电子在那里出现的概率小，点密集的地方表示电子在那里出现的概率大。5．离核越近，电子云出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云更扩散。6．s能级的电子云为球形，只有一种空间伸展方向。p电子云有三种空间伸展方向。二、原子轨道1．定义：原子轨道即电子云的轮廓图。2．原子轨道的形状s能级原子轨道是球形的，p能级原子轨道是纺锤形的。3．能层数n越大，原子轨道半径越大。4．不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，只是半径不同。5．ns能级有1个轨道，np能级有3个轨道，nd能级有5个轨道，nf能级有7个轨道。np能级中的3个原子轨道相互垂直，分别以px、py、pz表示，它们具有相同的能量。三、泡利原理和洪特规则1．泡利原理在任何一个原子里，不可能有运动状态完全相同的两个电子。一个轨道最多只能容纳两个电子，而且自旋方向相反。如2s2的轨道排布图为，不能表示为。2．洪特规则当电子排布在同一能级的不同轨道时(即能量相同的轨道)，总是尽可能分别占据一个轨道，而且自旋方向相同。如2p3的轨道排布图为，不能表示为。知识点一电子云和原子轨道一、电子云1．电子运动的特点(1)质量非常小(电子质量仅为9.1×10－31kg(2)运动速度很快(如在1000V电压下加速的电子的速度可高达1.9×107(3)不能同时准确测定它的位置和速度。2．电子云(1)定义电子在原子核外的运动可以用电子在核外空间出现概率的大小来描述。通常用小黑点的疏密程度来表示电子在原子核外出现概率的大小。由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云。(2)电子云的意义①电子云中的小黑点并不代表一个电子而是代表电子在该处出现过一次。小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现的概率大小。小黑点稀疏的地方，表示电子在该处出现的概率小；小黑点密集的地方，表示电子在该处出现的概率大。②离核越近，电子出现的概率越大，小黑点越密集。如2s电子云比1s电子云更扩散。(3)电子云图和电子云轮廓图这种形象地描述电子在空间出现的概率大小的图形称为电子云图。如右图所示是在一定时间间隔内1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。电子云图很难绘制，使用不便，可用电子云轮廓图来描绘电子云轮廓的形状，电子云轮廓图的绘制过程如图所示。(4)电子云的形状①s电子的电子云轮廓图为球形，只有一种空间伸展方向。所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是一个球形，只是球的半径大小不同(如下图所示)。②p电子云是哑铃状的，有x、y、z三种空间伸展方向，无论2p、3p、4p……哪一个p能级都有三个相互垂直的电子云，分别为px、py、pz，px、py、pz表示的是p电子云在坐标里的取向，如下图所示。二、原子轨道1．原子轨道的空间伸展方向s电子的原子轨道为球形对称，ns能级只有1个轨道，可表示为：eq\x()；p电子的原子轨道是哑铃状的，在空间中有x、y、z三个伸展方向，所以np能级有px、py、pz3个轨道，可表示为：；nd能级有5个轨道，可表示为：；nf能级有7个轨道，可表示为：。2．各原子轨道的能量高低多电子原子中，电子填充原子轨道时，原子轨道能量的高低存在以下规律：①相同能层上原子轨道能量的高低顺序为：ns<np<nd<nf……②形状相同的原子轨道能量的高低顺序为：1s<2s<3s<4s……③能层和形状相同的原子轨道的能量相同，如2px、2py、2pz轨道的能量是相等的。同理，同能层d能级的5个轨道的能量相同，同能层f能级的7个轨道的能量也相同。3．不同能层的能级、原子轨道及电子云形状(见下表)1.相同能级的原子轨道为什么随能层序数n的增大原子轨道平均半径增大？【点拨】随着n的增大，电子的能量越高，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伸展。因此原子轨道的平均半径也变大。2．利用数学归纳法，归纳各能层容有的原子轨道数与能层序数n的关系。【点拨】第一能层只有s能级，1个原子轨道；第二能层有s能级(1个原子轨道)，p能级(3个原子轨道)共有22个原子轨道；第三能层有s能级(1个原子轨道)，p能级(3个原子轨道)，d能级(5个原子轨道)，共有32个原子轨道；可见能层序数为n的能层容有的原子轨道数为n2个。【例1】下列有关电子云和原子轨道的说法中，正确的是()A．原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云B．s能级原子轨道呈球形，处于该轨道上的电子只能在球壳内运动C．p能级原子轨道呈哑铃状，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多D．p能级原子轨道与s能级原子轨道的平均半径都随能层序数的增大而增大【提示】电子云表示电子在核外空间某处出现的概率分布，不代表电子的运动轨迹，小黑点也并不代表电子。【解析】电子云表示电子在核外某一区域出现的概率密度分布，故A项错误；原子轨道是电子出现概率为90%的电子云空间，这只是表明电子在这一空间区域内出现的机会大，在此空间区域外出现的机会少，故B项错误；无论能层序数n如何变化，每个p能级都有3个原子轨道且相互垂直，故C项错误；电子的能量越高，电子在离核更远的区域出现的机会越大，电子云将向更大的空间扩展，原子轨道半径会逐渐增大。