1.1.3電子云與原子軌道泡利原理洪特規(guī)則能量最低原理課件高二下學(xué)期化學(xué)人教版選擇性必修2

第一章

原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第一節(jié)

原子結(jié)構(gòu)第3課時(shí)電子云與原子軌道泡利原理洪特規(guī)則能量最低原理1、了解原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2、了解電子云和原子軌道的意義3、知道原子核外電子的排布遵循能量最低原理4、掌握基態(tài)原子核外電子排布的三原則核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)玻爾薛定諤1913年，玻爾提出氫原子模型，電子在線(xiàn)性軌道上繞核運(yùn)行，然而到了1926年，玻爾建立的線(xiàn)性軌道模型被量子力學(xué)推翻。量子力學(xué)指出：一定空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線(xiàn)性軌道上運(yùn)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分布。原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎么樣的呢？量子力學(xué)的發(fā)展19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)在描述微觀系統(tǒng)時(shí)的不足越來(lái)越明顯。量子力學(xué)是在20世紀(jì)初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫?qū)づ堇?、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費(fèi)米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦、康普頓等一大批物理學(xué)家共同創(chuàng)立的。1927年第五屆索爾維會(huì)議量子力學(xué)中描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有四個(gè)量子數(shù)名稱(chēng)化學(xué)名稱(chēng)符號(hào)取值主量子數(shù)能層nn（自然數(shù)）l角量子數(shù)能級(jí)0~n-1磁量子數(shù)軌道m(xù)0~±l自旋量子數(shù)自旋ms?E?E1?E2?E3?E4能量連續(xù)的能量不連續(xù)的回顧：核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和排布規(guī)律實(shí)驗(yàn)核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)核外電子的排布規(guī)律表示方法原子光譜能量量子化能層能級(jí)原子結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)造原理電子排布式原子軌道電子自旋四、電子云與原子軌道1、電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn):

電子的質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)速度快且沒(méi)有規(guī)則，無(wú)法確定核外電子在某個(gè)時(shí)刻處于原子核外空間何處，只能確定在原子核外各處出現(xiàn)的概率。概率密度: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(chēng)為概率密度，用ρ表示。小點(diǎn)越密，表示概率密度越大?！菊`區(qū)】一個(gè)小點(diǎn)代表一個(gè)電子圖1-7氫原子的1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖

2、電子云：由于核外電子的概率密度分布看起來(lái)像一片云霧，因而被形象地稱(chēng)作電子云。換句話(huà)說(shuō)，電子云是處于一定空間運(yùn)動(dòng)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。3、電子云輪廓圖：電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。

將電子在原子核外空間出現(xiàn)的概率P＝90%的空間圈出來(lái)，制作電子云的輪廓圖，便可描繪電子云的形狀,即精簡(jiǎn)版電子云。圖1-81s電子云輪廓圖的繪制過(guò)程（1）所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個(gè)球形，只是球的半徑不同。同一原子的能層越高，s電子云半徑越大。原因：由于電子的能量依次增高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來(lái)越向更大的空間擴(kuò)展。電子云輪廓圖形狀s軌道呈球形，有無(wú)數(shù)對(duì)稱(chēng)軸ns能級(jí)的原子軌道圖可表示為（2）除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的。例如，p電子云輪廓圖是啞鈴狀(紡錘形)的，而且，無(wú)論2p、3p還是4p……都有3個(gè)相互垂直的電子云，分別稱(chēng)為px、py和pz，如下圖，右下標(biāo)x、y、z分別是p電子云在直角坐標(biāo)系里的取向。px、py、pz的電子云輪廓圖在同一能層中px、py、pz的能量相同4、原子軌道（1）定義：量子力學(xué)把電子在原子核外的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為一個(gè)原子軌道。因此，常用電子云輪廓圖的形狀和取向來(lái)表示原子軌道的形狀和取向。各能級(jí)的一個(gè)伸展方向的電子云輪廓圖即表示一個(gè)原子軌道。......軌道:描述在一定能層和能級(jí)上又具有一定取向的電子云。可以理解為電子在核外空間概率密度較大的區(qū)域。1s11s2s12s2p32px、2py、2pz3s13p33d54s14p34d54f7......能層能級(jí)原子軌道數(shù)原子軌道名稱(chēng)KLMN......3s3px、3py、3pz......4s4px、4py、4pz........................原子軌道的形狀和取向形狀取向球形球形球形球形啞鈴形啞鈴形啞鈴形........................相互垂直相互垂直相互垂直........................表1-2不同能層的能級(jí)、原子軌道(2)不同能層的能級(jí)的原子軌道①各能級(jí)所含有原子軌道數(shù)目1357

