2024-2025学年新教材高中化学第1章原子结构与性质第1节原子结构第3课时电子云与原子轨道泡利原理洪特规则能量最低原理课件新人教版选择性必修2

第一节原子结构第三课时电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、能量最低原理素养目标学习要点1.通过原子轨道和电子云模型来描述电子的运动状态(空间分布及能量),辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态,建立对原子结构的模型认知。2.认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则,通过书写1~36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。三个概念:原子轨道、运动状态、空间运动状态。三个规律:泡利原理、洪特规则、能量最低原理。一个符号:轨道表示式。知识点一电子云与原子轨道基础落实•必备知识全过关知识点一电子云与原子轨道1.电子运动的特点量子力学指出,一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行,而在核外空间各处都可能出现,但出现的

不同,可以算出它们的

分布。用P表示电子在某处出现的

,V表示该处的体积,则

称为

,用ρ表示。

概率

概率密度

概率

概率密度

2.电子云(1)定义:电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的

分布的形象化描述。

一定是立体的,而非平面的(2)含义:用单位体积内小点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率的大小,小点越

,表示

越大。

(3)形状概率密度密

概率密度

球形

哑铃状

33.原子轨道(1)定义:量子力学把电子在原子核外的一个

称为一个原子轨道。

(2)形状与取向①s电子的原子轨道呈

形,能层序数越大,原子轨道的半径越

。

②p电子的原子轨道呈

状,能层序数越大,原子轨道的半径越大。

空间运动状态

球

大哑铃

(3)能级与原子轨道数目的关系

能级符号nsnpndnf轨道数目

1357深度思考(1)在同一能层中px、py、pz的能量是否相同?(2)4f能级有7个轨道,则其电子云在空间有几种伸展方向?能层序数n与该层轨道数的关系是什么?(3)基态碳原子核外有多少种运动状态的电子?有多少种能量状态的电子?有多少种空间运动状态的电子?提示

在同一能层中px、py、pz的能量相同。

提示

7种;n能层轨道数=n2。

提示

6;3;4。

正误判断(1)电子在原子核外的线性轨道上运行。(

)提示

×。电子在核外空间各处都可能出现。(2)所有原子的电子云均为球形。(

)提示

只有s能级中电子的电子云为球形。(3)在同一能层中px、py、pz的能量相同。(

)(4)原子轨道都具有一定的伸展方向。(

)提示

s轨道没有伸展方向。(5)2p、3p、4p电子云均为哑铃状且大小相同。(

)提示

2p、3p、4p电子云大小不相同。××√××重难突破•能力素养全提升探究角度1

对电子云概念的理解例1基态氢原子的电子云图为球形(如图),下列有关说法正确的是(

)A.1个小点表示一个电子B.He的基态原子两个电子的电子云也是与此大小相同的球形C.如果电子发生跃迁,电子云形状有可能变成哑铃状D.小点密集的地方表示电子在该区域出现的概率小C解析

在电子云图中,小点并不代表电子,A错误;He的基态原子为1s2,所以电子云形状相同,但是电子能量不相同,电子云的大小不相同,B错误;如果氢原子的电子发生了跃迁,进入了其他能级,如p能级,则电子云的形状将变成哑铃状,C正确;小点代表电子在核外空间区域内出现的概率,小点密集的地方表示电子在该区域出现的概率大,D错误。[对点训练1]如图所示,甲、乙分别是1s电子的概率密度分布图和电子云轮廓图。下列说法正确的是(

)A.图甲中每个小点表示1个电子B.图乙表明1s电子的电子云轮廓图呈球形,球体有无数条对称轴C.图乙表示1s电子只能在球体内出现D.不同能层的s电子的电子云轮廓图的半径相等B解析

电子云中小点的疏密程度描述的是电子在原子核外空间出现的概率大小,而非每个小点表示1个电子,A项错误;1s电子的电子云轮廓图为球形,球体代表1s电子在原子核外空间出现概率P=90%的区域,该区域外仍会有电子出现,但电子出现的概率较小,C项错误;能级类别相同,能层越高,电子能量越高,电子云轮廓图的半径或平均半径越大,D项错误。探究角度2

原子轨道的理解例2如图甲是氢原子的1s电子云图(即概率密度分布图),图乙、丙分别表示s、p能级的电子云轮廓图。下列有关说法正确的是(

)A.电子云图(即概率密度分布图)就是原子轨道图B.3p2表示3p能级中有两个原子轨道C.由图乙可知,s能级的电子云轮廓图呈圆形,有无数条对称轴D.由图丙可知,p能级的原子轨道图呈哑铃状,且有3个伸展方向D解析

