【课件】电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、能量最低原理课件高二化学人教版（2019）选择性必修2

第一节原子结构基础课时2电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、能量最低原理第一章原子结构与性质学习任务学习目标1min××√√自学检测 2min先单独分占，且自旋平行。洪特规则教师点拨25min思考:宏观物体与微观物体（电子）的运动有什么区别?宏观物体的运动特征：

宏观物体的运动可以准确地测出它们在某一时刻所处的位置及运行的速度；

可以描画它们的运动轨迹。微观物体的运动特征：核外电子质量小(只有9.11×10-31kg)，运动空间小（相对于宏观物体而言），运动速率大(近光速)；无确定的轨道，无法描述其运动轨迹；不能同时准确的测定其位置和速率原子核外电子的运动状态是怎么样的呢？1913年，波尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度(ρ)分布。

用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则称为概率密度，用ρ表示1.概率密度2.氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图小点不是电子本身，小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点越密，表明概率密度越大。电子云只是形象地表示电子出现在各点的概率高低，而实际上并不存在一：电子云1：概念由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。2：电子云轮廓图——原子轨道球形轮廓图xyz常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来，人们把这种电子云轮廓图称为原子轨道。

S能级的原子轨道图*S能级的原子轨道是球形对称的*能层序数n越大，原子轨道半径越大由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。p能级的原子轨道图*p能级的原子轨道是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以px，py，pz表示。P电子原子轨道的平均半径随n增大而增大。在同一能层中px，py，pz的能量相同。d的电子云轮廓图(五个伸展方向）f的电子云轮廓图（七个伸展方向）二：原子轨道量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。1：概念常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。2：表示3：轨道数ns原子轨道1个nd原子轨道有5个np原子轨道有3个nf原子轨道有7个有几种空间运动状态即有几个原子轨道微观粒子可视化：1s~2p原子轨道的叠加电子云与原子轨道离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云疏散。不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，但不完全相同。只是原子轨道的半径不同，能级序数n越大，电子的能量越大，原子轨道的半径越大。例如1s、2s、3s原子轨道均为球形，原子轨道半径：r(1s)＜r(2s)＜r(3s)。小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。只用小点的疏密描述电子在核外空间出现概率的相对大小。D原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，球壳内出现概率约90%，球壳外出现概率约10%x、y、z3个伸展方向电子云图中的小点并不代表电子。电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述，不代表电子的实际运动轨迹，小点的疏密表示电子在核外空间出现的概率密度的大小，小点越密，表示电子出现的概率密度越大。1、s能级和p能级的原子轨道存在哪些方面的差异？

轨道形状、数目、最多容纳电子数等不同。2、不同能层中的s轨道和p轨道电子云轮廓分别相同吗？能量分别相同吗？

电子云轮廓相同(s轨道均为球形，p轨道均为哑铃形)；能量不同(能层序数越大，能量越高)。【思考与讨论】3、基态原子的核外电子填充在6个轨道的元素有几种？

填充在7个轨道中的元素有几种？

s、p能级分别有1、3个原子轨道，按照构造原理，核外电子填充在6个轨道的元素为1s22s22p63s1(Na)和1s22s22p63s2(Mg)，共2种；填充在7个轨道中的元素只有1s22s22p63s23p1(Al)一种元素。图1

图2C电子云中的小点的疏密程度描述的是电子在原子核外空间出现的概率大小球体内90%，球体外10%DCDp能级的电子云轮廓图呈哑铃形，电子做无规则运动，轨迹是不确定的不一定，如4s>3p能层数KLMNOPQn能级数1234567轨道多容纳电子数281832507298n2n2n2

两个电子容纳在一个轨道里，也就意味着，它们的空间运动状态是相同的。为什么每个原子轨道中最多可容纳两个电子？一：电子自旋和泡利原理1：电子自旋1925年，两个荷兰年轻人根据实验事实提出假设：电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓”)表示自旋相反的电子。（1）概念（2）两种取向及表示方法：根据构造原理、能量最低原理、泡利原理可知，基态原子核外有几个电子就有几种运动状态(要么不同轨道，要么自旋方向不同)即在任何一个原子中找不到两个完全相同的电子。①自旋是微观粒子普遍存在的一种如电荷、质量一样的内在属性②电子的运动状态由能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关③一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子（3）补充说明：（4）应用：课本P15资料卡片钠原子光谱泡利原理、构造原理、物质的磁性、研究物质的性质等银原子磁场分束2：泡利原理

