原子結(jié)構(gòu)教學(xué)課件版選修

第一節(jié)

原子結(jié)構(gòu)模型1．原子是由

原子核和

核外電子構(gòu)成的。原子核是由

質(zhì)子1和中子

構(gòu)成的，但1

H

原子核例外。在原子中，核電荷數(shù)＝

質(zhì)子數(shù)＝

核外電子數(shù)。2．核素

18O的意義是O原子核內(nèi)有

8

個(gè)質(zhì)子、

10

個(gè)中子、8質(zhì)量數(shù)為

18。，3．請(qǐng)你補(bǔ)全“Rn”氡的原子結(jié)構(gòu)示意圖并且與其他同學(xué)交流你從原子結(jié)構(gòu)示意圖中獲得的信息：電子排布規(guī)律

。4．通常所說(shuō)的光是指人的視覺(jué)所能感覺(jué)到的，在真空中波長(zhǎng)介于400～700nm之間的電磁波。不同波長(zhǎng)的光在人的視覺(jué)中表現(xiàn)出不同的

顏色，按波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短依次為紅

、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。能用n、l、m、ms四個(gè)量子數(shù)描述核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及各量子數(shù)的意義。理解科學(xué)假說(shuō)、模型在原子結(jié)構(gòu)建立中的重要作用。感悟科學(xué)家在科學(xué)創(chuàng)造中的豐功偉績(jī)。第1課時(shí)原子結(jié)構(gòu)篤學(xué)一 氫原子光譜和玻爾原子結(jié)構(gòu)模型1.

對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程英國(guó)科學(xué)家道爾頓

在1803年建立了原子學(xué)說(shuō)→1903年英國(guó)的

湯姆遜

提出了原子結(jié)構(gòu)的“葡萄干布丁”模型→1911年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型

→1913年丹麥科學(xué)家玻爾建立起核外電子分層

排布的原子結(jié)構(gòu)模型→20世紀(jì)20年代中期建立了原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型。2．氫原子光譜

(1)光譜①光譜的定義許多物質(zhì)都能夠吸收光或發(fā)射光。為了研究物質(zhì)的這種性質(zhì)，人們利用儀器將物質(zhì)吸收光或發(fā)射光的

波長(zhǎng)和強(qiáng)度分布記錄下來(lái)，就得到所謂的光譜。②光譜的分類(lèi)光譜的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)有多種，一般我們只考慮

連續(xù)光譜和線狀光譜

的分類(lèi)方法。連續(xù)光譜：若由光譜儀獲得的光譜是由

各種波長(zhǎng)的光所組成，且相近的波長(zhǎng)差別極小而不能分辨，則所得光譜為連續(xù)光譜。例如，陽(yáng)光形成的光譜即為連續(xù)光譜。

線狀光譜：若由光譜儀獲得的光譜是由具有

特定波長(zhǎng)的、彼此分立的譜線組成，則所得光譜為線狀光譜。例如氫原子光譜、氦原子光譜等都是線狀光譜。③光譜的應(yīng)用在現(xiàn)代化學(xué)中，常利用原子光譜上的特征譜線來(lái)鑒定元素，稱為光譜分析。在歷史上，許多元素是通過(guò)原子光譜發(fā)現(xiàn)的，如銫(1860年)和銣(1861年)，其光譜圖中有特征的藍(lán)光和紅光，它們的拉丁文名稱由此得名。(2)氫原子光譜氫原子光譜的特征：氫原子光譜是線狀光譜，是不連續(xù)的。1913年，丹麥科學(xué)家玻爾(N.Bohr，1885～1962)第一次認(rèn)識(shí)到氫原子光譜是由氫原子的電子躍遷產(chǎn)生的，并通過(guò)純粹的理論計(jì)算得到氫原子光譜的譜線波長(zhǎng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎完全相同，科學(xué)界大為震驚。原子結(jié)構(gòu)理論從此長(zhǎng)足發(fā)展，最后建立了量子力學(xué)，人類(lèi)歷史從此進(jìn)入了量子時(shí)

代。玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點(diǎn)：原子中的電子在具有確定半徑的

圓周軌道上繞

原子核運(yùn)動(dòng)，并且不輻射能量。在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有

不同的能量(E)，而且能量是

量子化的。只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道(Ei)

躍遷到另一個(gè)軌道(Ej)才會(huì)輻射或吸收能量。hν＝|Ej－Ei|。（放出能量）基態(tài)原子（吸收能量）

激發(fā)態(tài)原子4．光譜形成的原因原子在正?；蚍€(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電子盡可能處于能量最低的軌道，這種狀態(tài)稱為

