1、第2课时 能量最低原理、基态与激发态、光谱 电子云与原子轨道课程目标核心素养建构1.了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。2.了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道，掌握泡利原理和洪特规则。核外电子运动状态基态激发态光谱电子云原子轨道排布规则泡利原理洪特规则洪特规则特例知 识 梳 理 构造原子的电子排布遵循原理能使整个原子的能量处于状 态，简称能量最低原理。一、基态与激发态、光谱 1.能量最低原理 最低（1）基态原子：处于的原子。（2）激发态原子：基态原子的电子能量后，电子跃迁到能级，变成激发态原子。（3）基态、激发态相互转化的能量变
2、化 2.基态原子与激发态原子 最低能量吸收较高吸收释放（1）光谱形成原因 不同元素的原子发生时会吸收或释放不同的光。（2）光谱分类（3）光谱分析 在现代化学中，利用上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。3.光谱与光谱分析 跃迁吸收发射原子光谱在国庆节、元旦、春节，我们经常放焰火来庆祝，请你思考这与原子结构有什么关系呢？答案 这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。【自主思考】用小黑点来描述电子在原子核外空间出现的，被形象地称为电子云。二、电子云与原子轨道 1.电子云 为了表示的形状，对核外电子的有一个形象化的简便描述，把电子在原子核外空间出现概率P的空间圈出来，即为电子云轮廓图。2.电子云轮廓图 概
3、率密度分布图电子云轮廓空间状态90%（1）定义：电子在原子核外的称为一个原子轨道。（2）形状 s电子的原子轨道呈形，能层序数越大，原子轨道的半径越。p电子的原子轨道呈形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。3.原子轨道 一个空间运动状态球大哑铃（3）各能级所含有原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目（1）泡利原理：一个原子轨道最多只能容纳个电子，且自旋状态。电子自旋有和两种状态。（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，而且自旋状态。4.泡利原理和洪特规则 13572相反顺时针逆时针优先单独占据一个轨道相同（1）电子云图中的小黑点的含义是什么？小黑
4、点的密度表示什么？（2）电子在原子核外出现的概率有什么规律？（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状是否相同？答案（1）小黑点是电子在原子核外出现的概率密度的形象表述。小黑点密度越大，表明概率密度越大。（2）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电子云松散。（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，但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轨道均为球形，原子轨道半径：r（1s）r（2s）r（3s）。【自主思考】1.结合电子云和原子轨道的知识，回答：答案 基态Fe原子的价电子排布式为3d64s2，当失去4s轨道上的2个电
5、子时变为Fe2，Fe2价电子排布式为3d6，而Fe3价电子排布式为3d5，Fe3的3d轨道为半充满稳定结构。2.为什么Fe3的稳定性强于Fe2？答案 违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋状态相同。违背了泡利原理，一个原子轨道最多只容纳2个电子，而且这2个电子的自旋状态相反。3.指出下列核外电子排布图的书写分别违背了什么原则？2p 轨道上有 3 个电子的原子：2p 轨道上有 2 个电子的原子：基态 P 原子：1s22s22p63s23p2x3p1z4s 轨道上有 2 个电子的原子：3d 轨道上有 8 个电子的原子：答案 有少数元素的基态原
6、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（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，所 以 Cr 的 电 子 排 布 式 为1s22s22p63s23p63d54s1。4.根据构造原理，29Cu的电子排布式应是1s22s22p63s23p63d94s2，但实际29Cu的电子排布式却是1s22s22p63s23p63d104s1，思考并讨论其原因。依据此原理写出24Cr的电子排布式。效 果 自 测（1）s能级的能量总是小于p能级的能量（）（2）2s的电子云比1s的电子云大，说明2s的电
