1、第2课时量子力学对原子核外电子运动状态的描述学习目标定位1.知道描述原子核外电子运动状态的四个量子数的含义。2.理解用四个量子数描述原子核外电子的运动状态。3.了解原子轨道和电子云的含义。一、原子轨道1电子层通常，我们用量子数n来描述电子离核的远近，习惯上称为电子层。n的取值为正整数1,2,3,4,5,6，对应的符号为K，L，M，N，O，P等。n越大，电子离核的平均距离越远、能量越高。2能级当量子数n相同时，电子所具有的能量也可能不同，因此，对同一个电子层，还可分为若干个能级。例如，n1时，有1个s能级；n2时，有1个s能级和1个p能级；n3时，有1个s能级，1个p能级和1个d能级；等等。3原
2、子轨道原子中的单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述。当n1时，有1个原子轨道，记作1s；当n2时，有4个原子轨道，记作2s、2px、2py、2pz；当n3时，有9个原子轨道，记作3s、3px、3py、3pz，此外还有5个d轨道；等等。具体情况见下表。量子数n符号能级符号原子轨道原子轨道数n1Ks1s1n2Ls2s1p2p3n3Ms3s1p3p3d3d54.电子的“自旋”处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只能有两种，分别用符号“”和“”表示。1.原子核外电子运动状态的描述(1)在多电子原子中，核外电子处于不同的电子层，电子层序数(主量子数)n越大，电子离核越远，能量越高。(2)处于同一电子层
3、的电子，能量可能不同，可以把它们分成若干个不同的能级，用s、p、d、f等符号表示，其能量为nsnpndnf，能级数等于电子层数。(3)同一能级中，根据电子运动方向的不同，可分为若干个不同的原子轨道，同一能级上的原子轨道的能量相同，每个电子层中原子轨道总数为n2个。(4)处于同一个原子轨道上的电子有两种不同的自旋状态。在同一个原子中不存在两个运动状态完全相同的电子。2不同原子轨道的能量大小关系1下列叙述正确的是()A各电子层的原子轨道数按s、p、d的顺序分别为1、3、5B各电子层的能级都是从s能级开始到f能级结束C各电子层含有的能级数为n1D各电子层含有的原子轨道数为2n2答案A解析各能级的原子
4、轨道数取决于原子轨道在空间的分布情况，s、p、d能级分别含有1、3、5个原子轨道，A项正确；各电子层的能级都是从s能级开始，但能级数等于电子层数，不一定到f能级结束，B、C项错误；各电子层含有的原子轨道数为n2个，D项错误。方法规律1.各电子层的能级都从s能级开始，能级数电子层数。并不是每个电子层都有s、p、d、f能级，如K层只有s能级，L层有s、p能级，M层有s、p、d能级。2各电子层含有的原子轨道总数为n2。2下列关于电子层与能级的说法中正确的是()A原子核外电子的每一个电子层最多可容纳的电子数为n2B电子层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该电子层序数C同是s能级，在不同的电子层中所
5、能容纳的最多电子数是不相同的D1个原子轨道里最多只能容纳2个电子，但自旋方向相同答案B解析A项中每一个电子层最多可容纳的电子数为2n2；C项中不同电子层中的s能级容纳的最多电子数都是2个；D项中1个原子轨道里容纳的2个电子的自旋方向应相反。易错警示1.无论哪一电子层，s、p、d、f能级最多容纳的电子数分别为1、3、5、7的2倍。2同一原子轨道最多容纳2个电子，而且运动状态不同，同一原子中，不可能有运动状态完全相同的两个电子，核外有多少个电子，就有多少种运动状态。二、电子云与原子轨道的图形描述1原子核外电子的运动特点(1)电子的质量很小(9.11031kg)，带负电荷；(2)相对于原子和电子的体
6、积而言，电子运动的空间很大。2电子在核外空间做高速运动，不能确定具有一定运动状态的核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定它在原子核外各处出现的概率。(1)通常用单位体积内小点的疏密程度表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小。这种形象地描述电子在空间单位体积内出现的概率大小的图形称为电子云图。(2)电子在1s轨道的电子云图如图所示。1s轨道上的电子云图呈球形对称，离核越近，单位体积内电子出现的概率越大。3几种原子轨道的图形描述图1给出的是1s原子轨道、2s原子轨道和3s原子轨道的示意图，图2给出的是同能级中三个p原子轨道的示意图。原子轨道示意图可归纳如下：(1)s原子轨道在三维空间
