2025春高二化学选择性必修2 （配人教版）第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构 第2课时 电子云与原子轨道 核外电子排布规则

电子云与原子轨道核外电子排布规则第2课时学习目标1.通过学习用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),能辨识微观粒子运动状态不同于宏观物体运动状态。2.通过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等,能根据核外电子的排布规则正确表示1～36号元素基态原子核外电子的排布。任务分项突破『自主梳理』1.电子云(1)概率密度。1913年,玻尔提出氢原子模型,电子在

上绕核运行。量子力学指出,一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现,但出现的

不同,可用概率密度(ρ)表示,即ρ=(P表示电子在某处出现的概率,V表示该处的体积)。(2)电子云:处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的

.的形象化描述。学习任务1认识电子云与原子轨道线性轨道概率概率密度分布2.电子云轮廓图(1)概念:为了表示电子云轮廓的形状,对核外电子的

.有一个形象化的简便描述,把电子在原子核外空间出现概率P=

的空间圈出来,即电子云轮廓图。空间运动状态90%(2)形状。球形3.原子轨道(1)定义:电子在原子核外的

称为一个原子轨道。一哑铃形三一个空间运动状态(2)形状。①s电子的原子轨道呈

形,能层序数越大,原子轨道的半径越

。球②p电子的原子轨道呈

形,能层序数越大,原子轨道的半径越大。p能级有3个互相垂直的轨道,分别表示为px、py、pz(如图)。大哑铃(3)各能级所含有的原子轨道数目。1能级符号nsnpndnf轨道数目

357『互动探究』德国物理学家海森堡1927年提出了著名的测不准原理(或不确定性原理),该原理指出:不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。对于像核外电子这样的粒子只能确定其在原子核外各处出现的概率。如图表示氢原子的1s概率密度分布图。探究辨析电子云与原子轨道问题1:电子云图中的小点的疏密表示什么?电子在原子核外出现的概率有什么规律?提示:小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点越密,表明概率密度越大;离核越近,电子出现的概率越大,电子云越密集。问题2:“电子云与原子轨道形状相同,代表的意义相同”,这种说法对吗?提示:不对。电子云是原子核外电子出现概率的形象化描述,原子轨道表示的是电子的空间运动状态,两者意义不同,电子云轮廓图与原子轨道形状也略有差别。问题3:能层与能级(原子轨道类型)及原子轨道数目有何关系?提示:第n能层上有n个能级,n2个原子轨道。问题4:基态原子的核外电子填充在6个轨道的元素有几种?填充在7个轨道中的元素有几种?提示:s、p能级分别有1、3个原子轨道,按照构造原理,核外电子填充在6个轨道的元素为1s22s22p63s1(Na)和1s22s22p63s2(Mg),共两种;填充在7个轨道中的元素只有1s22s22p63s23p1(Al)一种元素。归纳拓展1.电子云图的意义及特点(1)电子云图中的小点并不代表电子,小点的数目也不代表电子真实出现的次数。(2)电子云图表示电子在核外空间出现的概率密度的相对大小。电子云图中小点密度越大,表示电子出现的概率密度越大。(3)电子云的外围形状具有不规则性,电子云图很难绘制,使用不方便,故常使用电子云轮廓图。2.原子轨道的数目与能量(1)原子轨道数与能层序数(n)的关系:原子轨道数目=n2。(2)同一能层中,不同能级的原子轨道的能量及空间伸展方向不同,但同一能级的几个原子轨道的能量相同,如2px、2py、2pz。『题组例练』题点一对电子云的理解1.图甲和图乙分别是1s电子的概率密度分布图和电子云轮廓图。下列认识正确的是(

)A.图甲中的每个小黑点表示1个电子B.图乙表明1s电子云呈球形,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电子云的半径相等√解析:1s能级只有1个原子轨道,最多排2个电子,所以图甲中的每个小黑点表示1个电子是错误的,小黑点的作用是通过其疏密来形象地描述电子在原子核外空间各处出现的概率,A错误;由图乙可知,1s电子云轮廓图呈球形,球形为对称图形,有无数条对称轴,B正确;1s电子云轮廓图为球形,代表1s电子出现概率大的区域呈球形,但1s电子也可能在其他区域出现,只是出现的概率小,C错误;能层越大,s电子云的半径越大,D错误。2.下列关于电子云的说法正确的是(