电子云轮廓图与电子云图不是同一个概念,而是我们常说的原子轨道图,A项错误;3p2表示3p能级中容纳了2个电子,B项错误;s能级的电子云轮廓图呈球形而不是圆形,C项错误;p能级的原子轨道图呈哑铃状,有px、py、pz三个伸展方向,并且互相垂直,D项正确。【变式设问】(1)2px、2py、2pz的电子云形状和大小相同吗?(2)3px所代表的含义是什么?(3)下列能级含有7个原子轨道的是

(填序号)。

①7s

②7d

③5f

④7p答案

相同。

答案

第三能层沿x轴方向伸展的p轨道。

答案

③

归纳总结原子轨道的比较

[对点训练2](鲁科版课后题)下列叙述中,正确的是(

)A.s、p、d能级所含有的原子轨道数分别为1、3、5B.各电子层的能级都是从s能级开始,到f能级结束C.不同的电子层所含的s能级的原子轨道数是不同的D.各电子层含有的原子轨道数为2n2A解析

每个能层上所有的能级数与能层序数相等,每个能层所包含的轨道数等于该层各能级的轨道数之和,即能层序数的平方(n2)。知识点二泡利原理、洪特规则、能量最低原理基础落实•必备知识全过关知识点二泡利原理、洪特规则、能量最低原理1.电子自旋与泡利原理(1)电子的自旋:电子除空间运动状态外,还有一种状态叫做自旋。电子自旋在空间有

两种取向,常用上下箭头(“↑”和“↓”)表示

的电子。

(2)泡利原理:在一个原子轨道里,最多只能容纳

个电子,而且它们的自旋

,这个原理被称为泡利原理,也称泡利不相容原理。

顺时针和逆时针

自旋相反

2相反2.电子排布的轨道表示式在轨道表示式中,用

(也可用

)表示原子轨道,如氧的基态原子的轨道表示式为

。

(1)简并轨道:

。

(2)电子对:

。

表示为“↑↓”

表示为“↑”或“↓”(3)单电子(或未成对电子):

。

(4)自旋平行:

。

方框

圆圈

O能量相同的原子轨道

同一原子轨道中,自旋方向相反的一对电子

一个原子轨道中若只有一个电子,则该电子称为单电子

简并轨道中箭头同向的单电子

(5)表示方法:以铝原子为例,轨道表示式中各符号、数字的意义为

1个轨道1个电子及其自旋状态2个自旋相反的电子3.洪特规则:基态原子中,填入简并轨道的电子总是先

,且自旋

。

4.能量最低原理:在构建基态原子时,电子将尽可能地占据

,使整个原子的能量最低。

5.判断核外电子的运动状态和空间运动状态单独分占平行能量最低的原子轨道深度思考(1)为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1?提示

原子的能量越低越稳定,2s能级中的电子能量高于1s能级中的电子能量,基态原子的核外电子排布必须遵循能量最低原理,故基态氦原子的电子排布式是1s2。提示

根据洪特规则,基态氮原子的核外电子在排满2s轨道后,余下的3个电子将以自旋平行的方式分别占据2p能级的3个简并轨道。(3)为什么基态Sc的价层电子排布是3d14s2,而不是4s3?提示

根据构造原理,电子在排满3p轨道后,剩余的电子先填充到4s轨道,当4s轨道排满后,电子再填入3d轨道,且根据泡利原理,在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,所以基态Sc原子的价层电子排布式是3d14s2。正误判断(1)当电子排布在同一能级的不同轨道时,电子总是先占满1个轨道,再占据其他原子轨道。(

)提示

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。(2)基态氮原子的轨道表示式为

。(

)提示

违背了洪特规则,2p轨道上的三个电子应分占三个轨道且自旋方向相同。(3)原子核外电子排布为ns2np7,它违背了能量最低原理。(

)提示

违背了泡利原理,每个轨道最多可容纳2个电子,p轨道最多容纳6个电子。×××(5)基态碳原子中不存在单电子。(

)√×提示

基态碳原子的轨道表示式为

,存在两个单电子。

重难突破•能力素养全提升探究角度1

泡利原理、洪特规则、能量最低原理例1下列说法错误的是(

)A.ns电子的能量可能低于(n-1)p电子的能量B.6C的电子排布式为,违背了洪特规则C.电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3,违背了能量最低原理D.电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10,违背了泡利原理A解析

电子的能量与能层和能级都有关,ns电子的能量一定高于(n-1)p电子的能量,故A错误;p能级有3个轨道,2p能级有2个电子,电子应优先占据2个轨道,且自旋方向相同,2px填充2个电子,违背了洪特规则,故B正确;3d能级的能量高于4s能级,没有填充4s能级,就填充3d能级,违背能量最低原理,故C正确;p能级有3个轨道,每个轨道最多容纳2个电子,且自旋方向相反,3p能级最多填充6个电子,而填充10个电子违背了泡利原理,故D正确。归纳总结泡利原理和洪特规则的区别