②不同能層的同種能級(jí)的原子軌道形狀

，只是半徑

。能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑

,能量越高。

③p能級(jí)有

個(gè)原子軌道，它們互相垂直。在同一能層中px、py、pz的能量

，取向不同。

④原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關(guān)系：原子軌道為

個(gè)。n2相同不同越大相同3能級(jí)符號(hào)nsnpndnf軌道數(shù)目能層KLMNO能級(jí)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p…

每個(gè)原子軌道最多只能容納

個(gè)電子，為什么呢？2五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理原子軌道數(shù)222214626661010711111333355最多容納電子數(shù)軌道最多容納電子數(shù)28183250

電子除空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋

。自旋是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質(zhì)量一樣的內(nèi)在屬性。

電子自旋在空間有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種取向，簡(jiǎn)稱(chēng)自旋相反，常用上下箭頭(↑和↓)表示自旋相反的電子。1925年，泡利正式提出，在一個(gè)原子軌道里，最多只能容納2個(gè)電子，它們的自旋相反，這個(gè)原理被稱(chēng)為泡利原理(也稱(chēng)泡利不相容原理)。填多少？

1、電子自旋與泡利原理一個(gè)原子中不存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的2個(gè)電子例：2s軌道上的兩個(gè)電子應(yīng)為：↑↓2s而不能是↑↑2s↑↓↓2s或原子核外的每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。K各能級(jí)容納電子數(shù)1s11×2=22s11×2=22p33×2=63s11×2=23p33×2=63d55×2=104s11×2=24p33×2=64d55×2=104f77×2=14......LMN......能層能級(jí)原子軌道數(shù)各能層容納電子數(shù)2×12=22×(1+3)=2×222×(1+3+5)=2×322×(1+3+5+7)=2×422×n2............2、電子排布的軌道表示式（電子排布圖）

A、用方框（也可用圓圈）表示原子軌道，用箭頭表示電子。其中一個(gè)方框表示一個(gè)軌道，一個(gè)箭頭表示一個(gè)電子。B、在方框上面(或下面)標(biāo)出能級(jí)的序數(shù)和符號(hào)↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑例：Al1s2s2p3s3p能層序數(shù)能級(jí)符號(hào)一個(gè)方框表示原子軌道箭頭表示一個(gè)電子及其自旋狀態(tài)。（用“↑↓”表示兩個(gè)自旋方向相反的兩個(gè)電子）單電子或未成對(duì)電子沒(méi)有電子的軌道稱(chēng)為空軌道8O的軌道表示式(電子排布圖)：(1)簡(jiǎn)并軌道：

。(2)電子對(duì)：

。(3)單電子：

。(4)自旋平行：

。(5)在氧原子中，有

對(duì)電子對(duì)，有

個(gè)單電子(未成對(duì)電子)。(6)在氧原子中，有

種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有

種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的電子。能量相同的原子軌道同一個(gè)原子軌道中，自旋方向相反的一對(duì)電子一個(gè)原子軌道中若只有一個(gè)電子，則該電子稱(chēng)為單電子箭頭同向的單電子稱(chēng)為自旋平行3258單電子：“↓”或“↑”自旋相反：箭頭相反O

↓↑

↓↑

↓↑

↑

↑1s2s2p3、洪特規(guī)則基態(tài)原子中，填入簡(jiǎn)并軌道的電子總是先單獨(dú)分占，且自旋平行，這個(gè)原理為洪特規(guī)則。如：2p3的電子排布為：不能寫(xiě)為：或↑↑↑↑↑↓↓↑↑洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。必須注意：洪特規(guī)則是針對(duì)電子填入簡(jiǎn)并軌道而言的，并不適用于電子填入能量不同的軌道。怎么填？

思考與討論(1)下列軌道表示式中哪個(gè)是硼的基態(tài)原子?為什么?

