2024-2025学年高中化学第一章第一节原子结构第2课时原子的基态与激发态电子云与原子轨道教案新人教版选修3

PAGEPAGE11第2课时原子的基态与激发态、电子云与原子轨道[核心素养发展目标]1.宏观辨识与微观探析：通过微观上对核外电子排布规律的分析，理解基态与激发态的含义与关系，能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。2.证据推理与模型认知：通过原子轨道和电子云模型的学习，全面了解核外电子运动状态的描述方法。一、能量最低原理、原子的基态与激发态、光谱1．能量最低原理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。2．基态原子与激发态原子(1)基态原子：处于最低能量的原子。(2)激发态原子：基态原子的电子汲取能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。(3)基态、激发态相互间转化的能量改变基态原子eq\o(,\s\up7(汲取能量),\s\do5(释放能量，主要形式为光))激发态原子。3．光谱(1)光谱的成因及分类(2)光谱分析：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。关于电子跃迁的留意事项(1)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；反之，将汲取能量。光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。(2)电子的跃迁是物理改变(未发生电子转移)，而原子得失电子时发生的是化学改变。(3)一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。例1(2024·银川市育才中学月考)下列电子排布式是基态原子的电子排布式的是()①Be：1s22s12p1②O：1s22s22p4③He：1s12s1④Cl：1s22s22p63s23p5A．①②B．②③C．①③D．②④【考点】原子的基态与激发态【题点】能量最低原理及应用答案D解析①Be：1s22s12p1是激发态，2s能量低于2p，故错误；②O：1s22s22p4符合能量最低原理，故正确；③He：1s12s1是激发态，1s能量低于2s，故错误；④Cl：1s22s22p63s23p5符合能量最低原理，故正确。例2对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要缘由是()A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量B．电子由基态向激发态跃迁时汲取除红光以外的光线C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应【考点】原子的基态与激发态【题点】原子光谱及其应用答案A解析解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量改变及现象。在电流作用下，基态氖原子的电子汲取能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要汲取能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生红光，故A项正确。二、电子云与原子轨道1．原子核外电子的运动特点(1)电子的质量很小(9.1095×10－31kg)，带负电荷。(2)相对于原子和电子的体积而言，电子运动的空间很大。(3)电子运动的速度很快，接近光速(3.0×108m·s－1)。2．电子云(1)电子云：处于肯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。(2)电子云轮廓图的形态：s能级的电子云轮廓图是球形，p能级的电子云轮廓图是哑铃形。3．原子轨道(1)概念：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。(2)形态①s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。②p电子的原子轨道呈哑铃形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。(3)各能级所含有原子轨道数目能级符号nsnpndnf轨道数目1357原子轨道与能层序数的关系(1)不同能层的同种能级的原子轨道形态相同，只是半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。如：(2)s能级只有1个原子轨道。p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同。(3)原子轨道数与能层序数(n)的关系：原子轨道数目＝n2。例3(2024·福州高二月考)下列关于电子云的叙述中不正确的是()A．电子云是用小黑点的疏密程度来表示电子在核外空间出现概率大小的图形B．电子云事实上是电子运动形成的类似云一样的图形C．电子云图说明离核越近，电子出现概率越大；离核越远，电子出现概率越小D．能级类别不同，电子云的形态也不一样【考点】电子云与原子轨道【题点】电子云的理解与辨析答案B解析电子云是处于肯定空间运动形态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述，而不是电子的实际运动轨迹。人们常用小黑点的疏密程度来表示电子在原子核外空间出现概率的大小。从电子云图中可以看出，离核越近，电子出现概率越大；离核越远，电子出现概率越小。例4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能级的原子轨道形态相同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【考点】电子云与原子轨道【题点】原子轨道的理解与辨析答案C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。