7、分布的图形是球形。即s原子轨道具有球对称性。量子数n不同时，s原子轨道的形状相同、大小不同，1s2s3s(2)p原子轨道在三维空间分布的特征是三个p原子轨道分别相对于x、y、z轴对称，轨道的形状为相同大小的哑铃形。即三个p原子轨道都是相同大小的、具有轴对称性的哑铃形，它们分别沿x、y、z轴三个相互垂直的方向伸展。量子数n不同时，p原子轨道的形状相同、大小不同，2p3p4p(3)同理，d原子轨道、f原子轨道等也都有相应的图像。1.电子云图(1)电子云图中的小点不代表电子。小点疏密程度表示电子在原子核外出现概率的大小。(2)离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如1s电子云比2s电子云更密集
8、，2s电子云比1s电子云疏散。(3)s能级的电子云为球形，只有一种空间伸展方向。p能级的电子云为哑铃形，有三种空间伸展方向。2原子轨道(1)同一电子层，不同能级其原子轨道形状不同，数目不同，能量不同。(2)不同电子层，同种能级其原子轨道形状相似，半径不同，能量不同。(3)s能级只有1个原子轨道，p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。3观察1s轨道上电子云示意图，判断下列说法正确的是()A一个小黑点表示1个自由运动的电子B1s轨道的电子云形状为圆形的面C电子在1s轨道上运动像地球围绕太阳旋转D1s轨道电子云的点的疏密表示电子在某一位置出现概率的大小答案D解析尽管人们不能
9、确定某一时刻原子中电子的精确位置，但能够统计出电子在什么地方出现的概率大，在什么地方出现的概率小。为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用小黑点的疏密程度来表示电子在核外出现概率的大小，点密表示电子在那里出现的概率大，反之则小。由图可知，处于1s轨道上的电子在空间出现的概率分布呈球形对称，且电子在原子核附近出现的概率最大，离核越远出现的概率越小。图中的小黑点不表示电子，而表示电子曾经出现过的位置。易错警示电子云图中的一个小点不代表一个电子，电子云图中点的疏密表示电子出现概率的多少，离核越近，电子出现的概率越大，点越密集。4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
10、云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云Bs轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动Cp轨道呈哑铃形，在空间有两个伸展方向D与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随电子层的增大而增大答案D解析电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹，A项错误；原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的概率大，在此区域外出现的概率小，B项错误；p轨道在空间有x、y、z3个伸展方向，C项错误；由于按2p、3p的顺序，电子的能量依次增大，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，原子轨道的平
11、均半径逐渐增大。规律总结1.原子轨道不是固定轨迹，也不是圆周轨道，电子云图是电子运动的概率图，有一定的形状和伸展方向。2不同电子层的s(或p)原子轨道(电子云)形状相似，其半径与电子层数有关，并随电子层数增大而增大。原子核外电子可看作是在某一电子层的某一能级中的某一轨道上运动的，并有一定的自旋状态。这也就决定了每一个电子层、能级中的原子轨道数，以及所容纳的电子总数。量子数(n)1234n电子层符号KLMN能级符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f能级中轨道数1131351357电子层中轨道数14916n2电子运动状态种数2818322n21下列各电子层中不包含p能级的是()AM电子层BN
