第三課時 電子云與原子軌道 泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
課題： 1.1.3電子云與原子軌道 泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理
課時
1
授課年級
高二
課標
要求
認識基態(tài)原子中核外電子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規(guī)則等
教材
分析
本節(jié)內(nèi)容是高中化學(xué)人教版（2019版）選擇性必修二第一章第一節(jié)《原子結(jié)構(gòu)》內(nèi)容，該內(nèi)容是高中選修課程中，研究原子結(jié)構(gòu)的起始課。因此，學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容對以后學(xué)習(xí)分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等具有指導(dǎo)性作用；同時本節(jié)課也是承接初中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和必修教材中關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的知識的延續(xù)，所以本節(jié)課在整個高中化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)方面起到了很好的承上啟下的作用。
第一節(jié)《原子結(jié)構(gòu)》涉及能層與能級、基態(tài)與激發(fā)態(tài)和原子光譜、構(gòu)造原理與電子排布式、電子云與原子軌道、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理，共五大方面的內(nèi)容，內(nèi)容多，并且比較抽象，為了降低難度，幫助學(xué)生更好的理解，教參將本節(jié)內(nèi)容分成4課時，逐一進行探究。
本節(jié)課時是《原子結(jié)構(gòu)》第一節(jié)的第三課時，教材在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了能級、能層、構(gòu)造原理、電子排布式、簡化電子排布式、價層電子排布式的書寫的基礎(chǔ)上，開始介紹核外電子的空間運動狀態(tài)，教材借用電子云及其輪廓圖的方式，形象地引出原子軌道的概念，并把重點集中在原子軌道的“數(shù)”和“形”上，“形”僅限于s軌道和p軌道。有了原子軌道的概念后，運用原子軌道進一步研究核外電子的運動狀態(tài)，從而引出了泡利原理、電子的軌道表示式、洪特規(guī)則等知識。隨后，教材介紹了能量最低原理，提及了“電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道”。通過對能量最低原理的介紹，又使學(xué)生增強了對構(gòu)造原理的理解，其實構(gòu)造原理是依據(jù)能量最低的基態(tài)原子的電子排布歸納抽象出來的，根據(jù)構(gòu)造原理寫出的電子排布其實是能量最低的原子軌道組合。最后，教材對基態(tài)原子的核外電子排布作了一個小結(jié)，即遵循泡利原理、洪特規(guī)則和能量最低原理。本課時的內(nèi)容設(shè)置既有新知的呈現(xiàn)，同時在新知中，又有舊知的應(yīng)用，例如對構(gòu)造原理的深入理解，原子軌道與能級能層的關(guān)系，軌道表示式在書寫時與電子排布式的區(qū)別和聯(lián)系等。通過對本課時的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠加深對前兩課時內(nèi)容的理解和應(yīng)用，同時也能更好的理解本課時的新知。
本節(jié)課教材從圖片、表格、思考與討論、資料卡片等方面出發(fā)，整節(jié)課教材中給出一張表格，七張圖片，五個問題。利用五張圖片，向?qū)W生介紹電子云和電子云輪廓圖的抽象知識，直觀形象，便于理解；利用一張表格，向?qū)W生介紹原子軌道的相關(guān)內(nèi)容；泡利和洪特兩位科學(xué)家的圖片，向?qū)W生展示了科學(xué)家的風(fēng)采，激發(fā)了學(xué)生對原理和規(guī)則的學(xué)習(xí)興趣；思考與討論中，五個問題的設(shè)置，幫助學(xué)生更好的利用泡利原理和洪特規(guī)則書寫軌道表示式。多種資源的綜合運用，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，加深對知識的理解。
教學(xué)
目標
1. 知道電子的運動狀態(tài)可通過原子軌道和電子云模型來描述，能說明微觀粒子運動狀態(tài)與宏觀物體運動特點的差異，建立對原子結(jié)構(gòu)的模型認知。
2. 認識基態(tài)原子中核外電子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規(guī)則，能寫出1~36號元素基態(tài)原子的軌道表示式，初步學(xué)會運用模型解決實際問題。
教學(xué)重、難點
重點：核外電子的運動狀態(tài)，電子云與原子軌道；泡利原理和洪特規(guī)則
難點：電子云與原子軌道
核心
素養(yǎng)
宏觀辨識與微觀探析：通過宏觀上利用電子云輪廓圖描述核外電子的空間運動狀態(tài)，探究微觀中電子的運動方式，從而更好地理解核外電子的運動狀態(tài)，為原子軌道的確立奠定了基礎(chǔ)。
