1、第3课时 电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、能量最低原理必备知识自主学习一、电子云1电子运动的特点现代量子力学指出，不可能像描述宏观物体运动那样确定核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定在原子核外各处出现的_。用P表示电子在某处出现的_，V表示该处的体积，则P/V称为_，用表示。2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_分布的形象化描述。小黑点越密，表示概率密度越大。由于核外电子的_分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。概率概率概率密度概率密度概率密度【自主探索】(1)电子云中的一个小黑点表示一个电子。()提示：小黑点的疏密表示概率密度大小。(2)所有原子
2、的电子云均为球形。()提示：只有s能级中电子的电子云为球形。二、原子轨道量子力学把电子在原子核外的一个_称为一个原子轨道。因此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。空间运动状态不同能层的能级、原子轨道【自主探索】(1)同一原子的不同能层的s电子云半径是否相同？为什么？提示：同一原子能层越高，s电子云半径越大，是由于电子能量越大，电子在离核更远的区域出现的概率越大，电子云越向更大的空间扩散。(2)ns、np、nd、nf能级各有几个轨道？能层序数n与该层轨道数的关系是什么？提示：ns、np、nd、nf能级各有1、3、5、7个轨道，n能层轨道数n2。三、核外电子排布规则与轨道表示式
3、1泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳_个电子，而且它们的自旋状态_，这个原理称为泡利原理。2洪特规则：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_，而且自旋_。3能量最低原理：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。2相反单独占据一个轨道平行4轨道表示式：在轨道表示式中，用_(也可用_)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的电子，“”称电子对，“”或“”称单电子(或称未成对电子)。方框圆圈【自主探索】(1)基态氮原子的轨道表示式为。()提示：违背了洪特规则，2p轨道上的三个电子应分占三个轨道且自
4、旋方向相同。(2)某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了能量最低原理。()提示：违背了泡利原理，每个轨道最多可容纳2个电子，p轨道最多容纳6个电子。关键能力合作学习知识点一 电子云与原子轨道1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。电子云中，小黑点越密，表示电子出现的概率密度越大。2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 能级只有一个原子轨道，p 能级有三个原子轨道：px、py、pz。3不同能层对应的能级和原子轨道能层能级原子轨道数原子轨道名称原子轨道的形状K1s11s球形L2s2p132s2px、2py、2pz球形哑铃形M3s3p3d13
5、53s3px、3py、3pz球形哑铃形(1)同一原子中，2p、3p、4p 能级的轨道数目相同吗？半径一样吗？提示：2p、3p、4p 的轨道相同，均为三个，半径依次增大。(2)(情境应用)d 能级轨道呈梅花形，在空间坐标轴中形状如下图：d 能级共有几个轨道？最早出现 d 能级的是哪个能层？提示：d 能级有 5 个轨道，M 能层最早出现 d 能级。(3)4f 能级有 7 个轨道，则其电子云在空中有几种伸展方向？提示：7 种。【典例】(2021武汉高二检测)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 能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只
6、能在球壳内运动C与 s 电子原子轨道相同，p 电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大D基态原子电子能量的高低顺序为 E(1s)E(2s)E(2px)E(2py)E(2pz)【解析】选 C。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，故 A 错误；s 能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故 B 错误；离原子核越远的电子，其能量越大，所以 p 原子轨道电子的平均半径随能层的增大而增大，故 C 正确；2px、2py、2pz 轨道是 3 个不同的原子轨道，空间伸展方向不同，3个轨道上的电子的运动状态不同