【答案】D图1和图2分别是电子云图、原子轨道图，则有关的说法中正确的是(D)A．电子云图就是原子轨道图B．3p2表示3p能级中有两个轨道C．由图2可知s轨道呈圆形，有无数条对称轴D．p能级最多可排6个电子解析：本题的解题关键是要理解电子云的含义。A项中，原子轨道图是电子云的轮廓图，也就是电子出现概率为90%的空间；B项中，3p2表示3p能级中有两个电子；C项中，s轨道呈球形而不是圆形。知识点二原子的核外电子排布的表示方法1五种表示核外电子排布的方法中，电子排布图最能反映电子的排布情况；2要注意五种核外电子排布方法的联系，特别是与比较熟悉的原子结构示意图去相互印证；(3)电子排布式在书写时特别注意如Cr、Cu等符合洪特规则特例的元素。在等价轨道(同一能级)上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时，具有较低的能量和较大的稳定性，可以理解为洪特规则的特例。例如：铬(24Cr)：1s22s22p63s23p63d54s1，正确；1s22s22p63s23p63d44s2，错误。铜(29Cu)：1s22s22p63s23p63d104s1，正确；1s22s22p63s23p63d94s2，错误。【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的核外电子排布图，其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是()【提示】①核外电子的运动状态要从4个方面来描述，即能层、能级、原子轨道和电子的自旋状态，只有同时包含了这4个方面的表达方式，才能准确地表示基态原子的电子运动状态。②核外电子在轨道上填充时，要遵循构造原理、泡利原理和洪特规则。【解析】根据泡利原理，1个原子轨道最多可容纳2个电子且自旋状态相反，选项B中1s、2s、3s和4s原子轨道中2个电子的自旋状态相同，违背了泡利原理，故B错误。根据洪特规则，电子排布在同一能级的不同轨道上时，优先单独占据1个轨道，并且自旋状态相同，A项中3d能级上5个电子未单独占据1个轨道，C项中3d能级上的5个电子虽单独占据1个轨道，但自旋状态不相同，所以A、C项均违背洪特规则。只有D项既符合构造原理，又符合泡利原理和洪特规则，该选项包含了锰原子核外各个电子所处的能层、能级、原子轨道及自旋状态，因而能最准确地表示锰原子核外电子的运动状态。【答案】D下列表示式错误的是(A)A．Na＋的核外电子排布图：B．Na＋的结构示意图：C．Na的电子排布式：1s22s22p63s1D．Na的简化电子排布式：[Ne]3s1解析：A中违反了泡利不相容原理。知识点三基态原子中未成对电子的判断方法1．未成对电子存在的原因原子核外电子排布时，如果同一个能级上各个轨道不能都排满时，会遵循洪特规则，即尽可能分占不同的原子轨道，这样能量最低，原子最稳定。所以此时有些原子轨道上只存在1个电子，该电子被称为未成对电子。2．一般规律(1)在元素周期表中有如下一般规律：第ⅠA、ⅢA、ⅦA族三个主族元素的基态原子核外存在着1个未成对电子，第ⅣA、ⅥA族两个主族元素的基态原子核外存在着2个未成对电子，第ⅤA族元素的基态原子核外存在着3个未成对的p电子，而第ⅡA和0族元素都不存在未成对电子。(2)副族和第Ⅷ族元素可通过核外电子排布式进行判断，其中特别要注意的是铬和铜两种元素，铬的基态原子存在着6个未成对电子，而不是4个。铜的基态原子存在着1个未成对s电子而不是d电子。3．核外电子排布的特点原子核外电子按能量相近排布在不同的能层，各能层又按能量不同排布在不同的能级，每个能级中又分为能量相同的不同轨道，每个轨道中最多填充2个自旋状态不同的电子，即在任何一个原子中找不到两个完全相同的电子。1～36号元素核外电子排布的特殊性(1)最外层只有1个未成对电子的元素：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]；最外层有2个未成对电子的元素：第ⅣA族(ns2np2：C、Si、Ge)，第ⅥA族(ns2np4：O、S、Se)；最外层有3个未成对电子的元素，第ⅤA族(ns2np3：N、P、As)。(2)核外电子排布中，未成对电子数最多的元素：Cr(3d54s1，共有6个未成对电子)。【例3】已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。请回答下列问题：(1)X元素原子基态时的电子排布式为________，该元素的符号是________。(2)Y元素原子的最外层电子的轨道表示式为________，该元素的名称是________。(3)已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金属锌还原为XZ3，产物还有ZnSO4和H2O，该反应的化学方程式是________。【提示】熟练应用未成对电子的一般规律和特殊性。【解析】(1)X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，则X是第四周期ⅤA族元素，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3，即X为As。