)A.电子云表示电子在原子核外运动的轨迹B.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C.电子云界面图中的小黑点密表示该核外空间的电子多D.电子云可表示电子在核外运动的方向√解析:电子云表示电子在原子核外空间某处出现概率的大小,不表示电子运动的轨迹,不能表示电子在核外运动的方向,A、D错误,B正确;电子云界面图中的小黑点越密表示电子在核外空间出现的概率越大,C错误。题点二原子轨道3.如图是s能级和p能级的原子轨道图,下列说法正确的是(

)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能级的原子轨道半径与能层序数有关D.钠原子的电子在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能级的原子轨道半径越小,C项正确;钠原子的电子在6个原子轨道上高速运动,D项错误。4.下列说法正确的是(

)A.ns能级的原子轨道图可表示为

B.p轨道呈哑铃形,因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形C.3d3表示3d能级有3个轨道D.M能层中,共有7个原子轨道√解析:ns能级的电子云呈球形,故A正确;现在的技术无法测定电子在原子核外的运动轨迹,原子轨道只是体现电子的运动状态,故B错误;3d3表示3d能级有3个电子,故C错误;M能层中有s、p、d能级,有9个原子轨道,故D错误。25.元素X的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1。试回答下列各题。(1)电子排布式中的n=

;原子中能量最高的是

电子,其电子云在空间有

方向,原子轨道呈

形。(2)元素X的名称是

。

2p三种互相垂直的伸展哑铃氮解析:元素X的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,根据核外电子排布规律可知n=2,则X是N。学习任务2掌握泡利原理、洪特规则、能量最低原理『自主梳理』1.电子自旋与泡利原理(1)电子自旋:电子除空间运动状态外,还有一种状态叫做自旋。自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。电子自旋在空间有

和

两种取向,简称自旋相反,常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。(2)泡利原理(也称泡利不相容原理):在一个原子轨道里,最多只能容纳

个电子,它们的自旋

。顺时针逆时针2相反相反[示例]2s轨道上的电子排布为

,不能表示为

。(3)因为每个原子轨道最多只能容纳2个电子且自旋方向相反,所以从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来说明电子的运动状态是不可能有两个完全相同的电子的,任何一个原子里绝不会出现运动状态完全相同的电子。[示例]氟原子的电子排布可表示为,由于各原子轨道中的电子自旋方向

,所以9个电子的运动状态互不相同。原子轨道2.电子排布的轨道表示式(1)轨道表示式:又称电子排布图,是表述电子排布的一种图式。(2)表示方法:在轨道表示式中,用方框(也可用圆圈)表示

,能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连,箭头表示一种自旋状态的电子,“↑↓”称

,“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)。箭头同向的单电子称为自旋平行。电子对(3)举例:铝原子的轨道表示式中各符号、数字的意义如图。3.洪特规则基态原子中,填入简并轨道的电子总是先单独分占,且自旋平行。能量最低[示例]如:2p3的电子排布为