12、电子层CL电子层DK电子层答案D解析K电子层只包括s能级，L电子层包括s、p能级，M电子层包括s、p、d能级，N电子层包括s、p、d、f能级。2下列原子轨道中，可容纳电子数最多的是()A5dB6pC4fD7s答案C解析能级中所含原子轨道的数目取决于能级种类，与电子层序数无关，s、p、d、f能级分别含有1、3、5、7个原子轨道，每个原子轨道最多容纳2个电子，所以4f轨道容纳电子数最多。3下列有关说法中正确的是()A一般而言，n越大，电子离核平均距离越远，能量越低B第n电子层中含有n个能级C同一能级的不同原子轨道的能量是不同的D处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态可能相同，也可能不同答案B解析多电
13、子原子中，电子层序数n越大，电子离核越远，能量越高；同一能级的不同原子轨道空间伸展方向不同，其能量相同；同一原子轨道上的电子其自旋方向一定不同，A、C、D项错误。4对于钠原子的第二电子层的p轨道2px、2py、2pz间的差异，下列说法中正确的是()A电子云形状不同B原子轨道的对称类型不同C电子的能量不同D电子云空间伸展方向不同答案D解析2px、2py、2pz所表示的同一能级中的三个不同的原子轨道，其能量相同。2px、2py、2pz的电子云，原子轨道都是哑铃形的，都是轴对称图形。在空间伸展方向上不同，D项正确。5观察2pz轨道电子云示意图(如图所示)，下列说法中错误的是()A2pz轨道上的电子在
14、空间出现的概率分布呈z轴对称B点密集的地方表明电子出现的概率大C电子先沿z轴正半轴运动，然后在负半轴运动D2pz轨道的形状为两个椭圆球答案C解析观察2pz轨道电子云示意图发现，处于2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布相对于z轴对称，电子主要在xy平面的上、下方出现，A正确；电子云中的小黑点疏密程度代表电子出现概率的大小，所以点密集的地方表明电子出现的机率大，B正确；在图中，电子在空间出现的概率分布关于z轴对称，电子云并不是电子的真实运动轨迹，C错误；2pz轨道电子云形状为两个椭圆球，而不是面，D正确。6回答下列问题：(1)n2的电子层有_个能级，_种形状不同的电子云，有_个原子轨道，最多容纳
15、_个电子。(2)用相应的符号描述主量子数n2的所有的原子轨道_。(3)可正确表示原子轨道的是_(填字母)。A2sB2dC3pD3f(4)处于一定空间状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用_形象地描述。在基态14C原子中，核外存在_个运动状态不同的电子。(5)基态Si原子中，电子占据的最高电子层符号为_，该电子层具有的原子轨道数为_，电子数为_。(6)符号2px的意义是_。(7)如图是s能级、p能级的原子轨道图，试回答问题：s能级的原子轨道呈_形，每个s能级有_个原子轨道；p能级的原子轨道分别相对于x、y、z轴_，每个p能级有_个原子轨道。s能级原子轨道、p能级原子轨道的半径与_有关，_越大
16、，原子轨道半径越大。答案(1)2248(2)2s、2px、2py、2pz(3)AC(4)电子云6(5)M94(6)2px表示主量子数n为2，角量子数l为1，沿x轴方向伸展的p轨道(7)球1对称3电子层序数电子层序数解析(1)第2电子层有2s、2p两个能级，有s、p2种形状不同的电子云，有2s、2px、2py、2pz4个原子轨道，每个轨道最多容纳2个电子，所以n2的电子层最多容纳8个电子。(2)n2的原子轨道为2s、2px、2py、2pz。(3)L电子层只有2s、2p能级，M电子层只有3s、3p、3d能级，故选A、C。(4)电子在原子核外出现的概率密度分布图像一团云雾，因而形象地称为电子云，用于