基態(tài)；電子受激發(fā)處于能量高于

基態(tài)的狀態(tài)稱為

激發(fā)態(tài)。原子核外電子在一定條件下會(huì)發(fā)生躍遷，躍遷過(guò)程中伴隨著能量

的變化。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來(lái)，就形成了光譜。篤學(xué)二 能層、能級(jí)和四個(gè)量子數(shù)能層多電子原子的核外電子的

能量是不同的，按電子的能量差異，可以把核外電子分為不同的能層，用符號(hào)K、L、

M、N、O、P、Q表示，從K→Q，能量逐漸升高。能級(jí)在多電子原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，還可以把它們分成能級(jí)，在每個(gè)能層中，能級(jí)符號(hào)的順序是

ns

、np

、nd、nf等。3．四個(gè)量子數(shù)(n、l、m、ms)原子中單個(gè)電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用

原子軌道來(lái)描述，而每個(gè)原子軌道由三個(gè)只能取整數(shù)的量子數(shù)

n

、

l

、

m

共同描述。(1)主量子數(shù)n決定軌道能量的高低。n的取值為正整數(shù)1，2，3，4…。n越大，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)，能量越

高。n值與電子層相對(duì)應(yīng)，n＝1表示能量最

低、離核最

近的第一電子

層。主量子數(shù)與電子層符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：主量子數(shù)n1234567…電子層符號(hào)KLMNOPQ…氫原子核外只有一

個(gè)電子，不存在電子之間的相互作用，能量只決定于

主量子數(shù)n。(2)角量子數(shù)l量子數(shù)l稱為角量子數(shù)。對(duì)于確定的n值，l可取

n

個(gè)值，即0，1，2，3…，(n－1)。在多電子原子中，它和主量子數(shù)一起決定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量。若兩個(gè)電子的n與l相同，就表示這兩個(gè)電子具有

相同的能量。我們用

能級(jí)來(lái)表示具有相同

n

、

l

值的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)電子層中，l有多少個(gè)取值，就表示該電子層有多少個(gè)不同的

能級(jí)。l＝0為

s

能級(jí)，l＝1為p

能級(jí)，l＝2為d

能級(jí)，l＝3為f能級(jí)。1

1n＝1，l＝0，l只有

一個(gè)值，有一個(gè)能級(jí)(s)。n＝2，l＝

0，1

，l有兩個(gè)值，有兩個(gè)能級(jí)(s和p)?！璶＝n，l＝0，1…，(n－1)，l有

n個(gè)值，有n個(gè)能級(jí)。(3)磁量子數(shù)m無(wú)外加磁場(chǎng)的一條譜線在外加磁場(chǎng)時(shí)分裂為

多條，對(duì)每個(gè)確定的l，m可取0，±1，±2…±l共(2l＋1)

個(gè)值。n、l、m共同確定了原子核外電子的

空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(4)自旋磁量子數(shù)ms描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)

，處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有

兩種：ms＝＋2和ms＝－2。【慎思1】氫原子光譜呈線狀光譜的原因是什么？提示

根據(jù)玻爾理論，氫原子的一個(gè)電子通常在能量最低的軌道(基態(tài))上運(yùn)動(dòng)，不釋放能量。但當(dāng)氫原子受到激發(fā)(加熱或氫氣放電管放電)時(shí)，核外電子獲得能量，即由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，它會(huì)迅速再躍遷至基態(tài)。在此躍遷過(guò)程中以光子的形式放出輻射能，發(fā)射出光子的頻率取決于電子躍遷兩軌道能級(jí)之差。由于各軌道的能量是不連續(xù)的(即量子化的)，所以由電子的躍遷而發(fā)射出的光的頻率也是不連續(xù)的，這便是氫原子光譜呈線狀光譜的原因。線狀光譜與連續(xù)光譜在譜線特征上有所不同，線狀光譜是不連續(xù)的，連續(xù)光譜是連續(xù)的。彼此之間的關(guān)系為E0＝hν＝ΔE＝E末－E始。提示【慎思2】量子數(shù)與原子軌道有何關(guān)系？主量子數(shù)n角量子數(shù)l磁量子數(shù)m原子軌道自旋磁量子數(shù)

ms取值符號(hào)取值符號(hào)取值符號(hào)取值1K0s01s±122L0s02s±121p0，±12px，2py，2pz±120s03s±121p0，±13px，3py，3pz±13M23dxy、3dyz、3dzx、3d