7、，但同一能级上的原子轨道具有相同的能量，所以基态原子电子能量的高低顺序为 E(1s)E(2s)E(2px)E(2py)E(2pz)，故 D 错误。【母题追问】(1)2px、2py、2pz的电子云形状和大小相同吗？提示：相同。(2)下列能级含有7个原子轨道的是_。7s 7d 5f 7p提示：。能层中能级与原子轨道关系能层(n)能级原子轨道原子轨道数K(1)1s1s1L(2)2s2s12p2px、2py、2pz3M(3)3s3s13p3px、3py、3pz33d5能层(n)能级原子轨道原子轨道数N(4)4s4s14p4px、4py、4pz34d54f7n2说明：同一能级不同轨道能量相同，如：3px
8、、3py、3pz 具有相同的能量，4px、4py、4pz 则具有另外相同的能量。任意能层中，能级数等于能层序数(n)，原子轨道总数为 n2，如 N 层有 4s、4p、4d、4f 4 个能级，16 个原子轨道。1(2021衡水高二检测)如图甲是氢原子的 1s 电子云图(即概率密度分布图)，图乙、丙分别表示 s、p 能级的电子云轮廓图。下列有关说法正确的是()A.电子云图(即概率密度分布图)就是原子轨道图B3p2 表示 3p 能级中有两个原子轨道C由图乙可知，s 能级的电子云轮廓图呈圆形，有无数条对称轴D由图丙可知，p 能级的原子轨道图呈哑铃形，且有 3 个伸展方向【解析】选 D。电子云轮廓图与电
9、子云图不是同一个概念，而是我们常说的原子轨道图，A 项错误；3p2 表示 3p 能级中容纳了两个电子，B 项错误；s 能级的电子云轮廓图呈球形而不是圆形，C 项错误；p 能级的原子轨道图呈哑铃形，有 px、py、pz 三个伸展方向，并且互相垂直，D 项正确。2(2021福州高二检测)下列说法中正确的是()A1s 电子云呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动B电子云图中的小黑点密度大，说明该原子核外空间电子数目多C3d3 表示 3d 能级有 3 个轨道Dns 能级的原子轨道图可表示为【解析】选 D。电子云表示电子在核外空间某处出现的机会，不代表电子的运动轨迹，故 A 错误；小黑点的疏密表示电子出现机
10、会的多少，密则机会大，疏则机会小，故 B 错误；3d3 表示 3d 能级有 3 个电子，故 C 错误；ns 能级的电子云呈球形，所以可以用该图表示该能级的原子轨道，故 D 正确。知识点二 核外电子排布规律与表示方法1核外电子排布规律基态原子的核外电子排布规律应遵循：(1)泡利原理：每个能级最多容纳 2 个自旋方向相反的电子。(2)洪特规则：同能级电子优先单独占据一个轨道，且自旋平行。(3)能量最低原理：遵循构造原理，优先占据能量较低的轨道，使原子总能量最低。(4)特殊性有少数元素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(如 p6 和 d10)、半充满(
11、如 p3 和 d5)和全空(如 p0 和 d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。如2核外电子排布的表示方法(1)电子排布式：电子排布式。如 K 原子的电子排布式：1s22s22p63s23p64s1。简化的电子排布式。如 K 原子简化的电子排布式：Ar4s1。(2)轨道表示式每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子。如 N 的轨道表示式：(1)当碳原子的核外电子排布由基态转变为激发态时，能量变化如何？提示：碳原子要从外界环境中吸收能量完成向高能级的跃迁。(2)在 d 轨道中电子排布成，而不排布成，其最直接的根据是什么？提示：洪特规则。【典例】下列有关电子排布式、原子结构示意图以及电子
12、排布图正确的是()ACr 的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d44s2BAs 的价电子排布图：CFe 的原子结构示意图：DMn2的价电子排布图：【解题指南】解答本类试题应注意以下几点：(1)注意观察电子排布是否符合构造原理。(2)注意分析电子排布是否符合泡利原理和洪特规则。(3)不要忽略 Cu、Cr 等少数原子“半充满”或“全充满”较稳定的特例。(4)过渡元素的原子结构示意图不能仅仅依靠初中所学知识解决，应该先写出电子排布式，再据此写出电子排布图。【解析】选 D。根据洪特规则特例，Cr 的电子排布式应为 1s22s22p63s23p63d54s1，A 错误；根据洪特规则，As 的
