原子結(jié)構(gòu)【知識專講精研】高二化學人教版（2019）選擇性必修2

第一節(jié)

原子結(jié)構(gòu)第一章

原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)湖北省利川市第一中學“葡萄干布丁”模型（湯姆生1904）電子分布在均勻的正電荷連續(xù)體內(nèi)原子結(jié)構(gòu)模型的演變實心球模型（道爾頓1803）原子是不可再分的12行星模型（盧瑟福1911）原子由原子核核外電子組成3圓形軌道模型（波爾1913）核外電子在特定軌道上高速運動4電子云模型（薛定諤1926）電子只能用概率大小來描述在某處出現(xiàn)的可能性5原子(ATOM)結(jié)構(gòu)模型的演變1869年，俄國化學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期表1920年，丹麥科學家波爾提出了構(gòu)造原理開啟了用原子結(jié)構(gòu)解釋元素周期律的篇章波爾的“殼層”落實為“能層”與“能級”厘清了核外電子的可能狀態(tài)1936年德國科學家馬德隆發(fā)表了以原子光譜事實為依據(jù)完整的構(gòu)造理論核外電子按能量高低分層排布規(guī)律的發(fā)展過程一、能層與能級1、能層（1）概念：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，可以將核外電子分成不同的能層。電子層能層能層越高，電子的能量越高（2）表示方法及各能層最多容納的電子數(shù)能層一二三四五六七符號K

L

M

N

OPQ最多電子數(shù)2=2×128=2×22

18=2×3232=2×42

50=2×5272=2×6298=2×72能層越高，電子的能量越高。能量的高低順序為E(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。①能量規(guī)律②數(shù)量規(guī)律每層容納的電子數(shù)不超過2n2（n為能層序數(shù)）2、能級在多電子原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，還可以把它們分成不同的能級。（1）概念：分別用相應能層的序數(shù)和字母

等表示，如n能層的能級按能量由低到高的排列順序為ns、

、

、nf等。s、p、d、fnpnd（2）表示方法及各能級最多容納的電子數(shù)....654321....PONMLK1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g......能層能量離核越遠，能量越高能級（s、p、d、f）能量升高最多容納的電子數(shù)目22+6=82+6+10=182+6+10+14=32每層最多容納電子數(shù)：2n23、能層能量、能級能量與最多容納的電子數(shù)的關(guān)系能級能量

能層序數(shù)

2小結(jié)：規(guī)律及注意事項2n2ns、np、nd、nf2s、2p3s、3p和3d1s1、3、5、7⑥在相同能層各能級能量由低到高的順序是___________________________

<m>___。不同能層中同一能級，能層數(shù)越大，能量越高。例如：______________________________E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)(1)一個能層的能級與能層序數(shù)（n）間存在什么關(guān)系？一個能層最多可容納的電子數(shù)與能層序數(shù)（n）間存在什么關(guān)系?(2)以s、p、d、f、為符號的能級分別最多可容納多少電子？3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)是否相同？(3)第五能層最多可容納多少電子？它們分別容納在幾個能級中？各能級最多容納多少個電子？（注：高于f的能級不用符號表示。）一個能層的能級序數(shù)與能層序數(shù)（n）相等。一個能層最多可容納的電子數(shù)=2n2s能級最多容納2電子，p能級最多可容納6個電子，d能級最多可容納10個電子，f能級最多可容納14個電子。3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)相同第五能層最多可容納50個電子，它們分別容納在5個能級中，5s能級最多容納2個電子，5p能級最多容納6個電子，5d能級最多容納10個電子，5f能級最多容納14個電子，還有一個能級最多容納18個電子?！舅伎寂c討論】二、基態(tài)與激發(fā)態(tài)

原子光譜1、基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子基態(tài)原子:處于最低能量狀態(tài)的原子激發(fā)態(tài)原子:基態(tài)原子吸收能量，電子躍遷到較高的能級，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子基態(tài)、激發(fā)態(tài)相互間轉(zhuǎn)化的能量變化基態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子吸收能量，電子躍遷到較高能級釋放能量，電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)LED燈光焰火激光光（輻射）是電子躍遷釋放能量的重要形式之一問題：解釋金屬的焰色試驗的原因？金屬原子中,核外電子按一定軌道順序排列,軌道離核越遠,能量越高。灼(燃)燒時,電子獲得能量,能量較低的電子發(fā)生躍遷,從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。隨即電子又從能量較高的激發(fā)態(tài)躍遷到能量較低的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài),便以光(輻射)的形式釋放能量,形成不同的焰色。特別提醒：①電子的躍遷是物理變化（未發(fā)生電子轉(zhuǎn)移），而原子得失電子時發(fā)生的是化學變化。②一般在能量相近的能級間發(fā)生電子躍遷。如1s22s22p2

