1.1.3泡利原理洪特規(guī)則能量最低原理 高二化學(xué)人教版(2019)選擇性必修2

原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第一章

第一節(jié)

原子結(jié)構(gòu)

第3課時電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理素養(yǎng)目標(biāo)1.了解原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)和軌道表達(dá)式。2.了解泡利原理﹑洪特規(guī)則﹑能量最低原理與核外電子排布直接的關(guān)系宏觀物體與微觀粒子的運(yùn)動特點有什么區(qū)別?1、宏觀物體一個運(yùn)動著的宏觀物體的速率和它所處的位置是能夠準(zhǔn)確測定的；人們可以描繪宏觀物體的運(yùn)動軌跡。2、微觀物體對于質(zhì)量非常小、運(yùn)動極快的微觀粒子而言，人們卻不能同時準(zhǔn)確的測定其位置和速率。思考與討論（這個原理是由德國物理學(xué)家海森堡提出的，稱之為測不準(zhǔn)原理）概率密度：1926年，量子力學(xué)推翻了玻爾的氫原子模型，指出一定空間運(yùn)動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運(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。

P表示電子在某處出現(xiàn)的概率；V表示該處的體積；原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)是怎么樣的呢？1913年玻爾氫原子模型，電子在線性軌道上繞核運(yùn)行什么是電子云？圖1-7氫原子1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖圖1-7中的小點是什么呢？是電子嗎？小點不是電子本身，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。由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象的稱作“電子云”。1、電子云一、電子云與原子軌道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(yùn)動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率分布的形象化描述，不代表電子的運(yùn)動軌跡。)。

電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖

圖1-8

s電子云輪廓圖的繪制過程繪制電子云輪廓圖：將出現(xiàn)概率90%的空間圈出來1、電子云p電子云輪廓圖的繪制過程1s2s3s4s圖1-9

同一原子的s電子的電子云輪廓圖如圖：你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律——不同能級s電子的電子云形狀一致，均為球形。能層越高，s電子的電子云半徑越大。原因是什么？原因：由于電子能量依次增高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率增大，電子云越來越向更大的空間擴(kuò)展思考：1.定義：電子在原子核外的一個空間運(yùn)動狀態(tài)稱為一個原子軌道。2.形狀(輪廓圖)：（1）s電子的原子軌道呈球形，能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。1s2s3s4s(2）p電子的原子軌道呈啞鈴形,能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。p能級有三個原子軌道，它們互相垂直，分別以px、py、pz表示，同一能層中px、py、pz的能量____。2、原子軌道相同能層能級原子軌道數(shù)原子軌道名稱原子軌道的形狀和取向K1s11s球形——L2s12s球形——2p32px、2py、2pz啞鈴形互相垂直M3s13s球形——3p33px、3py、3pz啞鈴形互相垂直3d5………………N4s14s球形——4p34px、4py、4pz啞鈴形互相垂直4d5……………...4f7………………3.不同能層的能級、原子軌道數(shù)、原子軌道名稱以及形狀和取向原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關(guān)系：原子軌道數(shù)目=n2。小結(jié)：原子軌道與能層序數(shù)的關(guān)系1.不同能層的同種能級的原子軌道形狀

，只是

不同。能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑越

。2.s能級只有

個原子軌道。p能級有

個原子軌道，它們互相垂直，分別以px、py、pz表示。在同一能層中px、py、pz的能量

。3.原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關(guān)系是原子軌道為

個。相同半徑大13相同n2書本P173、下列各能級中軌道數(shù)為3的是（

）A、sB、pC、dD、fB1.正誤判斷(1)從空間角度看，2s軌道比1s軌道大，其空間包含了1s軌道()(2)p能級的能量一定比s能級的能量高(

)(3)2p、3p、4p能級的軌道數(shù)依次增多()(4)2p和3p軌道形狀均為啞鈴形（

）(5)2px、2py、2pz軌道相互垂直，但能量相等()√×√×√2.基態(tài)鉀原子中，其占據(jù)的最高能層的符號是（

）；基態(tài)鉀離子占據(jù)的最高能級共有（

）個原子軌道，其形狀是（

）。N3啞鈴形（書本P176、8）3.下列說法正確的是A.不同的原子軌道形狀一定不相同B.p軌道呈啞鈴形，因此p軌道上的電子運(yùn)動軌跡呈啞鈴形C.2p能級有3個p軌道D.氫原子的電子運(yùn)動軌跡呈球形√4.下列有關(guān)原子軌道和電子云的說法正確的是A.s軌道呈球形，隨電子層數(shù)的增加，s軌道數(shù)也增加B.p軌道呈啞鈴形，p軌道電子繞核做“∞”形運(yùn)動C.電子云是籠罩在原子核外的云霧D.電子云圖中小點的疏密程度表示電子在原子核外空間出現(xiàn)概率的大小√5.下列有關(guān)電子云和原子軌道的說法正確的是A.原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云B.s能級的原子軌道呈球形，處在該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運(yùn)動C.與s電子原子軌道相同，p電子原子軌道的平均半徑也隨能層的增大而增大D.基態(tài)原子電子能量的高低順序為E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz)√6.元素X的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋1。試回答下列各題：(1)電子排布式中的n＝___；原子中能量最高的是_____________電子，其電子云在空間有____________________方向，原子軌道呈現(xiàn)_____形。(2)元素X的名稱是____。22p3三種互相垂直的伸展啞鈴氮能層KLMN…能級1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f…能級數(shù)1234…各能級軌道數(shù)1131351357…各能層軌道數(shù)14916…最多容納電子數(shù)281832…每個軌道最多容納2個電子，它們的空間運(yùn)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？溫故而知新斯特恩-蓋拉赫實驗在實驗中發(fā)現(xiàn)了銀原子束經(jīng)過不均勻磁場，產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)，并最終在屏幕垂直方向上，形成了兩個上下對稱的非連續(xù)分布。至此，所有的粒子從理論上就都有了——自旋。二、電子自旋1925年，兩個荷蘭年輕人提出：電子除空間運(yùn)動狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋。后來，人們認(rèn)識到，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。注意：①能層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)四個方面共同決定電子的運(yùn)動狀態(tài)，電子能量與能層、能級有關(guān)，電子運(yùn)動的空間范圍與原子軌道有關(guān)。②一個原子中不可能存在運(yùn)動狀態(tài)完全相同的2個電子。