7、子云中的电子比1s的多（）（3）当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占满1个轨道，然后再占据其他原子轨道（）（4）nf能级中最多可容纳14个电子（）（5）氢原子电子云的一个小黑点表示一个电子（）（6）处于最低能量的原子叫基态原子（）（7）6C的电子排布式1s22s22p违反了洪特规则（）1.判断正误，正确的打“”；错误的打“”。（8）电子排布式（21Sc）1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理（）（9）电子排布式（22Ti）1s22s22p63s23p10违反了泡利原理（）答案（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）A.能量最低原理 B.泡利原理 C.原子
8、轨道构造原理 D.洪特规则 解析 洪特规则表明，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，而且自旋状态相同。答案 D 2.在 d 轨道中电子排布成，而不排布成，遵循的是（）3.下列原子或离子的电子排布表示方法中，正确的是 ，违反能量最低原理的是 ，违反洪特规则的是 ，违反泡利原理的是 。Ca2：1s22s22p63s23p6F：1s22s23p6P：Cr：1s22s22p63s23p63d44s2Fe：1s22s22p63s23p63d64s2Mg2：1s22s22p6C：解析 根据核外电子排布规律知中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道，而不是3p轨道，应
9、为1s22s22p6；中没有遵循洪特规则。中违反泡利原理。答案 提示 电子按照构造原理排布（即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里），会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。探究一 基态与激发态、光谱【探究讨论】1.谈谈你对基态原子的理解。激发态原子不稳定，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态时，将释放能量。光辐射是电子释放能量的重要形式之一。霓虹灯光、激光、焰火等可见光都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。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。
10、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。【点拨提升】1.电子跃迁的能量变化与可见现象：2.金属元素的焰色反应的成因：在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法称为光谱分析。3.光谱分类 4.光谱分析 A.N：1s22s22p3B.S2：1s22s22p63s23p6 C.Na：1s22s22p53s2D.Si：1s22s22p63s23p2 解析 基态原子的核外电子排布必须遵循能量最低原理，基态钠原子的电子排布式应是1s22s22p63s1。答案 C【典题例证1】下列原子或离子核外电子排布不属于基态排布的是（）A
11、.电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量 B.电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线 C.氖原子获得电子后转变成发出红光的物质 D.在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应 解析 霓虹灯之所以能发光，是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，能量较高轨道上的电子会很快以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道。答案 A【学以致用1】对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是（）提示（1）电子云轮廓图中的小黑点不代表电子、小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率密度的大小。（2）离核越近，电子出现的概率密度越大，小黑点越密集。探究二 电子云与原子轨道【探究
12、讨论】1.应该怎么理解电子云的概念 2.应该怎样理解原子轨道的概念 提示（1）不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同。能层序数n 越大，原子轨道的半径越大。（2）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）原子轨道数与能层序数（n）的关系是原子轨道为 n2 个。（4）原子轨道能量高低相同能层不同能级：E（ns）E（np）E（nd）E（nf）相同能级：E（npx）E（npy）E（npz）不同能层相同能级：E（1s）E（2s）E（3s）E（4s）不同能级：根据构造原理出现能级交错（1）电子云图表示电子在核外空间出现概率密度
