专题2 原子轨道详案

提问 第二课时第二课时 人类探索自然奥秘的一个重要方面是研究物质的微观结构 自古以来人们对物质的探索就 没有停止过 古希腊的哲学家曾经提出 物质是由不可分割的微粒构成的 后来的科学家 对物质结构的研究证实 原子是由质子 中子 电子等微粒构成的 有了对原子及其结构 的认识 人们才能更好地探索物质的组成 结构 性质及应用 就可以根据需要制备出各 种不同性能的物质 那么人类对原子结构的认识经历了一个怎样的过程呢 1803 年 德谟克利特发表了他的原子学说 认为原子是一个不可分割的实心球体 他的学 说被称为是古代原子学说 这个学说被 100 年后的道尔顿的原子学说补充 道尔顿总结了 一些元素化合时的质量比例关系 提出了原子不能被创造 也不能被毁灭 在化学变化中 不可再分割 它们在化学反应中保持本性不变 在这两个理论中 原子都被认为不能分割 这种理论到 1897 年被汤姆生推翻 他发现原子钟存在电子 并且用实验方法测出电子的 质量不及氢原子质量的千分之一 电子的发现使人们对原子的结构认识进入新的阶段 1904 年汤姆生提出了一个被称为葡萄干面包式的原子结构模型 1911 年英国物理学家卢瑟福根据 离子散射现象提出了带核的原子结构模型 原子由原 子核和核外电子构成 原子核带正电荷 位于中心 电子带负电荷 在原子核周围做高速 运动 就像星星围绕太阳一样 1913 年 丹麦物理学家玻尔在研究氢原子光谱时 引入了量子论观点 大胆地提出了新的 原子结构模型 原子核外电子在一系列稳定的轨道上运动 每个轨道都有一个确定的能量 值 核外电子在这些稳定的轨道上运动 既不放出能量 也不吸收能量 20 世纪初 科学家解释了微观世界波粒二象性的规律 认识到必须用两字力学模型描述电 子运动 既然电子部遵循宏观物体的规律 那么如何知道核外电子的运动状态呢 科学家采用了统 计的方法来描述电子在原子核外的某一区域出现的机会 小点的疏密程度与电子在该区域 出现的机会大小成正比 所表示出来的图形就被称为电子云 在以前的学习中我们都知道 不同元素的核外电子数是不同的 比如说硫核外有 16 个电 子 而碳核外只有 6 个电子 现在请几个同学来写一下几个原子的结构示意图 原子序数元素符号原子结构示意图 8 11 13 18 讲述 讲述 讲述 讲述 讲述 提问 讲述 讲述 提问 讲述 在含有多个核外电子的原子中 电子能量往往是不同的 人们根据电子的能量差异和主要 运动区域等不同的标准 对原子核外电子进行划分 在必修课教材中 我们已经学习过了核外电子的一种划分 电子层 根据电子的能量不 同和离核的远近我们可以将电子分为不同的电子层 最外层电子达到 8 个时原子会处于一 种稳定结构 通过某元素原子最外层电子数通常可以推测出该元素单质的化学性质 有一 句话叫人多力量大 电子也可以类比这句话 如 Na Mg Al 等活泼金属的最外层电子较 少 他们就像是人少的团队 无法保护的自己的电子 于是他们容易失去电子 而 Cl F 等元素原子的最外层电子较多 他们则容易夺取其他原子的电子 形成稳定的电子结构 形成负离子 说到电子能量 我们来比较两个概念 电子能量和电离能 电子能量 电子挣脱原子核的束缚的能力 电子能量与电子距离原子核远近的关系 电子能力高 挣脱原子核束缚的能力强 距离原子核远 电子能量低 挣脱原子核束缚的能力弱 距离原子核近 电离能 基态的气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最小能量称为元素的电离能 符号 I 一个原子核外有几个电子 就有几个电离能 分别为 I1I2I3 电子能力高 距离原子核远 电离能越小 电子能量低 距离原子核近 电离能越大 每一个电子层我们都用一个符号去表示 第一个电子层称为 K 层 第二个电子层称为 L 层 第三个电子层称为 M 层 依次类推 根据电子的能量不同和离核远近我们将电子分成了不同的电子层 那么同一层的电子是不 是就完全相同呢 我们知道现在的住房 首先通过地域的区别分成小区 就像学校附近有 黄天荡新村一样 电子层的区分就像是把电子先分成不同的小区 而每个小区里的住房也 都是不尽相同的 每一个电子层的电子同样也是不相同的 住宅可以再以单元来区别 电 子则可以在电子层的基础上再划分成不同的电子亚层 电子层我们知道是用电子能量和离核远近作为依据划分 那么电子亚层又是以什么依据划 分的呢 不同的电子亚层也是通过能量的不同来划分的 虽然同一电子层的电子能量相近但是仍然 有区别 