課題
《原子結構》
單元
1
學科
化學
年級
高二
教材
分析
本節(jié)教學內容是人教版高中化學選擇性必修第二冊第一章《原子結構與性質》第一節(jié)《原子結構》第二課時。這一課時的教學內容主要是電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則與能量最低原理。前一課時已經學習了 “能層、能級、構造原理”的概念和內容，了解了原子基態(tài)、激發(fā)態(tài)、原子光譜等基礎知識，理解構造原理并會根據(jù)構造原理進行原子核外電子排布。在此基礎上本節(jié)內容介紹原子核外電子的運動狀態(tài)，本節(jié)重點掌握原子核外電子運動特點，基態(tài)原子中核外電子的排布遵循泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。
本節(jié)安排了“電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則與能量最低原理”這部分內容。學生通過學習這部分知識，了解有關核外電子運動模型的發(fā)展歷史，認識核外電子的運動特點。知道電子的運動狀態(tài)（空間分布及能量）?？赏ㄟ^原子軌道和電子云模型來描述。
認識基態(tài)原子中核外電子的排布遵循泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。
教學目標與核心素養(yǎng)
證據(jù)推理與模型認知：通過認識核外電子的運動特點初步建立通過原子軌道和電子云模型來描述運動狀態(tài)的思維模型。理解原子核外電子排布遵循泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。
科學精神與社會責任：通過了原子核外電子運動模型等的發(fā)展史，認識到科學是在不斷發(fā)展的，培養(yǎng)求真務實、不斷進步的科學精神與社會責任感。
重點
難點
電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則與能量最低原理。
教學過程
教學環(huán)節(jié)
教師活動
學生活動
設計意圖
導入新課
提問：原子核外的電子運動狀態(tài)是怎么樣呢？
【科學史】
1911年，英國物理學家盧瑟福根據(jù)1910年進行的α粒子散射實驗，提出了原子結構的行星模型。在這個模型里，電子像太陽系的行星圍繞太陽轉一樣圍繞著原子核旋轉。
1913年，丹麥科學家玻爾在盧瑟福模型的基礎上，他提出了氫原子模型，電子在線性軌道上運行，解決了原子結構的穩(wěn)定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。氫原子結構理論成功的闡述了原子的穩(wěn)定性，氫原子光譜的產生和不連續(xù)性。
1926年，量子力學推翻了玻爾的氫原子模型，指出一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假定的線性軌道上運行，而在核外空間各處都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的概率不同，可以算出它們的概率密度分布。
概率密度： QUOTE
P表示電子在某處出現(xiàn)的概率；
V表示該處的體積；
了解科學史
通過了原子核外電子運動模型等的發(fā)展史，認識到科學是在不斷發(fā)展的，培養(yǎng)求真務實、不斷進步的科學精神與社會責任感。
講授新課
第一節(jié) 原子結構
第二課時 電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則、能力最低原理
一、電子云
【問題】圖1-7 中的小點是什么呢？是電子嗎？
小點是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。小點越密，表明概率密度越大。由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象的稱作“電子云”。
1.電子云概念
電子云是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述。
電子在原子核外一定空間范圍內出現(xiàn)的概率統(tǒng)計起來，好似在原子核外籠罩著一團帶負電的云霧，形象稱為“電子云”。
2.電子云輪廓圖
電子云圖很難繪制，使用不便，我們常使用電子云輪廓圖。
為了表示電子云輪廓的形狀，對核外電子的空間運動狀態(tài)有一個形象化的簡便描述。把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的空間圈出來，即電子云輪廓圖。