證據(jù)推理與模型認知：通過閱讀圖片和表格，明確電子的運動狀態(tài)可通過原子軌道和電子云模型來描述，從而建立對原子結(jié)構(gòu)的模型認知；通過書寫原子的軌道表示式，初步學(xué)會運用模型解決實際問題。
科學(xué)探究與創(chuàng)新意識：泡利不相容原理的提出，使電子的空間運動狀態(tài)理論更加完善，復(fù)雜的原子光譜得到解釋，以光譜事實為基礎(chǔ)的構(gòu)造原理得以建立，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維在科學(xué)研究中的重要價值。
科學(xué)精神與社會責(zé)任：通過對電子運動發(fā)展史的探究，使學(xué)生體會到人類對電子運動狀態(tài)的探索是一個逐步深入逐步完善的過程。在學(xué)習(xí)活動中使學(xué)生感受到科學(xué)家獻身科學(xué)的探索精神和進行科學(xué)探索時所具有的創(chuàng)新科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生探究電子運動狀態(tài)的積極性。
學(xué)情
分析
在初中階段，學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)，前20號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖有一定的了解，知道原子由原子核與核外電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成(H除外)，整個原子的質(zhì)量主要集中在原子核上，核外電子是分層排布的。
在必修階段以及上兩節(jié)課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了能級、能層和構(gòu)造原理，能夠利用這些知識以及“一低四不超”原則書寫核外電子的排布式和簡化的電子排布式及價層電子排布式。
在本節(jié)課的教學(xué)中可以充分利用學(xué)過的電子排布式、原子結(jié)構(gòu)示意圖以及構(gòu)造原理，在學(xué)習(xí)泡利原理和洪特規(guī)則的基礎(chǔ)上，對電子排布的軌道表示式進行深入講解，有利于加深學(xué)生對軌道表示式書寫方式的理解。
同時利用已有的原子結(jié)構(gòu)的知識經(jīng)驗，結(jié)合教材中提供的多個圖片，加深對電子空間運動狀態(tài)的探究，從而更好的了解電子云及電子云輪廓圖的深層涵義。通過閱讀教材中的相關(guān)內(nèi)容和教材中提供的表格，結(jié)合之前的能級、能層的知識，進一步學(xué)習(xí)原子軌道的相關(guān)理論，從而增強對電子空間運動狀態(tài)的深入理解。通過回顧構(gòu)造原理的知識，體會它與能量最低原理之間的關(guān)系。
教學(xué)過程
教學(xué)
環(huán)節(jié)
教學(xué)活動
設(shè)計意圖
環(huán)節(jié)一、
情景導(dǎo)入
創(chuàng)設(shè)情境
【情景創(chuàng)設(shè)】播放原子核外電子的運動狀態(tài)，導(dǎo)入新課
【導(dǎo)入】通過剛才的視頻，我們發(fā)現(xiàn)，電子的運動狀態(tài)是很復(fù)雜的，那么電子到底是如何運動的，視頻中提到的電子構(gòu)成的概率云，自旋又指的是什么，通過今天的學(xué)習(xí)，我們就能解決這些問題。
創(chuàng)設(shè)電子運動狀態(tài)的情境，提出本節(jié)課要學(xué)習(xí)的相關(guān)名次，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。
環(huán)節(jié)二、
認識電子云和電子云輪廓圖
環(huán)節(jié)三、認識原子軌道
環(huán)節(jié)四、泡利原理
、洪特規(guī)則
、能量最低原理
任務(wù)一、了解電子云的相關(guān)內(nèi)容
任務(wù)二、
認識電子云輪廓圖
任務(wù)三、探究原子軌道
任務(wù)四、
探究泡利原理
任務(wù)五、探究電子排布的軌道表示式
任務(wù)六、探究洪特規(guī)則
任務(wù)七、探究能量最低原理
【任務(wù)一】了解電子云的相關(guān)內(nèi)容
【學(xué)生活動】閱讀教材P12第1-4自然段，了解電子云，回答下列問題：
1、概率密度的表達式及相關(guān)物理量的含義？
2、電子云的概念？
3、電子云與概率密度的關(guān)系？
4、電子云中的小點與概率密度的關(guān)系？
【學(xué)生1】用P表示電子在某處出現(xiàn)的概率，V表示該處的體積，則稱為概率密度，用ρ
表示。
【學(xué)生2】由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱作電子云。
【學(xué)生3】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
【學(xué)生4】電子云圖中小點越密，表示電子出現(xiàn)的概率越大。
【教師】評價、補充。
【講授】電子云圖中的小點并不代表電子，小點的數(shù)目也不代表電子實際出現(xiàn)的次數(shù)
【過渡】電子云圖很難繪制，使用不便，我們通常使用電子云輪廓圖來繪制電子的運動狀態(tài)，接下來，我們共同來探究電子云輪廓圖。
【任務(wù)二】認識電子云輪廓圖。
【學(xué)生活動】閱讀教材P12第5，6自然段，和P13第1，2自然段，了解電子云輪廓圖的內(nèi)容，回答下列問題：
1、繪制電子云輪廓圖的目的？
2、繪制電子云輪廓圖的方法？
3、s、p電子云輪廓圖的形狀？
4、p電子云輪廓圖有幾種，如何表示，什么關(guān)系？