13、的相对大小。电子云图中小黑点密度越大，表示电子出现的概率密度越大。（2）电子云图中的小黑点并不代表电子，小黑点的数目也不代表电子真实出现的次数。【点拨提升】宏观物体的运动与微观电子的运动对比 1.宏观物体的运动有确定的运动轨迹，可以准确测出其在某一时刻所处的位置及运行的速度，描绘出其运动轨迹。2.由于微观粒子质量小、运动空间小、运动速度快，不能同时准确测出其位置与速度，所以对于核外电子只能确定其在原子核外各处出现的概率。（3）由氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图可知，在离原子核越近的空间电子出现的概率越大；电子云的外围形状具有不规则性。（4）电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电
14、子云轮廓图。A.电子云是用小点的疏密程度来表示电子在空间出现概率密度大小的图形 B.电子云实际是电子运动形成的类似云一样的图形 C.小点密集的地方电子在那里出现的概率密度大 D.轨道不同，电子云的形状也不一样 解析 用统计的方法描述电子在核外空间出现的概率大小的图形称为电子云；常用小点的疏密程度来表示电子在原子核外出现的概率密度的大小。小黑点密集的地方，表示电子在那里出现的概率密度大，小黑点稀疏的地方，表示电子在那里出现的概率密度小。答案 B【典题例证2】关于电子云的叙述不正确的是（）A.不同的原子轨道形状一定不相同 B.p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形 C.2p能级有3个p
15、轨道 D.氢原子的电子运动轨迹呈球形 解析 不同能级的原子轨道形状可以相同，如1s、2s能级的原子轨道都是球形，只是半径不同，A错。现在的技术无法测定电子在原子核外的运动轨迹，原子轨道只是体现电子的运动状态，B、D错。任何能层的p能级都有3个p轨道，C正确。答案 C【学以致用2】下列说法正确的是（）提示（1）能量最低原理：电子在原子轨道上的分布要尽可能地使原子的能量为最低。（2）泡利原理：每个原子轨道最多容纳两个电子且自旋方向必须相反。（3）洪特规则：当电子排布在同一能级（能量相同）的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。洪特规则特例 当同一能级上的电子排布为全充满（p6、d
16、10、f14）、半充满（p3、d5、f7）和全空状态（p0、d0、f0）时，具有较低的能量和较强的稳定性。例如，铬（24Cr）的价电子排布是3d54s1（3d、4s能级均为半充满），而不是3d44s2；铜（29Cu）的价电子排布是3d104s1（3d全充满、4s半充满），而不是3d94s2。探究三 泡利原理和洪特规则【探究讨论】1.如何理解原子核外电子排布“两原理一规则”？提示 以铝原子为例：2.电子排布图中各符号、数字的意义是什么？【特别提醒】书写基态原子的电子排布图时，要兼顾三条原则，不能顾此失彼，防止出现以下错误：（1）违反泡利原理：（2）违反洪特规则：或 核外电子排布的表示方法【点拨提
17、升】原子（离子）结构示意图 含义 将每个能层上的电子总数表示在原子核外的式子 实例 电子排布式 含义 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式 实例 K：1s22s22p63s23p64s1 简化电子排布式 含义 为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示 实例 K：Ar4s1 价电子 排布式 含义 主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式 实例 Al：3s23p1 电子排 布图 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 实例 电子式 含义 化学中常在元素符号周围用“”或“
18、”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫做电子式 实例【典题例证3】下列表达方式正确的是（）A.Na的电子排布图：B.硫离子的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4C.碘化铵的电子式：D.H2O 的电子式：答案 D 解析 A 项违反泡利原理；B 项硫离子的核外电子排布式应为 1s22s22p63s23p6；C 项碘化铵的电子式应为；只有 D 项正确。（2）某元素的激发态（不稳定状态）原子的电子排布式为1s22s22p63s13p33d2，则该元素基态原子的电子排布式为 ；其最高价氧化物对应水化物的化学式是 。（3）将下列多电子原子的原子轨道按轨道能量由低到高顺序排列。2s 3d 4s
19、 3s 4p 3p 轨道能量由低到高排列顺序是 。【学以致用3】（1）以下列出的是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况。试判断，哪些违反了泡利原理？，哪些违反了洪特规则？。解析（1）同一轨道中不应有自旋状态相同的电子，违反了泡利原理；中成单电子自旋状态应相同，中5个电子应分占5个轨道，中成单电子自旋状态应相同，所 以 违 反 了 洪 特 规 则。（2）3p 能 量 小 于 3d，激 发 态 为1s22s22p63s13p33d2，基态应为1s22s22p63s23p4。此原子核外电子数为16，其质子数也为16，该元素为硫元素，其最高价氧化物对应水化物的化学式是H2SO4。答案（1）（2）1s22s22p63s23p4 H2SO4（3）