【過渡】所有原子的任意能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個球形，只是球的半徑不同。同一原子的能層越高，s電子云半徑越大，是由于電子的能量依次增高，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來越向更大的空間擴展。
就像宇宙飛船必須提供能量推動才能克服地球引力上天，2s電子比1s電子能量高，克服原子核的吸引在離核更遠的空間出現(xiàn)的概率就比1s大，因而2s電子云必然比1s電子云更彌散。
二、原子軌道
1.定義：電子在原子核外的一個空間運動狀態(tài)稱為一個原子軌道。
2.形狀：
（1）s電子的原子軌道呈球形，能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。
（2）除s電子云外，其他電子云都不是球形的。 例如 p電子的原子軌道呈啞鈴狀。
p能級有三個原子軌道，它們互相垂直，分別以px、py、pz
表示，同一能層中px、py、pz的能量相同。
下表為不同能層的能級、原子軌道及電子云輪廓圖。
【思考】n能層的能級數(shù)、軌道數(shù)、電子數(shù)。
n能層
能級數(shù)：n
軌道數(shù)：n2
電子數(shù)：2n2
三、泡利原理
【回顧】回顧每個能級最多容納的電子數(shù)。
【思考】為什么一個軌道允許容納2個電子呢？
【過渡】1925年，兩個荷蘭年輕人提出：電子除了空間運動狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋。
1.電子自旋與泡利原理
（1）自旋：是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質量一樣的內在屬性。電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭（?和?）表示自旋相反的電子。
（2）泡利原理：1925年，泡利正式提出，在一個原子軌道里，最多只能容納兩個電子，它們自旋相反，這個原理被稱為泡利原理，也稱為泡利不相容原理。
2.電子排布的軌道表示式
（1）軌道表示式（又稱電子排布圖）：表示電子排布的一種圖式，如氫和氧的基態(tài)原子的軌道表示式如下：

注意：在軌道表示式中，用方框（也可用圓圈）表示原子軌道，能量相同的原子軌道（簡并軌道）的方框相連，箭頭表示一種自旋狀態(tài)的電子，“ ”稱為電子對，“”或“”稱為單電子（或稱未成對電子）。箭頭同向的單電子稱自旋平行，如基態(tài)氧原子有2個自旋平行的2p電子。通常應在方框下方或上方標記能級符號。有時畫出的能級上下錯落，以表達能量高低不同。
2.電子排布的軌道表示式——例 鋁原子核外電子排布式
四、洪特規(guī)則
1.洪特規(guī)則
1925年，洪特在詮釋復雜原子光譜時，得出了判斷基態(tài)原子光譜項三條經驗規(guī)則，后人歸并簡化為一條：基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行，稱為“洪特規(guī)則”。
【問題1】例1：畫出氧的基態(tài)原子最外層軌道表示式。如果不考慮洪特規(guī)則，又認定3個2p軌道有區(qū)別，可畫出怎樣的軌道表示式？
若遵循洪特規(guī)則，且不區(qū)分3個2p軌道，只需畫出軌道表示式：
注意：
①洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。
②洪特規(guī)則是針對電子填入簡并軌道而言的，并不適用于電子填入能量不同的軌道。
【問題2】例2：請寫出24、29號元素原子的電子排布式。
24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1
29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
【歸納】在簡并軌道（同一能級）上的電子排布處于全充滿、半充滿和全空狀態(tài)時，具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性。
【思考與討論】
1.下列軌道表示式中，哪個是硼的基態(tài)原子 ？為什么？
答案：A?；鶓B(tài)原子核外電子排布要遵循泡利不相容原理，即在一個原子軌道里，最多只能容納兩個電子，它們自旋相反。
2.下列軌道表示式中，哪個是氧的基態(tài)原子 ？為什么？
答案：A?；鶓B(tài)原子核外電子排布要遵循洪特規(guī)則，即基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行。
【過渡】基態(tài)是能量最低的狀態(tài)，所以，基態(tài)原子的電子排布是能量最低的原子軌道組合。
五、能量最低原理
1.內容
在構建基態(tài)原子時，電子將盡可能的占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個的原子的能量最低。