17、描述电子的概率密度分布。原子中单个电子的空间运动状态可以用原子轨道来描述，并具有两种自旋状态中的一种，因此多电子原子中，不同电子的运动状态不同，故14C原子核外有6个运动状态不同的电子。(5)根据核外电子排布规律，能量高的在离核远的电子层运动，基态Si原子有K、L、M三个电子层，电子占据的最高电子层为M层。该层有1个3s轨道、3个3p轨道和5个3d轨道共9个轨道，Si原子M层有4个电子。(6)2px中2表示主量子数n(即电子层序数)为2，p表示角量子数为1(即p能级)，px表示p原子轨道沿x轴方向伸展。(7)s轨道在三维空间分布的图形为球形，p轨道空间分布的图形分别相对于x、y、z轴对称，原子
18、轨道的半径与电子层数有关，并随电子层数增大而增大。基础过关题组1电子层、能级与原子轨道1下列电子层中，原子轨道的数目为4的是()AK层BL层CM层DN层答案B解析s、p、d、f能级中的轨道数目分别为1、3、5、7。每个电子层中含有不同的能级，K层有1个s能级，原子轨道数目为1。L层中含有1个s能级和1个p能级，原子轨道数目为4。M层含有1个s能级、1个p能级和1个d能级，原子轨道数目为9。N层含有1个s能级、1个p能级、1个d能级和1个f能级，原子轨道数目为16。2下列能级符号不正确的是()A5sB2dC4fD6p答案B解析每一电子层的能级数与电子层序数相同，且具有的能级依次为s、p、d、f，
19、故L电子层只有2s、2p能级，没有2d能级。3主量子数为n3时，电子的空间运动状态有()A4种B7种C8种D9种答案D解析电子的空间运动状态即原子轨道，主量子数n3的原子轨道有3s(1个原子轨道)、3p(3个伸展方向，即3个原子轨道)、3d(5个伸展方向，即5个原子轨道)共有9个原子轨道。4下列有关核外电子运动状态的说法正确的是()A电子自旋就是电子围绕轴“自转”B原子轨道可用来描述核外电子的运动状态C第二电子层有自旋相反的两个轨道D原子轨道可用来描述核外电子的运动轨迹答案B解析电子的自旋表示处于同一原子轨道上电子的量子化运动，自旋不是“自转”；原子轨道可用来描述原子中单个电子的空间运动状态，
20、它只能描述核外电子高频出现的“区域”，而不是核外电子运动的轨迹；第二电子层有四个轨道，分别为2s、2px、2py、2pz。综上所述，B项正确。5下列有关电子层和能级的叙述中正确的是()AM电子层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子B3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多容纳7个电子C无论哪一电子层的s能级最多容纳的电子数均为2D任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级答案C解析A项，M电子层有s、p、d共3个能级，最多容纳18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子，从N电子层开始有f能级，最多容纳14个电子，不存在3f能级；C项，每个电子层都从s能级开始，且s能级最多容纳2个电子；D项，
21、K电子层只有s能级，不含有p能级。题组2原子轨道的图形描述及电子云6下列有关电子云的叙述中，正确的是()A电子云形象地表示了电子在核外某处单位体积内出现的概率B电子云直观地表示了核外电子的数目C1s电子云界面图是一个球面，表示在这个球面以外，电子出现的概率为零D电子云是电子绕核运动形成的一团带负电荷的云雾答案A解析为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用小点的疏密程度来表示电子在原子核外出现概率的大小；点密集的地方，表示电子出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子出现的概率小，这就是电子云。1s电子云界面以外，电子出现的概率不为零，只是出现的概率很小。7下列说法中正确的是()A1s电子