类型泡利原理洪特规则研究对象一个原子轨道同一能级的不同轨道要求最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋相反电子总是优先单独占据一个轨道,而且自旋平行实例

[对点训练1]下列各项叙述错误的是(

)A.具有如下电子层结构的两种原子:3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子,这两种原子相应的元素不一定同一主族B.若硫原子的轨道表示式为

违反了泡利原理C.[Ar]3d64s2是基态原子的核外电子排布D.泡利原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件B解析

p轨道上有2个未成对电子,则该原子轨道上的电子数可能为2或4,不能确定元素的种类,则不一定为同一主族,故A正确;3p能级上的4个电子应该尽可能分占不同的原子轨道,若硫原子的轨道表示式为

违反了洪特规则,故B错误;电子排布式为[Ar]3d64s2符合能量最低原理,所以[Ar]3d64s2是基态原子的核外电子排布式,故C正确;泡利原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件,故D正确。探究角度2

电子排布的轨道表示式例2加大石油、天然气、铜、铬、钨、稀土、晶质石墨等战略性矿产资源勘查,是做好重要矿产资源战略的重要举措。(1)基态铬原子的核外电子排布式为[Ar]3d54s1,价层电子轨道表示式为

。

(2)基态铜原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s1,价层电子轨道表示式为

。

(3)在d轨道中电子排布成,而不排布成,其最直接的根据是什么?洪特规则(4)如图是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况;其中违反了洪特规则的是

。

②④⑤解析

(4)①该电子排布中,有一个原子轨道中排布了两个自旋状态相同的电子,该排布符合洪特规则,但违反了泡利原理;②2p轨道中排布4个电子时,一定有3个电子的自旋状态相同,该排布不符合洪特规则;③2p轨道中排布4个电子时,一定有3个电子的自旋状态相同,该排布符合洪特规则;④3d轨道在只有5个电子时,电子优先以相同的自旋状态分别占据一个轨道,该排布不符合洪特规则;⑤3d轨道在排布6个电子时,一定有5个电子的自旋状态相同,该排布不符合洪特规则;⑥3d轨道在排布10个电子时,每个轨道排布2个自旋状态相反的电子,该排布符合洪特规则。归纳总结1.书写轨道表示式时的“四”注意(1)一个方框表示一个原子轨道,一个箭头表示一个电子。(2)不同能级中的□要相互分开,同一能级中的□要相互连接。(3)整个轨道表示式中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。(4)当□中有2个电子时,它们的自旋状态必须相反。2.洪特规则的特例简并轨道上的电子排布处于全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时,体系的能量较低,原子较稳定。(1)绝大多数原子的电子排布只要遵循构造原理,就符合能量最低原理。(2)Cr、Cu、Ag、Au等少数原子的电子排布虽然不遵循构造原理,但是符合能量最低原理。

半充满如基态24Cr原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,易错写为

1s22s22p63s23p63d44s2;基态29Cu原子的电子排布式为[Ar]3d104s1,易错写为[Ar]3d94s2。

全充满[对点训练2](教材改编题)下面是元素周期表第二周期部分元素基态原子的轨道表示式,据此判断下列说法错误的是(

)A.每个原子轨道里最多只能容纳2个电子B.电子排在同一能级时,总是优先单独占据一个轨道C.每个能层所具有的能级数等于能层的序数(n)D.若一个能级中有2个电子,则其自旋一定相反D解析

由题给四种元素原子的轨道表示式可知,在一个原子轨道里,最多只能容纳自旋相反的2个电子,即符合泡利原理,A正确;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且自旋平行,即符合洪特规则,

B正确;任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级数等于该能层序数,C正确;若在同一个原子轨道里有2个电子,则它们的自旋相反,若在同一能级的不同轨道里有2个电子,则自旋平行,故D错误。[对点训练3](鲁科版课后题)下列各组原子中,彼此化学性质一定相似的是(

)A.电子排布式为1s2的X原子与电子排布式为1s22s2的Y原子B.原子核外M能层上仅有两个电子的X原子与原子核外N能层上仅有两个电子的Y原子C.2p能级中有一个空轨道的X原子与3p能级中有一个空轨道的Y原子D.最外层都只有1个电子的X、Y原子C解析

电子排布式为1s2的原子为He,电子排布式为1s22s2的原子为Be,两者化学性质不相似,A错误;原子核外M能层上仅有两个电子的X原子为Mg,原子核外N能层上仅有两个电子的Y原子有多种,如第四周期中Ca、Fe、Zn等,化学性质不一定相似,B错误;2p能级中有一个空轨道的X原子为C,3p能级中有一个空轨道的Y原子为Si,均为第ⅣA族元素,同主族的C和Si化学性质相似,C正确;原子最外层只有1个电子有第ⅠA族元素及部分过渡元素(如Cr、Cu),其化学性质不一定相似,D错误。探究角度3