不同能量的电子运动的范围也不一样 他们在不同的轨道上运动 这种轨道的概 念和电子云是相近的 他描述的不是宏观物体的运动轨迹 而是电子运动的一个主要区域 电子在这个区域里做无法预测的高速运动 不同的电子亚层我们也给他们以不同的命名 就像小区里的第一单元第二单元等等一样 我们按照能量从小到大的顺序依次将原子轨道命名为 s 亚层 p 亚层 d 亚层 f 亚层 每一个亚层的电子云都有不同的伸展方向 相同亚层的伸展方向是相同的 S 亚层的形状 是球形 p 亚层是纺锤形 d 亚层和 f 亚层则比较复杂 中学阶段不需要掌握 感兴趣的 同学课后可以自己去查阅一些相关的资料 立体几何里将空间划分为立体坐标系 我们借鉴这种方法 以原子核为中心 将原子核外 空间划分为一个立体坐标系 电子绕核外运动 形成不同形状的电子云 那么他们在空间 里的分布是否有不同呢 我们依次来观察一下 首先是 S 亚层 他的伸展方向是球形对称的 那么在空间里 他的伸展方式只有一种 就 是以原子核为球心的一个球形 P 亚层的形状是纺锤形 他的两个臂可以是沿着 x 轴方向的 也可以是沿着 y 轴方向 也 讲述 讲述 提问 提问 讲述 讲述 提问 讲述 提问 可以是沿着 z 轴方向的 所以他有 3 种伸展方向 我们刚才说每一个电子亚层就像小区里 的单元一样 每一个单元里都有很多的屋子 这每一个屋子我们给他一个名称 叫做原子 轨道 在一定的电子层上 具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个原 子轨道 每一个屋子都要有自己的门牌号我们也给每一个伸展方向一个门牌号 分别命名 为 px py pz 通常人们将表示电子层的 n 和表示亚层的 s p d f 结合起来表示原子轨道 如 1s 2p 2px 2py 2pz 3d D 轨道和 f 轨道的形状比较复杂 所以在这里我直接告诉大家 d 轨道有 5 种伸展反省 f 轨道则有 7 种 现在我们一起来看一下电子层和电子亚层的关系 电子层 K L M N 电子亚层 s p d f 原子轨道 px py pz 小区 单元 住房 电子层亚层数符号 1 K 1s 2 L 2s p 3 M 3s p d 4 N 4s p d f 目前在电子层中最多只出现四个电子亚层 电子亚层的表示符号及意义如 1s 2p 3d 数字表示电子层数 字母表示亚层数 我们来做几道练习 比较下列多电子原子的原子轨道能量高低 1s 3d 3s 3p 3d 2p 3p 4p 2px 2py 2pz 大家有没有从习题中总结出电子能量的比较方法呢 现在来总结一下原子轨道能量的比较方法 同一电子层里不同亚层的电子能量按 s p d f 顺序递增 即 Es Ep Ed4s 我们将核外电子的排布规则比喻成住房 划分了小区 单元 已经每一个屋子 现在要给 屋子安排住户了 电子就是我们要安排的住户 怎样去安排呢 根据卢瑟福提出的原子结构理论 原子像一个星系一样 原子核是恒星 电子就是行星 电子要围绕着原子核做运动 而我们知道 行星绕恒星运动 他自己也要自转 那么电子 是不是也有相同的运动呢 电子也存在着一种称为 自旋 的运动 原子核外电子的自旋可以有两种状态 人们用 和 以示区别 但是这种自旋运动并不是真的像行星一样简单的绕轴自旋 我们只是用他 来代表着电子的两种不同状态 每一个原子轨道都可以容纳两个不同自旋状态的电子 也就是说每一个原子轨道只能最多 提问 练习 复习 容纳 2 个电子 请大家完成下列的表格 电子层原子轨道类型原子轨道数目可容纳电子 数 11s12 22s 2p48 33s 3p 3d918 44s 4p 4d 4f1632 n n22n2 元素周期表中的每一行都是按照电子层数来划分的 第一行的元素原子都只有一个电子层 可以容纳两个电子 则元素周期表第一行可以容纳两个元素 第二行则有两个电子层 一 共可以容纳 8 个电子 于是元素周期表的第二行可以容纳 8 个元素 依次类推 我们看到 元素周期表周期的总结 以前我们只是知道每一行可以容纳这么多元素 但是不知道为什 么 现在通过对原子轨道的学习 可以知道为什么元素周期表的每一行可以容纳这些数量 的元素了 1 有下列四种轨道能量最高的是 D A 2s B 2p C 3p D 4d 2 用 或 表示下列各组多电子原子的原子轨道能量的高低 1 3s 3p 2 2px 2py 3 3s 3d 4 4s 3p 3 处于同一电子层的原子核外电子 也可以在不同类型的原子轨道上运动 轨道类型不同 轨道的形状也不同 S 