选修Ⅲ原子结构§1-1(暑).doc

第一章 原子结构与性质1-1 原子结构【学习目标】：1了解原子结构的构造原理，知道原子核外电子的能级分布，能用电子排布式表示常见元素（136号）原子核外电子的排布。2了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。3了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道。了解泡利原理和洪特规则。【学习重点】：1根据构造原理写出136号元素原子的电子排布式；2核外电子的运动状态，电子云与原子轨道； 3泡利原理、洪特规则【学习难点】：1电子云与原子轨道； 2基态、激发态与光谱。【知识梳理】一、开天辟地原子的诞生现代大爆炸宇宙学理论认为，我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸。大爆炸后约两小时，诞生了大量的氢、少量的氦以及极少量的锂。其后，经过或长或短的发展过程，氢、氦等发生原子核的熔合反应，分期分批地合成其他元素。（1815年，普鲁特曾预言氢是所有元素之母）人们对原子的认识过程：（1）古希腊哲学家德谟克利特为代表的古代原子学说；（2）道尔顿近代原子学说 （3）汤姆生“葡萄干布丁”原子模型和卢瑟福“行星系式”原子模型（4）玻尔原子模型 （5）现代原子结构量子力学模型（核外电子运动电子云）【复习提问】电子是怎样在核外空间排布的？ 核外电子排布的一般规律（1）核外电子总是尽量先排布在能量较低的电子层，然后由里向外，依次排布在能量逐步升高的电子层(能量最低原理)。（2）原子核外各电子层最多容纳2n2个电子。（3）原于最外层电子数目不能超过8个(K层为最外层时不能超过2个电子（4）次外层电子数目不能超过18个(K层为次外层时不能超过2个)，倒数第三层电子数目不能超过32个。说明：以上规律是互相联系的，不能孤立地理解。例如；当M层是最外层时，最多可排8个电子；当M层不是最外层时，最多可排18个电子【思考】这些规律是如何归纳出来的呢？二、能层与能级2-1能层（1）能层的概念：按电子能量差异，将核外电子所在的不同区域划分成不同的能层。我们知道多电子原子的核外电子的能量是不同的，由内而外可以分为不同的电子层，准确地说，应该叫做“能层”： 第一、二、三、四、五、六、七能层符号表示 K、 L、 M、 N、O、 P、 Q 能量由低到高例如：钠原子有11个电子，分布在三个不同的能层上，第一层2个电子，第二层8个电子，第三层1个电子。思考：19K、8O的电子分别分布在几个不同的能层上？各能层上有多少个电子？（2）能层的表示方法：能 层（n） 一 二 三 四 五 六 七符 号 K L M N O P Q最多电子数 2 8 18 32 50（3）各能层最多可容纳电子数：2n2（n：能层的序数）2-2能级（1）能级的概念：多电子原子中，同一个能层的电子，能量也可能不同，可以把它们分成不同的能级（2）能级的符号和所能容纳的最多电子数：能 层KLMNO能 级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p最多电子数226261026101426各能层电子数28183250可见，每个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf，同一能层，电子能量s、p、d、f顺序逐渐升高，即：能量高低顺序为：nsnpndnf（3）各能层所拥有的能级数量：任一能层，能级都是从s能级开始，且：能级数能层序数。例如：第一能层只有1s能级；第二能层有2s、2p两个能级；第三能层有3s、3p、3d三个能级。（4）各能级可容纳的电子数目：s、p、d、f可容纳的电子数依次是1、3、5、7的两倍例如，s能级最多可容纳2个电子；p能级最多可容纳6个电子；d能级最多可容纳10个电子；f能级最多可容纳14个电子。【典例分析】:下列有关说法正确的是（ ）A各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序依次为1、3、5、7B各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束C各能层含有的能级数为n1 D各能层含有的电子数为2n2【课堂练习1】（1）下列关于能级的能量大小比较错误的是（ ）AE1sE2sE3sE4s BE2pE3pE4pE5p CE4sE4pE4dE4f DE2sE2pE2dE2f（2）下列说法正确的是（ ）An1的能层可以有p能级，标记为1p Bn2的能层可以有d能级，标记为2dCn6的能层可以有f能级，标记为6f Dn3的能层可以有f能级，标记为3f（3）下列说法正确的是（ ）A不论何种原子的M能层上都有18个电子B各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束C各能层含有的能级数为n1Ds、p、d、f能级可容纳的电子数依次是2、6、10、14。