在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，且它们的自旋相反。这个原理被称为泡利原理（也称泡利不相容原理）能级spdf原子轨道数1357最多容纳电子数2610143：电子排布的轨道表达式轨道表示式(又称电子排布图)是表述电子排布的一种图式

用方框（也可用圆圈）表示原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连，箭头（↑↓）表示一种自旋状态电子。如：氢和氧的基态原子电子排布式、轨道表示式为①概念②表示方法：1s2s2pH↑↓↑O1s↑↓↑↑H1s1O1s22s22p4原子轨道简并轨道：能量相同的原子轨道能级符号电子对↑↓单电子：未成对电子自旋平行不用标记电子数1、用□代表一个原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连。不同能级中的□要相互分开。2、整个电子排布图中各能级的排列顺序要与相应电子排布式一致。4、通常在方框下方或上方标记能级符号。3、箭头表示一种自旋状态的电子，一个箭头表示一个电子，↓↑”称电子对，“↑”或“↓”表示单电子（或称未成对电子），箭头同向的单电子称自旋平行。5、有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。小结：电子对：同一个原子轨道中，自旋方向相反的一对电子单电子：一个原子轨道中只有一个电子，即未成对电子5、有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。如钠的基态原子的轨道表示式如下：↑↓1s↑↓↑↓↑↓↑↓Na2s2p↑3s课堂练习：请画出铝原子的轨道表示式铝原子外层有

个电子对，有

个单电子。电子有

种空间运动状态，有

种运动状态不同的电子。13176注意：①电子的空间运动状态指的是原子轨道

②一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子，即每个电子的运动状态都不相同(要么不同轨道，要么自旋方向不同)Al↑↓↑↓1s2s2p↑↑↑↓↓↓↑↓3s3p↑有几个原子轨道就有几个空间运动状态有几个电子就有几种运动状态二：洪特规则基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行1925年，洪特根据多电子原子的原子光谱正式提出洪特规则：如：2p3的电子排布为

不能为

洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子洪特规则适用于电子填入简并轨道，并不适用于电子填入能量不同的轨道

有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满、半充满、全空状态时，体系的能量较低，原子较稳定。相对稳定的状态全充满：p6、d10、f14半充满：p3、d5、f7全空：

p0、d0、f0洪特规则特例课堂练习：写出24Cr29Cu电子排布式和价层电子排布图29Cu1s22s22p63s23p63d104s124Cr1s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s1

47Ag79Au1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1d轨道全充满d轨道全充满【思考与讨论】

课本P161.下列轨道表示式中，哪个是硼的基态原子？为什么？2.下列轨道表示式中，哪个是氧的基态原子？为什么？A，在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，它们自旋相反。B，基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。1s

2s2p

A.↑↑↓↑↓B.↑↑↑↓↓1s

2s2p

1s

2s2p

A.↑↓↑↓↑↓B.↑↑↑↓↑↓C.↑↓↑↓↑↓1s

2s2p

1s

2s2p

↑↓LiBeBC↑↓1s2s↑↓↑↑↓↑↓1s2s↑2p↑↓↑↓1s2s↑↑2p1s2sNO↑↓↑↓1s2s↑↑↑2p↑↓↑↓1s2s↑↑↑↓2pFNe↑↑↑↓↓↑↓1s2s2p↑↓↑↓1s2s2p↑↑↑↓↓↓↑↓课堂练习：第二周期元素原子的电子排布图（即轨道表示式）【练习】某元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。请写出该元素原子的价层电子的轨道表示式？O↑↓2s↑↑↑↓2pF↑↑↑↓↓2s2p↑↓【练习】某元素原子的L层上有3对成对电子。请写出该元素原子的价层电子的轨道表示式？C↑↓2s↑↑2p——自然界的普适规律三：能量最低原理