亚层是球形对称的 所以 s 亚层有 1 个轨道 p 亚层在空间有 xyz3 个伸展方向 所以 p 亚层包括 px py pz3 个轨道 d 亚层有 5 个轨道 f 亚层有 7 个轨道 每一个原子轨道上有 2 个自旋状态不同的核外电子 第三课时第三课时 大家还记得我们上节课学了哪些内容吗 请一位同学为我们大家复习一下 描述核外电子运动状态的参数 电子层 n K L M N 讲述 讲述 讲述 讲述 讲述 电子数 每层 2n2个 最外层电子 8 个 K 层时 2 个 如果最外层为 8 个 K 层为 2 个 就达到了饱和 稳定结构 次外层 18 个 倒数第三层 32 上一节课我们已经学习了原子轨道的相关知识 也初步的了解了核外电子是怎样填充 入原子轨道的 这节课 我们将要更详细地学习核外电子的排布规律 科学家经过研究发现 原子核外电子的排布遵循能量最低原理 泡利不相容原理和洪 特规则等原理 首先我们先来学习能量最低原理 能量最低原理是指原子核外电子优先占有能量低的轨道 然后依次填充能量较高的轨 道 原子轨道的能量排布顺序就是电子的填充顺序 大家还记得我们上节课讲过一个特例 吗 3d 轨道的能量是大于 4s 轨道 这就是原子轨道能级交错现象 这个现象不仅仅 出现在第三层和第四层之间 如 5s 4d 6s 4f 5d 等 能级交错现象产生的原因 能级交错现象产生的原因 内层电子的屏蔽效应和外层电子的穿透效应 内层电子的屏蔽效应和外层电子的穿透效应 高中阶段我们主要掌握的 1 36 号元素 需要重点记忆的有 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 原子核外电子排布的第二个原理就是泡利不相容原理 这个原理理解起来非常简单我 们可以将每一个原子轨道想象成一个标准间 每个标准间最多只能住 2 个人 每一个 原子轨道也最多只能容纳 2 个电子 这两个电子必须自旋状态不同 最后一个原理就是洪特规则 在说洪特规则之前 我来问大家一个问题 现在有 3 个 学生 要给他们安排宿舍 宿舍有三间 每间最多只能住 2 个人 有两种安排方式 一种是 2 个一间 另外一个人一间 空余一间 另一种方式是每个人单独住一间 大 家会选择哪种方式呢 自然是每个人单独一间住得舒服 对吗 电子的想法也是一样 原子核外电子在能量 相同的各个轨道上排布的时候电子会尽可能的先分占不同的原子轨道 而且自旋方向 原子轨道或电子云形状 s p d f 原子轨道或电子云在空间的伸展方向 px py pz 电子的自旋状态 讲述 提问 讲述 提问 讲述 讲述 相同 比如 N 原子 N 原子核外一共有 7 个原子 分为 2 层 K 层有 1 个原子轨道 L 层有 4 个原子轨道 分别是 2s 2px 2py 2pz 首先 我们根据能量最低原则和泡利不 相容原理 将 K 层的轨道填满 则有 1s2 然后电子再填入 2s 轨道 2s2 剩下的 3 个 电子 有两种填法 一种是 还有一种是 那么 根据洪特规则 我们知道实际的填充方法应该是第二种 这样的填充方法可以使整个 原子的能量处于一种较低的状态 不能理解的同学可以想象一下 一个很小的房子塞 了两个人 而还有一个空房子 那两个人是不是就想着要把另外一个人赶到空房子里 去 让自己住得更舒服点呢 那把谁赶走呢 是不是就要打架了 一旦打起来 原子 是不是就不稳定了 洪特规则也有一个特例 洪特规则的特例 当原子轨道上的电子排布为全充满 半充满或全空时 原子具有较低的能量和较大的 稳定性 什么叫全充满 什么叫半充满 什么叫做全空呢 请一位同学来回答一下 全充满 s2 p6 d10 半充满 s1 p3 d5 全空 s0 p0 d0 那就是说 电子排布为以上这三种方式的时候 原子处于一个更稳定的状态 请同学们写出 C 原子的核外电子排布式 C 1s 2s 2px2py2pz 碳原子核外电子首先填充 K 层轨道 剩余的 4 个电子排布在 L 层 为了满足洪特规则 特例 电子首先满足半充满的条件 于是电子的排布并不是简单的 2s22p2 而是 2s12p3 这样 s 层和 p 层都可以满足半充满的条件 使整个原子处于一个更稳定的状态 现在我们一起来总结一下原子核外排布式的表示式的书写方法 书写格式 1s1 22s1 22p1 6 电子层序数 n 原子轨道上的电子数 原子轨道 写出下列元素的电子排布式 Na 1s22s22p63s1 K 1s22s22p63s23p64s1 N 1s22s22p3 原子核外电子排布式也可用 原子实