2、3dz

x2－y22d0,±1，±2±12【慎思3】能層與能級(jí)的關(guān)系是如何的？提示

(1)不同能層的能級(jí)組成：任一能層的能級(jí)總是從s能級(jí)開(kāi)始，能層的能級(jí)數(shù)等于該能層的序數(shù)：第一能層只有1個(gè)能級(jí)(1s)，第二能層有2個(gè)能級(jí)(2s和2p)，第三能層有3個(gè)能級(jí)(3s、3p和3d)，依此類(lèi)推。(2)不同能層中各能級(jí)之間的能量大小關(guān)系①不同能層中同一能級(jí)，能層序數(shù)越大能量越高。例如：1s<2s<3s…，2p<3p<4p…②同一能層中，各能級(jí)之間的能量大小關(guān)系是s<p<d<f。例如：第四能層中4s<4p<4d<4f。③能層和形狀都相同的原子軌道的能量相等。例如：2px＝2py＝2pz。警示：并不是高能層的所有能級(jí)的能量都比低能層的能級(jí)的能量高。例如：4s<3d。【慎思4】不同能層、能級(jí)可容納的最多電子數(shù)的解釋。提示

(1)依據(jù)：①每個(gè)原子軌道最多只能容納2個(gè)電子；②不同能級(jí)含有原子軌道個(gè)數(shù)及最多可容納的電子數(shù)見(jiàn)下表：能級(jí)spdf……原子軌道數(shù)1357……各軌道最多電子數(shù)261014……(2)不同能層、能級(jí)最多容納電子數(shù)見(jiàn)下表：能層—二三四……n符號(hào)KLMN……能級(jí)1s2s；2p3s；3p；3d4s；4p；4d；4f……軌道數(shù)11；31；3；51；3；5；7……各軌道最多電子數(shù)22；62；6；102；6；10；14……能層最多電子數(shù)281832……2n2要點(diǎn)一

|

氫原子光譜和玻爾原子結(jié)構(gòu)模型

原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的演變過(guò)程原子結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)明形象地表示出了人類(lèi)對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)逐步深化的演變過(guò)程。道爾頓原子模型(1803年)：原子是組成物質(zhì)的基本的粒子，它們是堅(jiān)實(shí)的、不可再分的實(shí)心球。湯姆遜原子模型(1903年)：原子是一個(gè)平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了正電荷，從而形成了中性原子。(3)盧瑟福原子模型(1911年)：在原子的中心有一個(gè)帶正電荷的核，它的質(zhì)量幾乎等于原子的全部質(zhì)量，電子在它的周?chē)刂煌能壍肋\(yùn)轉(zhuǎn)，就像行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。

(4)玻爾原子模型(1913年)：電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運(yùn)動(dòng)。(5)電子云模型(1927年～1935年)：現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。現(xiàn)在，科學(xué)家已能利用電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡拍攝表示原子圖像的照片。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)過(guò)程還會(huì)不斷深化。2．光譜和玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型原子光譜：光(輻射)是電子釋放能量的重要形式之一，不同元素的原子發(fā)生躍遷時(shí)會(huì)吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素電子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱原子光譜。丹麥科學(xué)家玻爾在核式原子模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點(diǎn)是：(1)原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞原子核運(yùn)動(dòng)，并且不輻射能量。不同軌道上的電子具有不同的能量(E)，而且能量是量子化的，不能任意連續(xù)變化而只能取某些不連續(xù)的數(shù)值，軌道能量依n值(1，2，3……)的增大而升高，n稱為量子數(shù)。對(duì)氫原子而言，電子處在n＝1的軌道時(shí)能量最低，稱為基態(tài)；能量高于基態(tài)的狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道(能量為Ei)躍遷到另一個(gè)軌道(能量為Ej)時(shí)，才會(huì)輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來(lái)，就形成了光譜。玻爾的核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型成功地解釋了氫原子光譜是線狀光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。玻爾的重大貢獻(xiàn)在于指出原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷，而電子所處的軌道的能量是量子化的?！纠?】?

玻爾理論不能解釋

(

)。A．氫原子光譜為線狀光譜

B．在一給定的穩(wěn)定軌道上，運(yùn)動(dòng)的核外電子不輻射能量C．氫原子的可見(jiàn)光區(qū)譜線D在有外加磁場(chǎng)時(shí)氫原子光譜有多條譜線解析

玻爾理論是針對(duì)原子的穩(wěn)定存在和氫原子光譜為線狀光譜的事實(shí)提出的。有外加磁場(chǎng)時(shí)氫原子有多條譜線，玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型已無(wú)法解釋這一現(xiàn)象，必須借助量子力學(xué)加以解釋。答案D氫原子光譜是元素的所有光譜中最簡(jiǎn)單的光譜。玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，但對(duì)多電子原子的光譜卻遇到困難。【體驗(yàn)1】?(2012·山東泰安一中高二月考)對(duì)充有氖氣的霓虹燈管通電，燈管發(fā)出紅色光。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是(