13、 4p 轨道的三个电子应该分占不同轨道，且自旋方向相同，B 错误；根据铁的电子排布式 1s22s22p63s23p63d64s2 可知铁的原子结构示意图为，C 错误；Mn 的价电子排布式为 3d54s2，由于原子失去电子时先失最外层电子，所以 Mn2的价电子排布为 3d5，电子排布图为，D 正确。【母题追问】(1)电子排布式的书写顺序电子排布顺序吗？为什么？提示：电子排布式的书写顺序电子排布顺序。电子进入能级的顺序是按构造原理中能级的能量递增的顺序，而电子排布式的书写规则是按能层的顺序，能层中的能级按s、p、d、f的顺序排布。(2)价电子排布式等于最外层电子排布式吗？举例说明。提示：不等于。价
14、电子是原子在参与化学反应时能够用于成键的电子，是原子核外跟元素化合价有关的电子。在主族元素中，价电子数就是最外层电子数。副族元素原子的价电子，除最外层电子外，还可包括次外层电子。例如：Mn的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，价电子排布式为3d54s2。核外电子排布常见错误(1)在写基态原子的电子排布式时，常出现以下错误：(违反能量最低原理)(违反泡利原理)(违反洪特规则)(2)当出现 d 轨道时虽然电子按 ns、(n1)d、np 的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把(n1)d 放在 ns 前，即将能层低的能级写在前面，而不能按填充顺序写，如 Fe：1s22s22p63s
15、23p63d64s2。(3)注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价电子排布式的区别与联系。如 Cu 的电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1；简化电子排布式：Ar 3d104s1；价电子排布式：3d104s1。1(2021成都高二检测)下列各项叙述错误的是()A如果硫原子轨道表示式为，则违反了泡利原理B如果 25 号 Mn 元素的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理C氦原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利原理D泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求【解析】选 A。所画的轨道表示式中 3p 能级，在等价轨道(
16、相同电子层、电子亚层上的各个轨道)上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，违背了洪特规则，故 A 错误；因为 4s 轨道能量比 3d 轨道能量还低，所以 25 号 Mn元素的基态电子排布式为 1s22s22p63s23p63d7 违反了能量最低原理，应该为1s22s22p63s23p63d54s2，故 B 正确；氦原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利原理，故 C 正确；泡利原理、洪特规则、构造原理都是对核外电子排布满足能量最低的要求，故 D 正确。2(2021武昌高二检测)下列描述碳原子结构的化学用语正确的是()A碳-12 原子：612 CB原子结构示意图：C原子核外能量最高的电
17、子云图像：D原子的电子排布图：【解析】选 C。元素符号的左下角表示质子数，左上角表示质量数，则碳-12 原子可表示为612 C，A 错误；碳原子结构示意图为，B 错误；碳原子核外能量最高的电子在 p 能级，电子云呈哑铃形，C 正确；根据核外电子排布规则可知，该原子的电子排布图为，D 错误。3微粒的核外电子排布的表达方式有多种：Na的电子式：NaNa的结构示意图：；Na的电子排布式：1s22s22p6；Na的轨道表示式：。哪种表达方式包含信息更多？提示：轨道表示式包含能层、能级、电子自旋方向等信息。【补偿训练】下列氮原子的电子排布图中，属于激发态，且能量最高的是()【解析】选 D。A 为基态原子
18、的电子排布，能量最低，与基态原子相比有更多电子跃迁到能量更高的轨道，则该激发态原子的能量最高，故选 D。三言两语话重点1记住 2 个形状：球形s 电子云；哑铃形p 电子云。2掌握 3 个关系：电子云形状与能级相关；电子云大小与能层相关；原子轨道数目与伸展方向有关。3会用三个原理和规则：泡利原理、洪特规则及特例、能量最低原理。4会写三式一图：电子排布式、价电子式、轨道表示式、原子结构示意图。课堂检测素养达标1(2021广州高二检测)下列化学符号能表示明确的一个原子轨道的是()A3sBpxC4dD5f【解析】选 A。3s 能表示一个明确的原子轨道，A 正确；px 未明确能层，所以原子轨道不明确，B