三、构造原理与电子排布式3-1构造原理：从氢原子开始，随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子，这个电子大多是按下图的能级顺序填充的，填满一个能级再填一个新能级。这种规律称为“构造原理”。简单讲，构造原理就是电子的排布顺序，其实质是各能级的能量高低顺序。1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p122，334，345，456，4567，567该能级上填充的电子数目能层序数能级符号nxm这个顺序要求同学们要熟记。3-2构造原理的应用电子排布式（电子构型） 例如：1H：1s1 11Na：1s22s22p63s1 7N：1s22s22p3 20Ca：1s22s22p63s23p64s2书写电子排布式时，可以把内层电子已达到稀有气体电子层结构的部分写成稀有气体元素符号（称为原子实），从而简化电子排布式。例如： 11Na：Ne3s1 20Ca：Ar4s2离子的电子排布式：17Cl：1s22s22p63s23p6，26Fe2+：1s22s22p63s23p63d6，26Fe3+：1s22s22p63s23p63d5【特别提醒】电子填充顺序要按构造原理，书写电子排布式则要能层序数例如，28Ni，电子填充顺序是1s22s22p63s23p64s23d8，而电子排布式为：1s22s22p63s33p63d84s2【思考】根据构造原理，试分析原子的最外层（K层除外）电子数不超过8的原因。【课堂练习2】（1）已知21Sc(钪)部分核外电子排布为：1s22s22p63s23p64s2，它的最后一个电子应该填充在4p能级还是3d能级？为什么？（2）写出136号元素的核外电子排布式和简化核外电子排布式。（3）下列符号代表一些能层或能级的能量，请将它们按能量由低到高的顺序排列：EK、EN、EL、EM _， E3S、E2S、E4S、E1S_，E3S、E3d、E2P、E4f_。（4）多电子原子中，3s、3p、3d、4s能级的能量高低顺序为A3s3p3d4s B3s3p4s3d C3s3p3d4s D3s3p3d4s（5）已知X、Y两种元素的简化电子排布式分别为，X：Ar3d54s2；Y：Ne3s23p4。回答下列问题：X、Y两种元素的原子序数和元素符号分别是，X：_；Y：_。Y原子最外电子层上的电子数是能层数的_倍；Y原子最外电子层上s能级与p能级上的电子数之比为_。（6）在118号元素中，最外层p能级上填充的电子数等于其电子层数的原子有_；最外层p能级上填充的电子数是其电子层数的2倍的原子有_。四、能量最低原理、基态与激发态、光谱4-1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。即电子在填充到各个能级中时，将尽可能先进入能量较低的能级，当能量较低的能级填充满后，再依次进入能量较高的能级。4-2基态: 最低能量状态。处于最低能量状态的原子称为基态原子。4-3激发态: 较高能量状态（相对于基态）。当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，这时的原子称为激发态原子。吸收能量释放能量基态与激发态相互转化与能量转化的关系：基态原子 激发态原子4-4光谱（1）原子光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称为原子光谱。光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。正是因为原子核外电子发生跃迁释放能量，才有五彩缤纷绚烂迷人的各种光现象。 （2）应用：发现新元素科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦；光谱分析鉴定元素的存在与含量。【课堂练习3】（1）同一原子的基态和激发态相比较（ ） A基态时的能量比激发态时高 B基态时比较稳定C基态时的能量比激发态时低 D激发态时比较稳定（2）当碳原子的核外电子由1s22s22p2转变为1s22s12p3时，下列说法正确的是（ ）A碳原子由基态变为激发态 B碳原子由激发态变为基态C碳原子要从外界环境吸收能量 D碳原子要向外界环境释放能量 （3）当氢原子中的电子从2p能级，向其他低能量能级跃迁时( ) A产生的光谱为吸收光谱 B产生的光谱为发射光谱C电子的势能将升高 D电子的势能将降低五、电子云与原子轨道5-1电子运动的特点：质量极小 运动空间极小 极高速运动。