多电子原子在基态时核外电子优先占据能量最低的轨道。a.相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低(如所有主族元素的基态原子);b.而当相邻能级能量相差不太大时，有1~2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥能而使整个原子能量最低(如所有副族元素的基态原子)。核电荷数电子数电子状态共同决定整个原子的能量所有电子排布规则都需要满足能量最低原理规则1：能量最低原理规则2：泡利原理规则3：洪特规则洪特规则特例(洪特规则的补充)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在一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且它们的自旋状态相反。当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。总结：

基态原子核外电子的排布遵循的规则实际上，整个原子的能量是由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。填多少怎么填

构造原理是以光谱学事实为基础的经验模型，当与客观事实出现矛盾时，必须遵循客观事实。随着原子核电荷数和核外电子数目的增多，原子核与电子、电子与电子之间的相互作用更加复杂，基态原子的电子排布不符合构造原理的情况更多，原因也更复杂。例如，第六周期的W的价层电子排布式按照洪特规则特例应该是5d56s1，但实际测定却是遵守构造原理的5d46s2。再如第五周期的Nb的价层电子排布式为4d45s1、Ru的价层电子排布式为4d75s1、Rh的价层电子排布式为4d85s1，既不遵守构造原理，也不能用洪特规则特例来解释(简并轨道未达到全充满、半充满或全空的状态)。因此，随着原子核电荷数和核外电子数目的增多，基态原子的核外电子排布变得更为复杂。

在多电子原子中，能够确定同一能层各能级的能量顺序是：E(ns)＜E(np)<E(nd)＜E(nf)……但对于出现能级交错现象的轨道，如3d轨道和4s轨道，二者的能量高低不是一成不变的，不能因为电子是按3p→4s→3d的顺序填充的，就认为3d轨道的能量一定大于4s轨道的，只是电子按照这样的顺序填充之后，能使整个原子处于能量最低的状态(整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定，比较复杂)。

又如Fe和Fe2+，它们的核电荷数都是26，对于核外有26个电子的Fe，原子按[Ar]3d64s2排布所具有的能量小于按[Ar]3d8排布的能量，因而基态Fe的电子排布是[Ar]3d64s2；对于核外有24个电子的Fe2+，它按[Ar]3d6排布所具有的能量小于按[Ar]3d44s2排布的能量，因而基态Fe2+的电子排布是[Ar]3d6。即前文提到的失去电子的顺序不一定与电子填充的顺序恰好相反。【思考与讨论】

课本P16（1）为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1（3）为什么基态K和Ca的价电子是4s1和4s2而不是3d1和3d2？不满足能量最低原理不满足洪特规则不满足构造原理（2）为什么基态氮原子的轨道表示式是

，而不是

？↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑↑洪特规则泡利原理能量最低原理1s2s2p3p3d3s4s用电子排布图表示出铁原子的核外电子排布结论：基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则和能量最低原理。违背任意一个，能量就不是最低，就不是基态。铁原子结构示意图电子排布式电子排布图1s22s22p63s23p63d64s2结构示意图：能直观地反映核内的质子数和核外的电子层数及各能层上的电子数。电子排布式：能直观地反映核外电子的能层、能级和各能级上的电子数。电子排布图：能反映各轨道的能量的高低及各轨道上的电子分布情况，自旋方向。

原子结构示意图、电子排布式、轨道表示式（1）有1个未成对电子：（2）有2个未成对电子：（3）有3个未成对电子：（4）有4个未成对电子：（5）有5个未成对电子：（6）有6个未成对电子：小结：1-36号元素中，原子核外未成对电子数与价电子排布之间的关系ns1、ns2np1、ns2np5、3d14s2、3d104s1ns2np2、ns2np4、3d24s2、3d84s2ⅠA族(ns1：H、Li、Na、K)；ⅢA族(ns2np1：B、Al、Ga)；ⅦA族(ns2np5：F、Cl、Br)；Sc、Cu。ⅣA族(ns2np2：C、Si、