核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述：能層、能級、原子軌道、自旋方向

空間運(yùn)動狀態(tài)數(shù)=軌道數(shù)

運(yùn)動狀態(tài)數(shù)=電子數(shù)1、泡利原理（也稱泡利不相容原理）在一個原子軌道里最多只能容納

個電子，且自旋狀態(tài)

。如2s軌道上的電子排布為

，不能表示為

。2相反2、電子排軌道表示式：軌道表示式(又稱電子排布圖)是表述電子排布的一種圖式，如氫和氧的基態(tài)原子的軌道表示式如下:通常應(yīng)在方框下方或上方標(biāo)記能級符號不要標(biāo)記電子數(shù)三、泡利原理在軌道表示式中，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，箭頭表示半種自旋狀態(tài)的電子“↑↓”稱電子對，“↑”或“↓”稱單電子(或稱未成對電子)。箭頭同向的單電子稱自旋平行。2、軌道表示式(又稱電子排布圖)：有時畫出的能級上下錯落，以表達(dá)能量高低不同↑↓↑↓↑↑↓↑↓↑↓1s2s2p3sNa1s22s22p63s1Na1、洪特規(guī)則

基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是

，且

，稱為洪特規(guī)則。四、洪特規(guī)則單獨(dú)分占如2p3的電子排布為

，不能表示為

或

注意：①洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。②洪特規(guī)則是針對電子填入簡并軌道而言的，并不適用于電子填入能量不同的軌道。自旋平行練習(xí)：寫出24Cr29Cu電子排布式29Cu

1s22s22p63s23p63d104s124Cr1s22s22p63s23p63d54s12、洪特規(guī)則的特例Cr和Cu的價電子排布均不符合構(gòu)造原理，但源自事實，其原因是什么呢？24Cr↑4s↑↑↑3d↑↑能量相近的簡并軌道中，電子排布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、d5、f7)或全空(p0、d0、f0)的狀態(tài)是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)，此為洪特規(guī)則的特例?！?s↑↑↑3d↑4s3d29Cu↑↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓4s↑↓↑↓↑↓3d↑↓↑只有一組全滿的簡并軌道有兩組半滿的簡并軌道只有一組全滿的簡并軌道有一組全滿、一組半滿的簡并軌道思考與討論（P16）(1)下列軌道表示式中哪個是硼的基態(tài)原子?為什么?(2)下列軌道表示式中哪個是氧的基態(tài)原子?為什么??違反了泡利原理??BC選項違反了洪特規(guī)則

?練習(xí)：請同學(xué)們嘗試書寫Si,Cl,K的基態(tài)原子的軌道表示式?！?s3pSi、↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓1s2s2p↑↓↑↓↑↓↑3s3pCl、↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓1s2s2p↑↓↑↓↑↓↑↓3s3pK、↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓1s2s2p↑4s↑1.含義：在構(gòu)建基態(tài)原子時，電子將盡可能地先占據(jù)能量低的原子軌道，使整個原子的能量最低。2.因素：所有電子排布規(guī)則都需要滿足能量最低原理?。?！

相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量低的能級即可使整個原子能量最低(如所有主族元素的基態(tài)原子);

而當(dāng)相鄰能級能量相差不太大時，有1~2個電子占據(jù)能量稍高的能級可能反而降低了電子排斥能而使整個原子能量最低(如所有副族元素的基態(tài)原子)。五、能量最低原理六、概念區(qū)分區(qū)別原子的電子式、原子結(jié)構(gòu)示意圖、核外電子排布式、電子排布圖（軌道表示式）。電子排布圖電子排布式原子結(jié)構(gòu)示意圖電子式↑↑1s2s2p↑↓↑↓1s22s22p2+624C····以C為例:簡化電子排布式[He]2s22p2C價層電子的軌道表示式↑↓2s↑↑2p思考與討論（P16）1、為什么基態(tài)氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1?2、為什么基態(tài)氮原子的軌道表示式是，而不是↓?↑↓↑↓↑↑↑1s2s2p↑↓↑↓↑↑1s2s2p3、為什么基態(tài)Sc的價電子是3d14s2，而不是4s3?不滿足能量最低原理不滿足泡利原理不滿足洪特規(guī)則小結(jié)：基態(tài)原子的核外電子排布遵循________________、______________和_____________原理。泡利原理洪特規(guī)則能量最低26Fe↑↓4s↑↓↑↑3d↑↑思考與討論請大家結(jié)合今天所學(xué)知識討論一下Fe3+和Fe2+的價電子排布是怎么樣？Fe3+Fe2+↑↓↑↑3d↑↑↑↑↑3d↑↑3d63d5電子的填入順序與失去順序并非完全相反。原子結(jié)構(gòu)自旋相反、自旋平行核外電子排布圖泡利原理洪特規(guī)則特例核外電子排布規(guī)律電子對、單電子能量最低原理洪特規(guī)則原子軌道、能級符號、簡并軌道例2、寫出15P、25Mn的軌道表示式，并按要求填空。15P：______