电子运动不能用牛顿运动定律来描述，只能用统计学的观点来描述，即只能确定它在原子核外各处出现的概率。 式中，P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，P/V称为概率密度，用表示。5-2电子云: 电子在原子核外出现的概率密度分布图看起来像一片云雾笼罩在原子核周围，因而被形象地称作电子云。5-2电子云轮廓图原子轨道把电子在核外空间出现概率P90%的空间圈出来，用以表示电子云轮廓的形状，称为电子云轮廓图。它反映了核外电子在一定空间的运动状态。电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。s的原子轨道是球形的，能层序数越大，原子轨道的半径越大。 p的原子轨道是哑铃形状，每个P能级有3个轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz为符号。zyx1sxyz2syzx3ss电子的电子云轮廓图px、py、pz的电子云轮廓图yxPyzyzPzyzxpxp原子轨道的平均半径也随能层序数增大而增大。不同能层的能级、原子轨道和电子云轮廓图能层能级原子轨道数原子轨道名称电子云轮廓图形状取向K1s11s球形L2s12s球形2p32px、2py、2pz哑铃形相互垂直M3s13s球形3p33px、3py、3pz哑铃形相互垂直3d5N4s14s球形4p34px、4py、4pz哑铃形相互垂直4d54f7六、泡利原理和洪特规则电子在空间的运动状态用能层（n）、能级（s、p、d、f）、以及原子轨道在空间的取向来进行描述，除此之外，电子还有一种状态叫做自旋，用上下箭头（和）表示。6-1泡利不相容原理在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反。这个原理称为泡利原理。2p1s2s1s2s6-2电子排布图轨道表示式（用方框表示一个原子轨道，用箭头表示电子。能量不同的轨道要间隔开来，能量相同的轨道并列）例如：3Li的电子排布图： 9F的电子排布图：2p1s2s3s3p13Al的电子排布图：【思考】试用泡利原理解释各能层最多容纳的电子数为2n2。【典例分析】：（2009-上海）以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是（ ） A：He B C1s2 D【典例分析】： 前四周期中，基态原子中未成对电子数与其所在周期数相同的元素有_种。写出其基态原子的电子排布式，并指出它们在元素周期表中的位置（周期、族）。6-3洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则称为洪特规则。2p1s2s2p1s2s如：7N的电子排布图： ，8O的电子排布图：6-4洪特规则的特例能量相同的轨道全充满、半充满或全空的状态一般比较稳定。电子在轨道中排布时，将尽可能按此排布以使能量降低。例如：28Ni的电子排布式为：1s22s22p63s23p63d84s2，29Cu的电子排布式为：1s22s22p63s23p63d104s1，而不是1s22s22p63s23p63d94s2【典例分析】：1，下列原子的外围电子排布式不正确的是（ ）ATi：3d25s2 BCr：3d44s2 CAr：3s23p6 DNi：3d64s2,2，按照下列元素基态原子的电子排布特征判断元素，并回答问题。A原子中只有一个能层且只含1个电子；B原子的3p轨道上得到1个电子后不能再容纳外来电子；C原子的2p轨道上有1个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反；D原子的第三能层上有8个电子，第四能层上只有1个电子；E原子的最外层电子排布式为3s23p6。（1）元素符号：A_、B_、C_、D_、E_。（2）写出D原子的电子排布图 （3）写出由A、B、C、D中的三种元素组成的化合物的化学式 （至少写出4个）。（4）要判断太阳上是否含有E元素，可采用的方法是_。【课堂练习4】： （1）写出5、6、12、15号元素核外电子排布轨道式。（2）下列表示的是第二周期中一些原子的核外电子排布，回答以下问题：a存在错误的是_，错误的原因是_。画出正确的电子排布图 b代表B原子的电子排布图的是_，代表O原子的电子排布图的是_。（3）下面的电子排布式是否正确？如不正确，请指出错误原因，并写出正确的电子排布式。27Co：1s22s22p63s23p63d84s1 32Ge：1s22s22p63s23p64s23d104p2（4）写出24号、35号元素的电子排布式。（5）以下列出的是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况。