未成对电子数及空间运动状态的判断例3氧元素基态原子核外未成对电子数为

;第三周期中有2个未成对电子的元素符号为

(填一种即可),M层上有2对成对电子的原子最外层共有

种不同运动状态的电子。

2Si(或S)6解析

O原子核外有8个电子,其基态原子核外电子排布式为1s22s22p4,故其核外未成对电子数是2。第三周期中有2个未成对电子的元素的价层电子排布式为3s23p2或3s23p4,核外电子数为14或16,元素符号为Si或S。M层上有2对成对电子的原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4,最外层有6个电子,每个电子的运动状态都不相同,所以最外层共有6种不同运动状态的电子。【变式设问】(1)第三周期M层上有两对成对电子的元素符号为

,其最外层电子轨道表示式为

。

(2)基态S原子核外有几种不同的空间运动状态?答案

9种。S归纳总结1.成对电子和未成对电子的定义。一个原子轨道中只有1个电子时,该电子即为未成对电子。一个原子轨道中的2个自旋相反的电子称为成对电子。2.一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。注意与“空间运动状态”的区分,如在同一个原子轨道里的2个电子,它们的空间运动状态是相同的。[对点训练4]下列微粒中,最外层未成对电子数最多的是(

)A.O B.FC.Mn D.Fe3+D解析

O的最外层电子排布式为2s22p4,2p能级上有2个未成对电子;F的最外层电子排布式为2s22p5,2p能级上有1个未成对电子;Mn的最外层电子排布式为4s2,最外层未成对电子数为0;Fe3+的最外层电子排布式为3s23p63d5,3d能级上有5个未成对电子。根据分析可以知道最外层未成对电子数最多的是Fe3+,D正确。学以致用·随堂检测全达标123456题组1电子云与原子轨道1.(2024·河北邢台高二检测)1926年奥地利学者薛定谔提出了电子云模型。关于电子云的下列说法不正确的是(

)A.s电子绕核旋转,其轨道为一圆圈,而p电子是走∞字形B.s轨道都是球形轨道C.轨道不同,电子云的形状也不一样D.电子云图是形象描述电子在空间单位体积内出现概率大小的图形A123456解析

电子的运动为无规则运动,没有固定轨道,故A错误;每个能层s能级的原子轨道的形状相同,均为球形,故B正确;轨道不同,电子云的形状也不一样,故C正确;电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述,电子云图是形象描述电子在空间单位体积内出现概率大小的图形,故D正确。1234562.下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是(

)A.2s电子云呈球形,表示电子绕原子核做圆周运动B.电子云图中的小黑点密度大,说明该原子核外空间电子数目多C.ns能级的原子轨道图可表示为D.3d能级上有3个原子轨道C123456解析

电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述,电子云不代表电子的运动轨迹,故A错误;小黑点的疏密表示电子出现概率的大小,密则出现概率大,疏则出现概率小,故B错误;s能级的电子云呈球形,故C正确;

3d能级上有5个原子轨道,故D错误。123456题组2泡利原理、洪特规则、能量最低原理3.在2p能级上最多只能排布6个电子,其依据的规律是(

)A.能量最低原理 B.泡利原理C.洪特规则 D.能量最低原理和泡利原理B解析

在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反,称为泡利原理。当电子排布在同一个能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是单独优先占据一个轨道,而且自旋状态相同,称为洪特规则。能量最低原理是核外电子排布时,尽可能先占据能量最低的轨道。因此在2p能级上最多只能排布6个电子,其依据的规律是泡利原理,B正确。1234564.下列说法错误的是(

)A.电子排布(23V)1s22s22p63s23p63d5违反了洪特规则B.

违反了泡利原理C.原子核外电子排布遵循“使整个原子处于能量最低的状态”总原则D.同一原子中,2p、3d、4f能级的轨道数依次增多A解析

电子排布(23V)1s22s22p63s23p63d5违反了能量最低原理,故A错误;根据泡利原理,每个轨道最多容纳两个电子,且自旋方向相反

,违反了泡利原理,故B正确;原子核外电子排布遵循“使整个原子处于能量最低的状态”总原则,故C正确;同一原子中,2p轨道有3个,3d轨道有5个,4f轨道有7个,轨道数依次增多,故D正确。1234565.下列关于硅原子的核外电子排布表示方法错误的是(

)A.1s22s22p63s23p2B.[Ne]3s23p2C解析

A、B两项是电子排布式,C、D两项是轨道表示式,其中C项违背了洪特规则,故错误。1234566.(2024·福建厦门高二检测)许多金属及其化合物在生活、化工、医药、材料等各个领域有着广泛的应用。(1)钛被誉为“未来钢铁”“战略金属”。基态钛原子中电子占据能量最高能级的符号为

。

(2)基态Fe3