原子结构【知识专讲精研】高二化学人教版（2019）选择性必修2

第一节

原子结构第一章

原子结构与性质湖北省利川市第一中学“葡萄干布丁”模型（汤姆生1904）电子分布在均匀的正电荷连续体内原子结构模型的演变实心球模型（道尔顿1803）原子是不可再分的12行星模型（卢瑟福1911）原子由原子核核外电子组成3圆形轨道模型（波尔1913）核外电子在特定轨道上高速运动4电子云模型（薛定谔1926）电子只能用概率大小来描述在某处出现的可能性5原子(ATOM)结构模型的演变1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期表1920年，丹麦科学家波尔提出了构造原理开启了用原子结构解释元素周期律的篇章波尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”厘清了核外电子的可能状态1936年德国科学家马德隆发表了以原子光谱事实为依据完整的构造理论核外电子按能量高低分层排布规律的发展过程一、能层与能级1、能层（1）概念：多电子原子的核外电子的能量是不同的，按电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层。电子层能层能层越高，电子的能量越高（2）表示方法及各能层最多容纳的电子数能层一二三四五六七符号K

L

M

N

OPQ最多电子数2=2×128=2×22

18=2×3232=2×42

50=2×5272=2×6298=2×72能层越高，电子的能量越高。能量的高低顺序为E(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。①能量规律②数量规律每层容纳的电子数不超过2n2（n为能层序数）2、能级在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成不同的能级。（1）概念：分别用相应能层的序数和字母

等表示，如n能层的能级按能量由低到高的排列顺序为ns、

、

、nf等。s、p、d、fnpnd（2）表示方法及各能级最多容纳的电子数....654321....PONMLK1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g......能层能量离核越远，能量越高能级（s、p、d、f）能量升高最多容纳的电子数目22+6=82+6+10=182+6+10+14=32每层最多容纳电子数：2n23、能层能量、能级能量与最多容纳的电子数的关系能级能量

能层序数

2小结：规律及注意事项2n2ns、np、nd、nf2s、2p3s、3p和3d1s1、3、5、7⑥在相同能层各能级能量由低到高的顺序是___________________________

<m>___。不同能层中同一能级，能层数越大，能量越高。例如：______________________________E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)(1)一个能层的能级与能层序数（n）间存在什么关系？一个能层最多可容纳的电子数与能层序数（n）间存在什么关系?(2)以s、p、d、f、为符号的能级分别最多可容纳多少电子？3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数是否相同？(3)第五能层最多可容纳多少电子？它们分别容纳在几个能级中？各能级最多容纳多少个电子？（注：高于f的能级不用符号表示。）一个能层的能级序数与能层序数（n）相等。一个能层最多可容纳的电子数=2n2s能级最多容纳2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。3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数相同第五能层最多可容纳50个电子，它们分别容纳在5个能级中，5s能级最多容纳2个电子，5p能级最多容纳6个电子，5d能级最多容纳10个电子，5f能级最多容纳14个电子，还有一个能级最多容纳18个电子。【思考与讨论】二、基态与激发态

原子光谱1、基态原子与激发态原子基态原子:处于最低能量状态的原子激发态原子:基态原子吸收能量，电子跃迁到较高的能级，变为激发态原子基态、激发态相互间转化的能量变化基态原子激发态原子吸收能量，电子跃迁到较高能级释放能量，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态LED灯光焰火激光光（辐射）是电子跃迁释放能量的重要形式之一问题：解释金属的焰色试验的原因？金属原子中,核外电子按一定轨道顺序排列,轨道离核越远,能量越高。灼(燃)烧时,电子获得能量,能量较低的电子发生跃迁,从基态变为激发态。随即电子又从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态,便以光(辐射)的形式释放能量,形成不同的焰色。特别提醒：①电子的跃迁是物理变化（未发生电子转移），而原子得失电子时发生的是化学变化。②一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。如1s22s22p2

表示基态碳原子，1s22s12p3为激发态碳原子（电子数不变）。③激发态原子不稳定，易释放能量变为基态原子。2、原子光谱

不同元素原子的电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原子的吸收光谱或发射光谱，总称为原子光谱。（1）概念：基态原子激发态原子吸收能量释放能量形成吸收光谱形成发射光谱电子跃迁Li、He、Hg发射光谱Li、He、Hg吸收光谱特征:暗背景,亮线,线状不连续，特征:亮背景，暗线，线状不连续（2）发射光谱与吸收光谱对比LiHeHgLiHeHg同一原子发射光谱中的亮线和吸收光谱中的暗线的位置对应相同。（3）原子光谱的应用①鉴定元素——每一种元素都有自己的特征谱线光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线鉴定元素。②发现新元素He氦用光谱仪测定氢气放电管发射的氢的发射光谱三、构造原理与电子排布式1、概念：以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。1s2s2p3s3p4s3d

4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p…2、构造原理顺序：一）构造原理每一行对应一个能层每一小圈对应一个能级1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p能量相近的能级划为一组，称为能级组第一能级组第二能级组第三能级组第四能级组第五能级组第六能级组第七能级组通式：ns······(n-2)f、(n-1)d、np