注意：整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定，相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量低的能級即可使整個原子能量最低；而當相鄰能級能量相差不太大時，有1-2個電子占據(jù)能量稍高的能級反而降低了電子排斥能而使整個原子能量最低（如所有副族元素的基態(tài)原子）。
【思考與討論】
1.為什么基態(tài)氦原子的電子排布是1s2而不是1s12s1？
2.為什么基態(tài)氮原子的電子軌道表示式是
而不是 ？
3.為什么基態(tài)鉀原子和鈣原子的價電子排布是4s1和4s2，而不是3d1和3d2 ？
答：泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。
【課堂練習】
1.判斷正誤。
（1）2s的電子云比1s的電子云大，說明2s的電子云中的電子比1s的多。
（2）當電子排布在同一能級的不同軌道時，電子總是先占滿1個軌道，然后再占據(jù)其它原子軌道。
（3）氫原子電子云的一個小黑點表示一個電子。
（4）6C的電子排布式1s22s22px2違反了洪特規(guī)則。
答案： × × × √
2.在d軌道中電子排布成 ，而不排布成 ，遵循的是（ ）
A.能量最低原理 B.泡利原理
C.原子軌道構造原理 D.洪特規(guī)則
答案：D
3.下列電子排布的軌道表示式所表示的元素原子中，能量處于最低狀態(tài)的是（ ）
答案：C
4.在1s、2px、2py、2pz軌道中，具有對稱性的是 （ ）
答案：A
5.(1)金屬鋁質輕且有良好的防腐蝕性，在國防工業(yè)中有非常重要的作用。鋁原子核外電子云有__________種不同的伸展方向，有__________種不同運動狀態(tài)的電子。
(2)基態(tài)鐵原子有__________個未成對電子，三價鐵離子的電子排布式為__________。
(3)29Cu+的價電子排布式為__________。
思考
類比
思考交流
思考交流
歸納總結
思考交流
思考問題
歸納總結
思考與討論
認識核外電子的運動特點。知道電子的運動狀態(tài)（空間分布及能量）。
形象化的理解同一原子的能層越高，s電子云半徑越大，是由于電子的能量依次增高。
通過觀察表格數(shù)據(jù)特點，歸納總結能層與能級數(shù)、軌道數(shù)、電子數(shù)之間的數(shù)量關系。
通過提問，引發(fā)學生思考，并描述泡利原理。 通過認識核外電子的運動特點初步建立通過原子軌道和電子云模型來描述運動狀態(tài)的思維模型。
通過畫出原子最外層軌道表達式，理解洪特規(guī)則。
應用所學知識判斷基態(tài)原子的軌道表達式的正確與否。
通過練習，再次深入
理解原子核外電子排布遵循泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理。
課堂小結
原子結構
一、電子云
電子云是處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述。
二、原子軌道
1.定義：電子在原子核外的一個空間運動狀態(tài)稱為一個原子軌道。
2.形狀：
（1）s電子的原子軌道呈球形，能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。
（2）除s電子云外，其他電子云都不是球形的。 例如 p電子的原子軌道呈啞鈴狀。
三、泡利原理
1.電子自旋與泡利原理
（1）自旋：是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質量一樣的內在屬性。
（2）泡利原理：在一個原子軌道里，最多只能容納兩個電子，它們自旋相反。
2.電子排布的軌道表示式
四、洪特規(guī)則
基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行。
五、能量最低原理
在構建基態(tài)原子時，電子將盡可能的占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個的原子的能量最低。
板書
原子結構
一、電子云
二、原子軌道
1.定義：
2.形狀：
s電子的原子軌道呈球形。
p電子的原子軌道呈啞鈴狀。
三、泡利原理
1.電子自旋與泡利原理
（1）自旋：是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質量一樣的內在屬性。
（2）泡利原理：在一個原子軌道里，最多只能容納兩個電子，它們自旋相反。
2.電子排布的軌道表示式
四、洪特規(guī)則
五、能量最低原理

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第一節(jié) 原子結構

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