,不能表示为

或

。4.能量最低原理(1)内容:在构建基态原子时,电子将尽可能地占据

的原子轨道,使整个原子的能量最低。(2)影响原子能量的因素:整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。『互动探究』我国《推进资源型地区高质量发展“十四五”实施方案》提出,要加大石油、天然气、铜、铬、钨、稀土、晶质石墨等战略性矿产资源勘查,做好重要矿产资源战略接续。探究认识核外电子排布的两原理一规则问题1:某同学写出碳原子的基态轨道表示式为,是否正确?若不正确,违背了什么原则?提示:不正确;违背了泡利原理和洪特规则。问题2:写出基态碳原子的轨道表示式,并据此判断基态碳原子核外有多少种运动状态的电子,有多少种空间运动状态的电子,有几个未成对电子,与碳同周期的元素中未成对电子数最多的是哪种。提示:;6;4;2;N。问题3:查阅元素周期表可知,基态Cr的价层电子排布式为3d54s1而不是3d44s2,为什么?提示:能量相同的原子轨道在全充满、半充满、全空时,体系能量较低。问题4:试写出基态铜原子的核外电子排布式和价层电子排布图。提示:[Ar]3d104s1;。归纳拓展1.基态原子核外电子排布遵循的规则(1)核外电子在原子轨道上排布要同时遵循构造原理、泡利原理、洪特规则、能量最低原理。(2)泡利原理、洪特规则、能量最低原理并不是孤立的,而是相互联系、相互制约的。(3)能量最低原理可叙述为在不违背泡利(不相容)原理的前提下,核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低,而不是说电子填充到能量最低的轨道中去。(4)洪特规则特例:在简并轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时,具有较低的能量和较大的稳定性。如24Cr:[Ar]3d54s1,29Cu:[Ar]3d104s1符合能量最低原理。2.核外电子排布的表示方法表示方法以基态硫(S)原子为例原子结构示意图电子式电子排布式1s22s22p63s23p4简化电子排布式[Ne]3s23p4价层电子排布式3s23p4电子排布图价层电子排布图『题组例练』题点一原子核外电子排布规则的理解与应用1.下列钴原子的价层电子轨道表示式中,不符合洪特规则的是(

)A

BC

D√2.下列氮原子的轨道表示式中,能量最高的是(

)A

BC

D√解析:各能级轨道中电子能量1s<2s<2p,能量较高的轨道中电子越多,该粒子能量越高,所以2p轨道上电子越多、s轨道上电子越少,该粒子能量越高,根据图知能量由低到高的顺序是A<C<B<D,故选D。3.处于基态的下列粒子,核外电子中未成对电子数最多的是(

)A.O B.P C.Cr D.Fe3+解析:O的价层电子排布式为2s22p4,未成对电子数为2;P的价层电子排布式为3s23p3,未成对电子数为3;Cr的价层电子排布式为3d54s1,未成对电子数为6;Fe3+的价层电子排布式为3d5,未成对电子数为5。因此核外电子中未成对电子数最多的是Cr。√题点二核外电子排布表示方法4.下列表示方法错误的是(

)√5.A、B、C、D、E代表5种元素,请回答下列问题。(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子,次外层有2个电子,该原子的电子排布式为

。

1s22s22p3解析:(1)次外层有2个电子,说明次外层为第一层,故最外层为第二层,第二层有2s、2p两个能级,2s上最多排两个电子,故3个未成对电子在2p能级上,即2p3,故A原子的电子排布式为1s22s22p3。(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子排布式都与氩原子相同,B元素的符号为

,C的离子结构示意图为

。Cl解析:(2)由题意知,B-、C+均含18个电子,故B原子含17个电子,为氯元素,符号为Cl,C原子含19个电子,为钾元素,K+的结构示意图为

。(3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满,D的元素符号为

,其基态原子的价层电子排布式为

。

Fe解析:(3)由题意知,D3+电子排布式为[Ar]3d5,故D原子有18+5+3=26(个)电子,即铁元素,符号为Fe,其基态原子的价层电子排布式为3d64s2。3d64s2(4)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子,只有一个未成对电子,E的元素符号为

,其基态原子的价层电子排布图为

。

Cu解析:(4)由题意知,E原子电子排布式为[Ar]3d104s1,共有29个电子,即铜元素,符号为Cu,电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1,其基态原子的价层电子排布图为

。模型认知书写轨道表示式的“五注意”(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。(5)基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。『知识整合提升』学科素养测评现有六种元素,其中A、B、C、D为短周期主族元素,E、F为第四周期元素,它们的原子序数依次增大。A元素原子的核外p电子数比s电子数少3B元素形成的物质种类繁多,其形成的一种固体单质是自然界中最硬的物质C元素基态原子p轨道有3个未成对电子D原子核外所有p轨道全充满或半充满E在该周期中未成对电子数最多F能形成红色(或砖红色)的F2O和黑色的FO两种氧化物根据上述信息,回答下列问题。(1)画出A基态原子的核外电子轨道表示式:

。

(2)某同学画的B基态原子的核外电子轨道