22、云呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动B电子云图中的小点密度大，说明该原子核外空间电子数目多Cns能级的原子轨道示意图可表示为D3d3表示3d能级有3个轨道答案C解析电子云表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小，1s电子云呈球形，表示1s电子在空间出现的概率分布呈球形对称，而不是表示电子做圆周运动；电子云图中的小点仅表示电子在此区域出现的概率；ns能级原子轨道为球形；3d3表示第三电子层上的d轨道中有3个电子。8对钠原子的第三电子层的p轨道3px、3py、3pz间的差异，下列几种说法中正确的是()A它们是同一条轨道B电子的能量相同C电子云在空间的伸展方向相同D电子云形状不同答案B解析3px、
23、3py、3pz表示的是主量子数相同，沿x轴伸展的p轨道、沿y轴伸展的p轨道和沿z轴伸展的p轨道；这3个原子轨道电子云的形状相同，都是哑铃形，电子云在空间的伸展方向互相垂直，且能量相同。9下列有关核外电子运动状态的说法正确的是()A原子轨道图形与电子云都是用来形象描述电子运动状态的B原子轨道可用来描述核外电子的运动轨迹C第三电子层有3s、3p、3d三个轨道D氢原子只有1个电子，故氢原子只有一个轨道答案A解析原子轨道图形与电子云都是用来形象描述电子运动状态的，本质是相同的，A正确；原子轨道可用来描述原子中单个电子的空间运动状态，只能描述核外电子高频出现的“区域”，而不能描述核外电子运动的轨迹，B不
24、正确；第三电子层有3s、3p、3d三个能级，分别有1、3、5个轨道，第三电子层共有9个轨道，C不正确；氢原子像其他原子一样，可以有多个电子层，电子层又分若干个能级和轨道，只是在通常条件下，氢原子的这一个电子处于能量最低的1s轨道，当电子从外界吸收能量后，氢原子的这个电子可以跃迁到能量较高的轨道，D不正确。能力提升10回答下列问题：(1)在基态多电子原子中，关于核外电子能量的叙述错误的是_(填字母，下同)。a最易失去的电子能量最高b同一个电子层上的不同能级上的原子轨道，能量大小不同cp轨道电子能量一定高于s轨道电子能量d在离核最近区域内运动的电子能量最低(2)下列说法正确的是_。A一个原子轨道上
25、只能有1个电子B处在同一原子轨道上的电子运动状态完全相同C处在同一电子层上的电子(基态)能量一定相同D处在同一能级中的电子(基态)能量一定相同(3)比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低。1s,3d_；3s,3p,3d_；2p,3p,4p_；3px,3py,3pz_。(4)符号3px所代表的含义是_。A3px轨道上有3个电子B第3个电子层3px轨道有三个伸展方向Cpx电子云有3个伸展方向D第3个电子层沿x轴方向伸展的p轨道(5)基态铝原子核外电子云有_种不同的伸展方向，共有_种不同能级的电子，有_种不同运动状态的电子。答案(1)c(2)D(3)1s3d3s3p3d2p3p4p3px3py3pz
26、(4)D(5)9513解析(1)能量越高的电子在离核越远的区域内运动，也就越容易失去，a项正确；多电子原子在第n层中不同能级的能量大小顺序为E(ns)E(np)E(nd)E(nf)，b项正确；同一电子层中的p轨道电子能量一定比s轨道电子能量高，但外层s轨道电子能量比内层p轨道电子能量高，c项不正确；离核越近，电子能量越低，d正确。(2)同一原子轨道上最多容纳2个电子，并且自旋方向相反，A、B项均不正确；电子的能量由主量子数n和角量子数l共同决定，同一电子层(n相同)，根据能量的不同又分为不同的能级(l不同)，所以同一电子层不同能级上的电子的能量不同，C项不正确；处在同一能级中的电子主量子数n、
27、l相同，所以能量相同，D项正确。(3)在多电子原子中，原子轨道能量的高低存在如下规律：形状相同的原子轨道能量的高低：1s2s3s4s，3d4d5d；相同电子层上原子轨道能量的高低：nsnpndnf；电子层和能级均相同的原子轨道的能量相等，如3px3py3pz轨道的能量相等。(4)3px中，3表示第3电子层，p原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z三个方向，px表示沿x轴方向伸展的p轨道。(5)s轨道只有1个伸展方向、p轨道有3个伸展方向，Al核外电子排布为1s22s22p63s23p1，涉及3个s轨道、2个p轨道，因此其核外电子云(轨道)的伸展方向有9个；核外13个电子的运动状态各不相同，因此核外有13种不同运动状态的电子。