表示基態(tài)碳原子，1s22s12p3為激發(fā)態(tài)碳原子（電子數(shù)不變）。③激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，易釋放能量變?yōu)榛鶓B(tài)原子。2、原子光譜

不同元素原子的電子發(fā)生躍遷時會吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱為原子光譜。（1）概念：基態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子吸收能量釋放能量形成吸收光譜形成發(fā)射光譜電子躍遷Li、He、Hg發(fā)射光譜Li、He、Hg吸收光譜特征:暗背景,亮線,線狀不連續(xù)，特征:亮背景，暗線，線狀不連續(xù)（2）發(fā)射光譜與吸收光譜對比LiHeHgLiHeHg同一原子發(fā)射光譜中的亮線和吸收光譜中的暗線的位置對應相同。（3）原子光譜的應用①鑒定元素——每一種元素都有自己的特征譜線光譜分析：利用原子光譜上的特征譜線鑒定元素。②發(fā)現(xiàn)新元素He氦用光譜儀測定氫氣放電管發(fā)射的氫的發(fā)射光譜三、構(gòu)造原理與電子排布式1、概念：以光譜學事實為基礎(chǔ)，從氫開始，隨核電荷數(shù)遞增，新增電子填入能級的順序稱為構(gòu)造原理。1s2s2p3s3p4s3d

4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p…2、構(gòu)造原理順序：一）構(gòu)造原理每一行對應一個能層每一小圈對應一個能級1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p能量相近的能級劃為一組，稱為能級組第一能級組第二能級組第三能級組第四能級組第五能級組第六能級組第七能級組通式：ns······(n-2)f、(n-1)d、np

(n-2)≥4(n-1)≥3電子填入軌道次序圖能級組3、構(gòu)造原理中排布順序的實質(zhì)——各能級的能量高低順序（1）相同能層的不同能級的能量高低順序:（2）不同能層的相同能級的能量高低順序:

E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)E(2p)<E(3p)<E(4p)E(ns)<E(n-2)f<E(n-1)d<E(np)4、能級交錯：

從第3電子層開始出現(xiàn)此現(xiàn)象。如：E4s<E3d，E5s<E4d，E6s<E4f<E5d。構(gòu)造原理告訴我們，隨核電荷數(shù)遞增，電子并不總是填滿一個能層后再開始填入下一個能層，如電子是按3p→4s→3d的順序而不是按3p→3d→4s的順序填充的，這種現(xiàn)象被稱為能級交錯。源于光譜學事實按照構(gòu)造原理，用核外電子分布的能級及各能級上的電子數(shù)來表示電子排布的式子。1、概念：2、表示方法：寫出從氫到碳的基態(tài)原子電子排布式:

1s1→1s2→1s22s1→1s22s2→1s22s22p1→1s22s22p2

氫氦鋰鈹

硼

碳1s1該能級的電子數(shù)能層能級Na：1s2

2s22p6

3s1KLMKLMNa的電子排布式Na的原子結(jié)構(gòu)示意圖二）電子排布式3、電子排布式的書寫——“三步法”書寫基態(tài)原子電子排布式

【課堂練習】寫出下列原子的電子排布式：O：_______________

Cl：_________________S：_________________Al：________________P：_________________Ar：_________________1s22s22p63s23p51s22s22p63s23p64s21s22s22p41s22s22p63s23p61s22s22p63s23p31s22s22p63s23p1

原子核外電子較多的原子，其電子排布存在交錯現(xiàn)象。

<m>KKK</m>K原子在排滿第二層后，先排3s、3p

能級，3d</m>

能級能量高于4s</m>

能級，故最后一個電子排入4s</m>

能級而不是3d<能級，所以它的原子結(jié)構(gòu)示意圖是

。K的電子排布式：1s22s22p63s23p64s1結(jié)論：構(gòu)造原理的能級交錯現(xiàn)象很好的解釋了電子排布規(guī)律。最外層電子數(shù)目最多不能超過8個(K層為最外層時不能超過2個)。次外層最多能容納的電子數(shù)不超過18個。倒數(shù)第三層電子數(shù)不超過32個?！菊n堂練習】寫出下列原子的電子排布式：26Fe:_______________________23V：_______________________Br：__________________________Zn：__________________________1s22s22p63s23p64s23d61s22s22p63s23p63d64s2特別提醒：充入電子時按構(gòu)造原理，而書寫時按能層次序！1s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d104s24p51s22s22p63s23p63d104s2要求：寫出1~36號元素基態(tài)原子的電子排布式。記前36號元素核電荷數(shù)、名稱、元素符號。（1）按構(gòu)造原理寫出稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙、氡的基態(tài)原子的最外層電子排布；除氦外它們的通式是什么？He1s2