试判断，哪些违反了泡利不相容原理，哪些违反了洪特规则。 违反泡利不相容原理的有_，违反洪特规则的有_。（6）下列原子的外围电子排布中，那一种状态的能量较低？试说明理由。2s2p2s2p氮原子： A B _； 钠原子：A3s1； B3p1_；铬原子：A3d54s1；B3d44s2_。对应练习1若某原子的外围电子排布式为4d15s2，则下列说法正确的是（ ） A该元素基态原子中共有3个电子 B该元素原子核外有5个电子层C该元素原子最外层共有3个电子 D该元素原子M能层共有8个电子2下列基态原子的电子排布式中其未成对电子数最多的是( )A1s22s22p63s23p63d64s2 B1s22s22p63s23p64s1 C1s22s22p63s23p63d54s1 D1s22s22p63s23p63d104s13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笼罩在原子核周围，故称电子云Bs电子云呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动Cp电子云呈哑铃形，随着能层的增加，p轨道数量也在增多D与s电子云相同，p电子云的平均半径随能层的增大而增大4以下电子排布式表示基态原子电子排布的是( )A1s22s22p63s13p3 B1s22s22p63s23p63d104s1 4p1 C1s22s22p63s23p63d24s1 D1s22s22p63s23p63d104s24p1 5下列电子排布式或电子排布图正确的是( )ABr的电子排布式：Ar3d104s24p6 BCa原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d22p1s2s2p1s2sCN原子的电子排布图： DC原子的电子排布图6下列各组表述中，两个原子不属于同种元素原子的是( )A3p能级有一个空轨道的基态原子和核外电子排布式为1s22s22p63s23p2的原子B2p能级无空轨道且有一个未成对电子的基态原子和最外层电子排布式为2s22p5的原子CM层全充满而N层为4s2的原子和核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2的原子D最外层电子数是核外电子总数1/5的原子和最外层电子排布式为4s24p5的原子。7生活中的下列现象与原子核外电子发生跃迁有关的是( ) A钢铁长期使用后生锈 B节日里燃放的焰火 C金属导线可以导电 D卫生丸久置后消失8具有下列电子层结构的原子，其对应元素一定属于同一周期的是( )A两种原子的电子层上全部都是s电子B3p轨道上只有一个空轨道的原子和3p轨道上只有一个未成对电子的原子C最外层电子排布为2s22p6的原子和最外层电子排布为2s22p6的离子D原子核外的M层上的s轨道和p轨道都排满了电子，而d轨道上尚未有电子的两种原子9下列电子排布中，原子处于激发态的是( )A1s22s22p5 B1s22s22p43s2 C1s22s22p63s23p63d44s2 D1s22s22p63s23p63d34s210下列离子中外层d轨道达半充满状态的是 ACr3+ BCu+ CCo3+ DFe3+11X元素原子的最外层电子排布为nsnnpn+1，试回答下列问题：（1）电子排布式中的n_；原子中能量最高的是_电子；其电子云在空间有_方向，呈_形。（2）X元素的名称是_；它的氢化物的电子式是_。12有A、B、C、D、E5种元素，它们的核电荷数依次增大，且都小于20。其中A为非金属元素，A和E属同一族，它们原子的最外层电子排布式为ns1。B和D也属同一族，它们原子最外层的p能级电子数是s能级电子数的两倍，C原子最外层上电子数等于D原子最外层上电子数的一半。请回答下列问题： （1）A是_，B是_，C是_，D是_，E是_（写元素符号）。（2）由这5种元素组成的一种化合物是（写化学式）_ _。写出该物质的一种用途：_。（3）写出C元素基态原子的电子排布式：_。（4）用电子排布图表示D元素原子的最外层电子排布：_。13W、X、Y、Z四种短周期元素的原子序数XWZY。W原子的最外层没有p电子，X原子核外s电子与p电子数之比为11，Y原子最外层s电子与p电子数之比为11，Z原子核外电子中p电子数比Y原子多2个。则：（1）四种元素原子半径大小顺序为_（用元素符号表示）。（2）W、X元素最高价氧化物对应水化物的碱性强弱顺序为_（用化学式表示）。14以下是铁原子和铁离子的3种不同化学用语。结构示意图电子排布式电子排布图铁原子+26214821s22s22p63s23p63d64s2铁离子+2613821s22s22p63s23p63d5（1）铁原子最外层电子