易错提示电子云图与电子云轮廓图不是同一个概念，电子云轮廓图事实上是电子云图的大部分区域；电子云轮廓图就是我们通常所说的原子轨道图。(1)基态原子的核外电子排布遵循构造原理。(2)电子及其运动特点可概括为体积小、质量轻、带负电；绕核转、运动快、测不准(某时刻的位置和速度)、(离核的)距离不同、能量相异、描述概率(电子在核外空间某处出现的概率，即电子云)。(3)原子轨道：同一能层，不同能级其原子轨道形态不同，数目不同；不同能层，同种能级某原子轨道形态相同，半径不同，能量不同。1．正误推断(1)处于最低能量的原子叫基态原子(√)(2)电子跃迁时只汲取能量(×)(3)2s的电子云比1s的电子云大，说明2s的电子云中的电子比1s多(×)(4)同一原子中2p、3p、4p能级中原子轨道数依次增多(×)(5)2p和3p轨道形态相同，能量也相同(×)(6)3p4表示3p能级有四个轨道(×)2．下列说法正确的是()A．自然界中的全部原子都处于基态B．同一原子处于激发态时的能量肯定高于基态时的能量C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性【考点】原子的基态与激发态【题点】基态与激发态的推断与比较答案B解析处于最低能量的原子叫作基态原子。电子由较低能级向较高能级跃迁，叫激发。激发态原子的能量总是比原来基态原子的能量高。假如电子仅在内层激发，电子未获得足够的能量，不会失去。3．下列改变须要汲取能量的是()A．1s22s22p63s1→1s22s22p6B．3s23p5→3s23p6C．2px→2pzD．2H→H2【考点】原子的基态与激发态【题点】基态与激发态的推断与比较答案A解析A项所示为3s能级上失去1个电子，失去电子须要汲取能量，正确；B项表示3p能级上得到1个电子，为放出能量的改变，错误；C项，p能级的3个轨道px、py、pz能量相同，错误；D项表示2个氢原子结合为H2分子的过程，是放热过程，错误。4．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪干脆摄取()A．电子的运动轨迹图像 B．原子的汲取光谱C．电子体积大小的图像 D．原子的放射光谱【考点】原子的基态与激发态【题点】原子光谱及其应用答案B解析能量E(3d)＜E(4p)，故电子由3d能级跃迁到4p能级时，要汲取能量，形成汲取光谱。5．(2024·长沙高二月考)下列说法正确的是()A．因为p轨道是“8”字形，所以p电子是“8”字形B．能层数为3时，有3s、3p、3d9个轨道C．氢原子中只有1个电子，故氢原子核外只有1个轨道D．电子云图即是电子云轮廓图，都是用来形象描述电子运动状态的【考点】电子云与原子轨道【题点】电子云与原子轨道的理解与辨析答案B解析p轨道呈哑铃形，是指电子出现概率高的区域，而不是电子的形态，A项错误；能层数为3时，有3s、3p、3d3个能级，共有9个轨道，B项正确；氢原子中的确只有1个电子，但轨道是人为规定的，可以是空轨道，C项错误。6．按要求填空。(1)硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础。基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为______，该能层具有的原子轨道数为________，电子数为______。(2)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形态为________。【考点】电子云与原子轨道【题点】电子云与原子轨道的理解与辨析答案(1)M94(2)N球形解析(1)基态Si原子核外共有3个电子层，最高能层是M层，有4个电子。M能层具有1个s轨道、3个p轨道和5个d轨道，共9个原子轨道。(2)基态K原子核外共有4个电子层，最高能层是N层，有1个电子，占据该能层的1s轨道，其电子云轮廓图为球形。题组一基态、激发态及光谱1．(2024·成都高二下学期期末)生活中的下列现象与原子核外电子发生跃迁有关的是()A．钢铁长期运用后生锈B．节日里燃放的焰火五彩缤纷C．金属可以导电D．樟脑丸久置后消逝【考点】原子的基态和激发态【题点】原子光谱及应用答案B解析钢铁长期运用后生锈是因为铁失去电子被氧化，A项错误；节日里燃放的焰火五彩缤纷是因为原子核外电子发生了跃迁，B项正确；金属可以导电是因为自由电子在外加电场作用下发生了定向移动，C项错误；樟脑丸久置后消逝是因为分子的运动，D项错误。2．下列原子或离子核外电子排布不属于基态排布的是()A．N：1s22s22p3 B．S2－：1s22s22p63s23p6C．Na：1s22s22p53s2 D．Si：1s22s22p63s23p2【考点】原子的基态和激发态【题点】能量最低原理的应用答案C解析基态原子的核外电子排布必需遵循能量最低和构造原理，基态钠原子的电子排布式应是1s22s22p63s1。3．硅原子的电子排布式由1s22s22p63s23p2转变为1s22s22p63s13p3，下列有关该过程的说法正确的是()A．硅原子由基态转化为激发态，这一过程汲取能量B．硅原子由激发态转化为基态，这一过程释放能量C．硅原子处于激发态时的能量低于基态时的能量D．转化后硅原子与基态磷原子的电子层结构相同，化学性质相同【考点】原子的基态和激发态【题点】基态与激发态的推断与比较答案A解析硅原子由基态转化为激发态，这一过程汲取能量，则其处于激发态时的能量高于基态时的能量，故A项正确，B、C项错误；转化后硅原子与基态磷原子的电子层结构不相同，因为基态磷原子的最外层排布式为3s23p3，化学性质也不相同，D项错误。4．下列有关说法不正确的是()A．基态原子的核外电子排布遵循能量最低原理B．原子核外电子发生跃迁不肯定汲取能量C．原子核外电子从基态跃迁到激发态时，只能跃迁到稍高的能级，如从2s只能跃迁到2pD．