(n-2)≥4(n-1)≥3电子填入轨道次序图能级组3、构造原理中排布顺序的实质——各能级的能量高低顺序（1）相同能层的不同能级的能量高低顺序:（2）不同能层的相同能级的能量高低顺序:

E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)E(2p)<E(3p)<E(4p)E(ns)<E(n-2)f<E(n-1)d<E(np)4、能级交错：

从第3电子层开始出现此现象。如：E4s<E3d，E5s<E4d，E6s<E4f<E5d。构造原理告诉我们，随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层，如电子是按3p→4s→3d的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充的，这种现象被称为能级交错。源于光谱学事实按照构造原理，用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。1、概念：2、表示方法：写出从氢到碳的基态原子电子排布式:

1s1→1s2→1s22s1→1s22s2→1s22s22p1→1s22s22p2

氢氦锂铍

硼

碳1s1该能级的电子数能层能级Na：1s2

2s22p6

3s1KLMKLMNa的电子排布式Na的原子结构示意图二）电子排布式3、电子排布式的书写——“三步法”书写基态原子电子排布式

【课堂练习】写出下列原子的电子排布式：O：_______________

Cl：_________________S：_________________Al：________________P：_________________Ar：_________________1s22s22p63s23p51s22s22p63s23p64s21s22s22p41s22s22p63s23p61s22s22p63s23p31s22s22p63s23p1

原子核外电子较多的原子，其电子排布存在交错现象。

<m>KKK</m>K原子在排满第二层后，先排3s、3p

能级，3d</m>

能级能量高于4s</m>

能级，故最后一个电子排入4s</m>

能级而不是3d<能级，所以它的原子结构示意图是

。K的电子排布式：1s22s22p63s23p64s1结论：构造原理的能级交错现象很好的解释了电子排布规律。最外层电子数目最多不能超过8个(K层为最外层时不能超过2个)。次外层最多能容纳的电子数不超过18个。倒数第三层电子数不超过32个。【课堂练习】写出下列原子的电子排布式：26Fe:_______________________23V：_______________________Br：__________________________Zn：__________________________1s22s22p63s23p64s23d61s22s22p63s23p63d64s2特别提醒：充入电子时按构造原理，而书写时按能层次序！1s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d104s24p51s22s22p63s23p63d104s2要求：写出1~36号元素基态原子的电子排布式。记前36号元素核电荷数、名称、元素符号。（1）按构造原理写出稀有气体氦、氖、氩、氪、氙、氡的基态原子的最外层电子排布；除氦外它们的通式是什么？He1s2

Ne2s22p6

Ar3s23p6Kr4s24p6

Xe5s25p6

Rn6s26p6通式：ns2np6【思考与讨论】

（3）为突出化合价与电子排布式的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层（简称价层）。例如，Fe的简化电子排布式为[Ar]3d64s2,价层电子排布为3d64s2。元素周期表只给出价层电子排布。请从书中找出Na、Al、Cl、Mn、Br的价层电子排布。Na：3s1

Al：3s23p1Cl：3s23p5Mn：3d54s2Br：4s24p5（2）电子排布式可以简化，如钠的电子排布式可简化为[Ne]3s1。试问:上式方括号里的符号的意义是什么？请仿造钠原子的简化电子排布式，写出第8号元素氧、第14号元素硅和第29号元素铜的简化电子排布式。Na：1s22s22p63s1[Ne]3s1简化为表示钠的内层电子排布与稀有气体元素Ne的核外电子排布相同简化电子排布式方括号里的符号表示内层电子已达到稀有气体结构的部分O：1s22s22p4简化为[He]2s22p4Si：1s22s22p63s23p2Cu：1s22s22p63s23p63d104s1[Ne]3s22p2[Ar]3d104s1四、电子云与原子轨道思考: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。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

电子云轮廓图的绘制过程球形轮廓图xyz一）电子云电子云图很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图。①绘制电子云轮廓图的目的：表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。②绘制电子云轮廓图：把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来。yxzyzxpz3：电子云轮廓形状和大小①s电子的电子云轮廓同一原子的s电子的电子云轮廓图a.所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是一个球形，只是半径不同。b.同一原子的能层越高，s电子云半径越大。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。②p电子的电子云轮廓yzxpzzyxpyzyxpxPz、Py、Px的电子云轮廓图a、p电子云的形状是哑铃状的，有3个互向垂直电子云分别称为Px、Py、Pz

能层序数越大，p电子云半径越大。b、同一能层中px、py、pz的能量相同。(x、y、z分别是p电子云在直角坐标系里的取向)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）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个二）原子轨道不同能层的能级、原子轨道及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的性质与取向形状取向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3d5………………4923N4s14s球形4p34px、4py、4pz哑铃形相互垂直4d5………………4f7………………416五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理能层数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，乌伦贝克和哥德斯密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：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：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: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1、用□或〇代表一个原子轨道，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的电子排布式一致。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【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,有几个原子轨道就有几个空间运动状态

②一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子,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29Cu1s22s22p63s23p63d104s124Cr1s22s22p63s23p63d54s1【思考与讨论】

（1）

下列轨道表示式中哪个是硼的基态原子？为