19、 错误；4d、5f 分别表示 5 个轨道和 7 个轨道，C、D 均错误。2(2021德州高二检测)下列说法中不正确的是()A电子在 3px 与 3pz 轨道上的运动状态不相同B1s22s12p0 x 2p1y 2p1z 违背了洪特规则，是激发态原子的电子排布式C.原子结构示意图为的原子，核外电子云有两种不同形状D.基态 Ni 原子的价电子排布图为【解析】选 B。3px与 3pz 轨道上的电子运动状态不相同，A 正确；1s22s12p0 x 2p1y2p1z 是违背了能量最低原理，B 错误；原子结构示意图为的原子的核外电子排布式为 1s22s22p4，只有 s、p 两种能级，故只有两种不同形状的
20、电子云，C 正确；符合基态 Ni 原子的价电子排布，D 正确。【补偿训练】(2021成都高二检测)下列有关说法正确的是()A每个能层 s 能级的原子轨道的形状相同，能层序数越大，轨道半径越大，电子能量越高B原子核外电子云是核外电子运动后留下的痕迹C教材中说“核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云”，这说明原子核外电子云是实际存在的D每个能层都有 p 能级，p 能级都有 3 个原子轨道【解析】选 A。每个能层 s 能级的原子轨道的形状相同，能层序数越大，轨道半径越大，电子能量越高，故 A 正确；电子云表示的是电子在核外某处出现的概率，不是电子运动后留下的痕迹，故 B 错误
21、；电子云是电子在核外运动的概率密度分布的形象化描述，实际不存在，故 C 错误；第一能层没有 p 能级，故 D 错误。3(2021孝感高二检测)下列对核外电子运动状态的描述正确的是()A电子的运动与行星的运动相似，围绕原子核在固定的轨道上高速旋转B能层数为 3 时，有 3s、3p、3d、3f 四个轨道C氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道D在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同【解析】选 D。电子运动不是围绕原子核在固定的轨道上高速旋转，只是在某个区域出现的概率大些，故 A 错误；能层数为 3 时，只有 3s、3p、3d 轨道，故 B错误；氢原子有多个轨道，只有一个轨道上有电子，其他轨
22、道为空轨道，故 C 错误；同一能级上的同一轨道上最多排两个电子，两个电子的自旋方向不同，则其运动状态肯定不同，所以在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同，故 D正确。4(2021潍坊高二检测)下列硼原子轨道表示式表示的状态中，能量最高的是()【解析】选 A。原子核外电子排布中，如果电子所占的轨道能级越高，该原子能量越高，根据图知，电子排布能量较高的是 2s、2p 能级，则能量最高的是 2p 轨道，有 3 个电子，C 和 A 相比，C 符合洪特规则能量更低，所以能量最高的是 A。5(2021泉州高二检测)已知锰的核电荷数为 25，以下是一些同学绘制的基态锰原子核外电子的轨道表示式，其中最能准
23、确表示基态锰原子核外电子运动状态的是()【解析】选 D。锰是 25 号元素，其原子核外有 25 个电子，A 违反洪特规则，故A 错误；B 违反泡利原理，故 B 错误；C 违反洪特规则，故 C 错误；D 符合泡利原理和洪特规则，故 D 正确。素养新思维6(2021河北选择考节选)KH2PO4 晶体具有优异的非线性光学性能。我国科学工作者制备的超大 KH2PO4 晶体已应用于大功率固体激光器，填补了国家战略空白。回答下列问题：(1)在 KH2PO4 的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排布相同的是_(填离子符号)。(2)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用12 表示，与之相反的用12 表示，称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子，其价电子自旋磁量子数的代数和为_。【解析】(1)在 KH2PO4 的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，其中核外电子排布相同的是 K和 P3。(2)基态磷原子的价电子排布式为 3s23p3，其中 3s 轨道的 2 个电子自旋状态相反，自旋磁量子数的代数和为 0；3p 轨道 3 个电子的自旋状态相同，基态磷原子的价电子自旋磁量子数的代数和为32 或32。答案：(1)K、P3(2)32 或32