夜幕下的霓虹灯光、军事上运用的激光均与原子核外电子发生跃迁有关【考点】原子的基态和激发态【题点】基态与激发态的推断与比较答案C解析基态原子是指处于最低能量的原子，A项正确；原子核外电子发生跃迁可以汲取能量，也可以放出能量，B项正确；电子跃迁可以跨能级跃迁，如从2s跃迁到3s、3d等，C项错误；霓虹灯光、激光都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关，D项正确。5．(2024·成都高二期末)若某基态原子的价电子排布式为4d15s2，则下列说法正确的是()A．该元素基态原子共有3个电子B．该元素基态原子核外有5个电子层C．该元素基态原子最外层有3个电子D．该元素基态原子M能层共有8个电子【考点】原子的基态和激发态【题点】答案B解析依据原子核外电子排布规则，结合其价电子排布式为4d15s2，可知该元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2，故该元素基态原子共有39个电子，5个电子层，其中最外层有2个电子，M能层共有18个电子，B项正确。6．(2024·武汉高二月考)X、Y、Z三种元素原子的最外层电子排布式分别为ns1、3s23p1和2s22p4，由这三种元素组成的化合物的化学式可能是()A．X2YZ3 B．X2YZ2C．XYZ2 D．XYZ3【考点】原子的基态和激发态【题点】答案C解析原子的最外层电子排布式为3s23p1和2s22p4的元素分别是Al和O，它们形成化合物时的常见化合价分别为＋3、－2，最外层电子排布式为ns1的元素形成化合物时的常见化合价为＋1，依据化合价代数和为0可知C项符合题意。题组二核外电子的运动特点及描述方法7．下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是()A．原子核外的电子像云雾一样覆盖在原子核四周，故称电子云B．s轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C．p轨道呈哑铃形，在空间有两个伸展方向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答案D8．下列说法中正确的是()A．1s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．3d3表示3d能级有3个轨道答案C9．下列说法正确的是()A．p电子云是平面“8”字形的B．3p2表示3p能级中有两个原子轨道C．2d能级包含5个原子轨道，最多容纳10个电子D．s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形态【考点】电子云与原子轨道【题点】原子轨道的理解与辨析答案D解析p电子云形态是哑铃形，不是平面“8”字形，A项错误；3p2表示3p能级中容纳了两个电子，B项错误；L层没有d能级，C项错误。10．下列轨道上的电子在xy平面上出现的机会为零的是()A．3pzB．3pxC．3pyD．3s【考点】电子云与原子轨道【题点】原子轨道的理解与辨析答案A解析px和py在xy平面上，3pz轨道沿z轴方向伸展，垂直于xy平面，故该轨道上的电子不行能出现在xy平面上，s轨道电子云为球形，各个方向都有，故A符合题意。11．下列有关原子核外电子的能量与运动状态的说法正确的是()A．在同一原子中，2p、3p、4p……能级的电子轨道数依次增多B．在同一能级上运动的电子，其能量肯定相同C．在同一能级上运动的电子，其运动状态有可能相同D．在同一原子中，1s、2s、3s、4s……能级的原子轨道的平均半径相同【考点】电子云与原子轨道【题点】原子轨道的理解与辨析答案B解析在同一原子中，任一能层的p能级都有三个相互垂直的原子轨道，A项错误；确定电子能量的是能层和能级，也就是说，处于同一能层相同能级上的电子，即使处在不同的原子轨道上，其能量也是相同的，B项正确；同一原子中没有运动状态完全相同的两个电子，C项错误；虽然s能级的原子轨道的形态都是球形，但依据1s、2s、3s、4s……的依次，电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率渐渐增大，电子云向更大的空间扩展，原子轨道的平均半径渐渐增大，D项错误。

12．下图是s能级和p能级的原子轨道图，试回答下列问题：(1)s电子的原子轨道呈________形，每个s能级有________个原子轨道；p电子的原子轨道呈________形，每个p能级有________个原子轨道。(2)元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1，原子中能量最高的是________电子，其电子云在空间有________________________方向。【考点】电子云与原子轨道【题点】原子轨道的理解与辨析答案(1)球1哑铃3(2)2p三个相互垂直的伸展解析(1)ns能级各有1个轨道，np能级各有3个轨道，s电子的原子轨道都是球形的，p电子的原子轨道都是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以px、py、pz表示。(2)因为元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1，np轨道已排上电子，说明ns轨道已排满电子，即n＝2，则元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，则原子中能量最高的是2p电子，其电子云在空间有三个相互垂直的伸展方向。13．下表列出了核电荷数为21～25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最高正化合价＋3＋4＋5＋6＋7(1)写出下列元素基态原子的核外电子排布式：Sc________________________________________________________________________；Ti________________________________________________________________________；V_________________________________________