)。電子由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)以光的形式釋放能量電子由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時(shí)吸收除紅光以外的光線C．氖原子獲得電子后轉(zhuǎn)變成發(fā)出紅光的物質(zhì)

D．在電流的作用下，氖原子與構(gòu)成燈管的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)解析

霓虹燈之所以能發(fā)光，是因?yàn)殡娮游漳芰亢筌S遷到能量較高的軌道，能量較高軌道上的電子會(huì)很快以光的形式輻射能量而躍遷回能量較低的軌道。答案

A要點(diǎn)二

|

量子力學(xué)對(duì)原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述

1．原子軌道與四個(gè)量子數(shù)根據(jù)量子力學(xué)理論，原子中的單個(gè)電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用原子軌道來(lái)描述，而每個(gè)原子軌道由三個(gè)只能取整數(shù)的量子數(shù)n、l、m共同描述。(1)主量子數(shù)：主量子數(shù)n，決定軌道能量的高低。

主量子數(shù)n

1

2

3

4

5

6

7……電子層符號(hào)

K

L

M

N

O

P

Q氫原子核外只有一個(gè)電子，不存在電子之間的相互作用，能量只決定于主量子數(shù)n。角量子數(shù)(l)決定原子軌道或電子云的形狀，與電子運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量有關(guān)。l

0

1

2

3

4……能級(jí)符號(hào)s

p

d

f

g……軌道形狀球形啞鈴形花瓣形……磁量子數(shù)：科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，量子數(shù)n、l相同的狀態(tài)的能量是相同的；有外磁場(chǎng)時(shí)，我們用磁量子數(shù)m來(lái)標(biāo)記這些狀態(tài)，對(duì)于每一個(gè)確定的l，m值可取

0，±1，±2，…±l，共(2l＋1)個(gè)值。利用三個(gè)量子數(shù)可以描述一個(gè)電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即可將一個(gè)原子軌道描述出來(lái)。自旋方向：

順時(shí)針逆時(shí)針(4)自旋量子數(shù)ms；描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)，處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只能有兩種，分別用自旋磁s21量子數(shù)

m

＝＋1

m

＝－

來(lái)描述。和

s

2ms決定電子運(yùn)動(dòng)的自旋方向。電子自旋只有順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向。箭頭示意：

↑

↓sm

：

＋21

1－2主量子數(shù)n對(duì)應(yīng)著電子層；主量子數(shù)n和角量子數(shù)l對(duì)應(yīng)著n電子層中的能級(jí)；主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m對(duì)應(yīng)著n電子層中l(wèi)能級(jí)中的原子軌道；自旋磁量子數(shù)ms描述的是電子的自旋性質(zhì)。這樣，原子中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用由量子數(shù)n、l、m確定的原子軌道來(lái)描述，并取兩種自旋狀態(tài)中的一種。所以，描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要用四個(gè)量子數(shù)：n，l，m和ms。(

)。A．N電子層

C．L電子層B．K電子層

D．M電子層解析本題考查了能級(jí)與主量子數(shù)n和角量子數(shù)l的關(guān)系。解題時(shí)要注意主量子數(shù)n不同時(shí)，角量子數(shù)l的取值不同。

K層只包括s能級(jí)，L層只包括s、p能級(jí)。答案B【例2】?下列電子層不包含p能級(jí)的是(

)。A．N電子層

C．L電子層B．M電子層

D．K電子層解析

本題考查學(xué)生對(duì)四個(gè)量子數(shù)的掌握情況。在一個(gè)多電子的原子中，若兩個(gè)電子所占據(jù)原子軌道的n、l相同，就表明這兩個(gè)電子具有相同的能量，我們就用能級(jí)來(lái)表達(dá)n、l的相同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于確定的n值，l的取值就有n個(gè)：0、1、2、3…、(n－1)，對(duì)應(yīng)符號(hào)為s、p、d、f…。所以，當(dāng)n＝1(K電子層)時(shí)，l＝0，即為s能級(jí)；當(dāng)n＝2(L電子層)時(shí)，l＝0，1即為s能級(jí)和p能級(jí)；當(dāng)n＝3(M【體驗(yàn)2】?下列各電子層中不包含d能級(jí)的是電子層)時(shí)，l＝0，1，2，即為s能級(jí)、p能級(jí)和d能級(jí)；當(dāng)n＝4(N電子層)時(shí)，l＝0，1，2，3，即為s能級(jí)、p能級(jí)、d能級(jí)和f能級(jí)。答案

CDA．n、lC．n、l、mB．n、l、msD．n、l、m、ms解析主量子數(shù)(n)決定電子的離核遠(yuǎn)近，角量子數(shù)(l)確定原子軌道的形狀，磁量子數(shù)(m)決定原子軌道在空間的取向，故用n、l、