Ne2s22p6

Ar3s23p6Kr4s24p6

Xe5s25p6

Rn6s26p6通式：ns2np6【思考與討論】

（3）為突出化合價與電子排布式的關(guān)系，將在化學反應中可能發(fā)生電子變動的能級稱為價電子層（簡稱價層）。例如，F(xiàn)e的簡化電子排布式為[Ar]3d64s2,價層電子排布為3d64s2。元素周期表只給出價層電子排布。請從書中找出Na、Al、Cl、Mn、Br的價層電子排布。Na：3s1

Al：3s23p1Cl：3s23p5Mn：3d54s2Br：4s24p5（2）電子排布式可以簡化，如鈉的電子排布式可簡化為[Ne]3s1。試問:上式方括號里的符號的意義是什么？請仿造鈉原子的簡化電子排布式，寫出第8號元素氧、第14號元素硅和第29號元素銅的簡化電子排布式。Na：1s22s22p63s1[Ne]3s1簡化為表示鈉的內(nèi)層電子排布與稀有氣體元素Ne的核外電子排布相同簡化電子排布式方括號里的符號表示內(nèi)層電子已達到稀有氣體結(jié)構(gòu)的部分O：1s22s22p4簡化為[He]2s22p4Si：1s22s22p63s23p2Cu：1s22s22p63s23p63d104s1[Ne]3s22p2[Ar]3d104s1四、電子云與原子軌道思考:宏觀物體與微觀物體（電子）的運動有什么區(qū)別?宏觀物體的運動特征：宏觀物體的運動可以準確地測出它們在某一時刻所處的位置及運行的速度；可以描畫它們的運動軌跡。微觀物體的運動特征：核外電子質(zhì)量小(只有9.11×10-31kg)，運動空間?。ㄏ鄬τ诤暧^物體而言），運動速率大(近光速)；無確定的軌道，無法描述其運動軌跡；不能同時準確的測定其位置和速率原子核外電子的運動狀態(tài)是怎么樣的呢？1913年，波爾提出氫原子模型，電子在線性軌道上繞核運行1926年，玻爾建立的線性軌道模型被量子力學推翻。量子力學指出，一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行，而在核外空間各處都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的概率不同，可以算出它們的概率密度(ρ)分布。

用P表示電子在某處出現(xiàn)的概率，V表示該處的體積，則稱為概率密度，用ρ表示1.概率密度2.氫原子的1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖小點不是電子本身，小點是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。小點越密，表明概率密度越大。1：概念由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱為電子云電子云是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述。2：電子云輪廓

電子云輪廓圖的繪制過程球形輪廓圖xyz一）電子云電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。①繪制電子云輪廓圖的目的：表示電子云輪廓的形狀，對核外電子的空間運動狀態(tài)有一個形象化的簡便描述。②繪制電子云輪廓圖：把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的空間圈出來。yxzyzxpz3：電子云輪廓形狀和大?、賡電子的電子云輪廓同一原子的s電子的電子云輪廓圖a.所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個球形，只是半徑不同。b.同一原子的能層越高，s電子云半徑越大。由于電子能量依次增高，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來越向更大的空間擴展。②p電子的電子云輪廓yzxpzzyxpyzyxpxPz、Py、Px的電子云輪廓圖a、p電子云的形狀是啞鈴狀的，有3個互向垂直電子云分別稱為Px、Py、Pz