(2)Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，且As跟Y可形成化合物As2Y3，可推知Y为O；又因为X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，可得Z为H。(3)X2Y3为As2O3，XZ3为AsH3，As2O3与稀硫酸和Zn反应的化学方程式为As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O。【答案】(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3As(2)氧(3)As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O(多选)人们常将在同一原子轨道上运动的，自旋方向相反的2个电子，称为“电子对”；将在同一原子轨道上运动的单个电子，称为“未成对电子”。以下有关主族元素原子的“未成对电子”的说法，错误的是(BD)A．核外电子数为奇数的基态原子，其原子轨道中一定含有“未成对电子”B．核外电子数为偶数的基态原子，其原子轨道中一定不含“未成对电子”C．核外电子数为偶数的基态原子，其原子轨道中可能含有“未成对电子”D．核外电子数为奇数的基态原子，其原子轨道中可能不含“未成对电子”解析：本题考查核外电子排布的轨道表示式。洪特规则指出电子在等价轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道且自旋方向相同，这就会造成“未成对电子”。当核外电子为奇数时，一定有“未成对电子”，故D错误；当核外电子为偶数时，会出现不同情况，如8O：，有“未成对电子”；10Ne：，没有“未成对电子”，故B错误。1．下列叙述中，正确的是(C)A．在一个基态多电子的原子中，可以有两个运动状态完全相同的电子B．在一个基态多电子的原子中，不可能有两个能量完全相同的电子C．在一个基态多电子的原子中，M层上的电子能量肯定比L层上的电子能量高D．如果某一基态3p能级上仅有2个电子，它们自旋状态必然相反解析：同一轨道上的两个电子，能量相同、自旋状态相反，即运动状态不一样，所以A、B错误；C中因为M层与L层没有能级交错，所以M层能量一定大于L层；D中3p有3个轨道，按照洪特规则，应占据其中2个，并且自旋状态相同。2．下列说法正确的是(D)A．因为p轨道是“8”字形的，所以p电子是“8”字形B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道D．原子轨道与电子云都是用来形象描述电子运动状态的解析：A项，p轨道是哑铃形，是说的电子出现概率高的“区域”的形状。B项，能层数为3时，共有9条轨道。C项，氢原子中有一个电子，但轨道是人们规定的，可以是空轨道。3．若将15P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23peq\o\al(2,x)3peq\o\al(1,y)，它违背了(D)A．能量守恒原理 B．泡利不相容原理C．能量最低原理 D．洪特规则解析：洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。4．下列说法正确的是(A)A．1s22s12p1表示的是激发态原子的核外电子排布B．3p2表示3p能级上有两个轨道C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐降低D．同一原子中，2p、3p、4p能级中的轨道数依次增多解析：A项，1个2s电子被激发到2p能级上，表示的是激发态原子；B项，3p2表示3p能级上填充了2个电子；C项，同一原子中能层序数越大，能级能量也就越高，故1s、2s、3s电子的能量逐渐升高；D项，不同能层的相同能级，其轨道数是相等的。5．下列轨道表示式所表示的元素原子中，能量处于最低状态的是(C)A.B.C.D.解析：本题考查的是核外电子排布的基本原理。要使各原子能量处于最低状态(即基态)，核外电子必须遵循三大原理进行排布。A项中2s轨道没有排满电子就排在了2p轨道上，显然能量不是最低的；B项中2p轨道上的电子排布不符合洪特规则，三个电子各占一个p轨道且自旋状态相同时，能量最低；C项中2p3为半充满状态，能量最低；D项中2p轨道未排满就排3s轨道，能量不是最低的。故正确答案为C。6．如图是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是(C)A．s能级和p能级的原子轨道形状相同B．每个p能级都有6个原子轨道C．s能级的原子轨道的半径与能层序数有关D．Na原子的电子在11个原子轨道上高速运动解析：s轨道为球形，p轨道为哑铃形，A项错误；每个p能级只有3个原子轨道，B项错误；能层序数越小，s能级的原子轨道的半径越小，C项正确；Na原子的电子在6个原子轨道上高速运动，D项错误。7．下列关于价电子构型为3s23p4的粒子描述正确的是(B)A．它的元素符号为OB．它的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4C．它可与H2生成液态化合物D．其电子排布图为：解析：依据价电子构型“3s23p4”，可写出该原子的基态电子排布式为：1s22s22p63s23p4，应为S。硫与H2化合生成的H2S是气态化合物，依据洪特规则，其在3p上的4个电子应这样排布：。8．A、B