2p(2)下列軌道表示式中哪個(gè)是氧的基態(tài)原子?為什么?根據(jù)泡利原理，在一個(gè)原子軌道里，最多只能容納2個(gè)電子，且它們的自旋相反。根據(jù)洪特規(guī)則，基態(tài)原子中，填入簡(jiǎn)并軌道的電子總是先單獨(dú)分占，且自旋平行。

AABB

C四、能量最低原理——自然界的普遍規(guī)律1、概念：在構(gòu)建基態(tài)原子時(shí)，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個(gè)原子的能量最低，這就是能量最低原理。2、因素：整個(gè)原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個(gè)因素共同決定。a：相鄰能級(jí)能量相差很大時(shí)，電子填入能量較低的能級(jí)可使原子能量最低。如所有主族元素的基態(tài)原子。

②當(dāng)能量相同的原子軌道在全充滿(mǎn)(p6、d10、f14)、半充滿(mǎn)(p3、d5、f7)、全空(p0、d0、f0)時(shí)原子的能量最低，基態(tài)原子的核外電子排布遵循三大原則：

泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。

①原子的核外電子排布遵循構(gòu)造原理，使整個(gè)原子的能量處于最低狀態(tài)。b：當(dāng)相鄰能級(jí)能量差別不大時(shí)，有1-2個(gè)電子填入能量稍高的能級(jí)可能反而降低電子的排斥能，進(jìn)而使原子整體能量最低。如所有副族元素的基態(tài)原子。【思考與討論】（1）為什么基態(tài)氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1？（3）為什么基態(tài)Sc的價(jià)層電子排布是3d14s2而不是4s3？不滿(mǎn)足能量最低原理不滿(mǎn)足洪特規(guī)則不滿(mǎn)足泡利原理（2）為什么基態(tài)氮原子的軌道表示式是，而不是？

1、下列是N原子的電子軌道表示式的是（）1s2s2pA↑↓↑↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↓B1s2s2p↑↓↑↓↑↑↑C1s2s2p↑↓↑↓↑D1s2s2p2、以下是一些原子的2p能級(jí)和3d能級(jí)中電子排布的情況。其中違反了洪特規(guī)則的是()②③

④

⑤A.① B.①③ C.②④⑤ D.③④⑤①⑥↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑↓↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑↓↑↓3、已知鋁原子的電子排布式為1s22s22p63s23p1，回答下列問(wèn)題：（1）核外電子的電子云形狀有____種；（2）電子云有______種不同的伸展方向；（3）有____種不同的運(yùn)動(dòng)范圍（區(qū)域）；（4）有____種不同能量的電子；（5）有____種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子；（6）有____種不同空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子。2球形和啞鈴形45能級(jí)能層313原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是不同的！原子軌道9原子結(jié)構(gòu)示意圖意義將每個(gè)能層上的電子總數(shù)表示在原子核外的式子實(shí)例

電子排布式意義用數(shù)字在能級(jí)符號(hào)右上角標(biāo)明該能級(jí)上排布的電子數(shù)，這就是電子排布式實(shí)例K1s22s22p63s23p64s1小結(jié)：原子結(jié)構(gòu)的表示方法簡(jiǎn)化電子排布式意義為了避免電子排布式書(shū)寫(xiě)過(guò)于繁瑣，把內(nèi)層電子達(dá)到稀有氣體結(jié)構(gòu)的部分以相應(yīng)稀有氣體的元素符號(hào)外加方括號(hào)表示實(shí)例K：[Ar]4s1價(jià)電子排布式意義主族元素的價(jià)層電子指最外層電子，價(jià)層電子排布式即外圍電子排布式實(shí)例Al：3s23p1電子排布圖意義每個(gè)方框代表一個(gè)原子軌道，每個(gè)箭頭代表一個(gè)電子實(shí)例1、【2018年全國(guó)卷Ⅰ理綜35】Li是最輕的固體金屬，采用Li作為負(fù)極材料的電池具有小而輕、能量密度大等優(yōu)良性能，得到廣泛應(yīng)用?；卮?/p>