能層序數(shù)越大，p電子云半徑越大。b、同一能層中px、py、pz的能量相同。(x、y、z分別是p電子云在直角坐標系里的取向)d的電子云輪廓圖(五個伸展方向）f的電子云輪廓圖（七個伸展方向）量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態(tài)稱為一個原子軌道。1：概念常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向。各能級的一個伸展方向的電子云輪廓圖即表示一個原子軌道。2：表示3：軌道數(shù)ns原子軌道1個nd原子軌道有5個np原子軌道有3個nf原子軌道有7個二）原子軌道不同能層的能級、原子軌道及電子云輪廓圖能層能級原子軌道數(shù)原子軌道名稱電子云輪廓圖的性質(zhì)與取向形狀取向K1s11s球形L2s12s球形2p32px、2py、2pz啞鈴形相互垂直M3s13s球形3p33px、3py、3pz啞鈴形相互垂直3d5………………4923N4s14s球形4p34px、4py、4pz啞鈴形相互垂直4d5………………4f7………………416五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理能層數(shù)KLMNOPQn能級數(shù)1234567軌道多容納電子數(shù)281832507298n2n2n2兩個電子容納在一個軌道里，也就意味著，它們的空間運動狀態(tài)是相同的。為什么每個原子軌道中最多可容納兩個電子？一）電子自旋和泡利原理1.電子自旋1925年，烏倫貝克和哥德斯密根據(jù)實驗事實提出假設：電子除了空間運動狀態(tài)外，還存在一種運動狀態(tài)叫自旋。電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭（“↑”“↓”）表示自旋相反的電子。（1）概念（2）兩種取向及表示方法：①自旋是微觀粒子普遍存在的一種如電荷、質(zhì)量一樣的內(nèi)在屬性②電子的運動狀態(tài)由能層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)四個方面共同決定電子能量與能層、能級有關(guān)，電子運動的空間范圍與原子軌道有關(guān)③一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子（3）補充說明：2.泡利原理

在一個原子軌道里,最多只能容納2個電子,且它們的自旋相反。這個原理被稱為泡利原理（也稱泡利不相容原理）能級spdf原子軌道數(shù)1357最多容納電子數(shù)2610143.電子排布的軌道表達式軌道表示式（又稱電子排布圖）是表述電子排布的一種圖式

用方框（也可用圓圈）表示原子軌道，能量相同的原子軌道（簡并軌道）的方框相連，箭頭（↑↓）表示一種自旋狀態(tài)電子。如：氫和氧的基態(tài)原子電子排布式:軌道表示式:①概念②表示方法：1s2s2pH↑↓↑O1s↑↓↑↑H1s1O1s22s22p4原子軌道簡并軌道：能量相同的原子軌道能級符號電子對↑↓單電子：未成對電子自旋平行1、用□或〇代表一個原子軌道，能量相同的原子軌道（簡并軌道）的方框相連。不同能級中的□要相互分開。2、整個電子排布圖中各能級的排列順序要與相應的電子排布式一致。4、通常在方框下方或上方標記能級符號。3、箭頭表示一種自旋狀態(tài)的電子，一個箭頭表示一個電子，“↓↑”稱電子

對，“↑”或“↓”表示單電子（或稱未成對電子），箭頭同向的單電子稱自旋平行。5、有時畫出的能級上下錯落，以表達能量高低不同。小結(jié)：電子對：同一個原子軌道中，自旋方向相反的一對電子單電子：一個原子軌道中只有一個電子，即未成對電子【課堂練習】請畫出鋁原子的軌道表示式鋁原子外層有

個電子對，有

個單電子。電子有

種空間運動狀態(tài)，有

種運動狀態(tài)不同的電子。13176注意：①電子的空間運動狀態(tài)指的是原子軌道,有幾個原子軌道就有幾個空間運動狀態(tài)

②一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子,有幾個電子就有幾種運動狀態(tài)二）洪特規(guī)則基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行1925年，洪特根據(jù)多電子原子的原子光譜正式提出洪特規(guī)則：如：2p3的電子排布為

不能為

洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子洪特規(guī)則適用于電子填入簡并軌道，并不適用于電子填入能量不同的軌道有少數(shù)元素的基態(tài)原子的電子排布對于構(gòu)造原理有1個電子的偏差。因為能量相同的原子軌道在全充滿、半充滿、全空狀態(tài)時，體系的能量較低，原子較穩(wěn)定。相對穩(wěn)定的狀態(tài)全充滿：p6、d10、f14半充滿：p3、d5、f7全空：

p0、d0、f0洪特規(guī)則特例【課堂練習】寫出24Cr29Cu電子排布式和價層電子排布圖29Cu1s22s22p63s23p63d104s124Cr1s22s22p63s23p63d54s1【思考與討論】

（1）

下列軌道表示式中哪個是硼的基態(tài)原子？為