5、電子云輪廓圖的大小與能層序數(shù)的關(guān)系及產(chǎn)生這種變化的原因？
【學(xué)生1】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。
【學(xué)生2】把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率P=90%的空間圈出來
【學(xué)生3】s——球形，p——啞鈴狀
【學(xué)生4】3種，px、py、pz，px、py、pz相互垂直
【學(xué)生5】 關(guān)系：同一原子的能層越高，電子云的半徑越大
原因：隨著能層序數(shù)的增大，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。
【教師】評價、補充
【對應(yīng)訓(xùn)練1】下列說法中正確的是（ ）
A.電子云通常是用小黑點來表示電子的多少
B.能量高的電子在離核近的區(qū)域運動，能量低的電子在離核遠的區(qū)域運動
C.處于最低能量狀態(tài)的原子叫基態(tài)原子
D.電子僅由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時才會產(chǎn)生原子光譜
【答案】C
【解析】電子云是用小黑點表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的概率，小黑點的疏密表示出現(xiàn)概率的大小，A錯誤；通常能量低的電子在離核近的區(qū)域運動，能量高的電子在離核遠的區(qū)域運動，B錯誤；基態(tài)原子的能量最低，C正確；電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，或由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，都會產(chǎn)生原子光譜，D錯誤。
【對應(yīng)訓(xùn)練2】下列關(guān)于電子云的敘述中不正確的是（ ）
A.電子云是用小黑點的疏密程度來表示電子在核外空間出現(xiàn)概率大小的圖形
B.電子云實際上是電子運動形成的類似云一樣的圖形
C.電子云圖說明離核越近，電子出現(xiàn)概率越大；離核越遠，電子出現(xiàn)概率越小
D.能級類別不同，電子云的形態(tài)也不一樣
【答案】B
【解析】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，而不是電子的實際運動軌跡。人們常用小黑點的疏密程度來表示電子在原子核外空間出現(xiàn)概率的大小。從電子云圖中可以看出，離核越近，電子出現(xiàn)概率越大；離核越遠，電子出現(xiàn)概率越小。
【對應(yīng)訓(xùn)練3】下列關(guān)于1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率分布圖，也稱電子云示意圖(如圖所示)
的有關(guān)說法中，正確的是（ ）
A.通常用小點來表示電子的多少，小點越密，電子數(shù)目越多
B.小點越密，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機會越大
C.氫原子核外電子繞核做高速圓周運動
D.氫原子的電子云就是氫原子的核外電子分布圖
【答案】B
【解析】電子云是一個統(tǒng)計學(xué)結(jié)果的形象描述。小點密度大表示單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的概率大。取電子出現(xiàn)的概率P=90%的空間圈出來，形成電子云輪廓圖。
【小結(jié)】強調(diào)重點記憶的內(nèi)容
1、了解電子云與概率密度的關(guān)系，知道電子云圖中的小點并不代表電子，小點的數(shù)目也不代表電子實際出現(xiàn)的次數(shù)
2、s、p電子云輪廓圖的形狀，p電子云輪廓圖的種類、表示方法、關(guān)系
3、電子云輪廓圖的大小與能層序數(shù)的關(guān)系
【多媒體展示】播放視頻，展示前面所學(xué)知識，同時引出原子軌道的內(nèi)容
【過渡】通過剛才視頻的播放，我們進一步了解了電子云和電子云輪廓圖的內(nèi)容，那么視頻當(dāng)中展示的原子軌道是什么，接下來，我們就來研究這方面的內(nèi)容。
【講授】1、原子軌道的定義：量子力學(xué)把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、表示方法：常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向。
【任務(wù)三】探究原子軌道
【學(xué)生活動】閱讀教材P14表1-2，小組討論歸納，回答下列問題：
1、原子軌道的形狀有哪些？
2、同一能層，不同能級的原子軌道個數(shù)有什么規(guī)律？
3、不同能層，相同能級的原子軌道個數(shù)有什么規(guī)律？
4、原子軌道的個數(shù)由什么決定？
【展示討論結(jié)果】1、s軌道——球形，p軌道——啞鈴形
2、s能級——1個，p能級——3個，d能級——5個，f能級——7個
3、不同能層，相同能級的原子軌道個數(shù)相同
4、由能級決定
【教師】評價、補充
【復(fù)習(xí)提問】能級能量大小的判斷方法有哪些？
【學(xué)生】1、先看能層，一般情況下，能層序數(shù)越大，能量越高；
再看同一能層各能級的能量順序為：E(ns)< E(np)

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第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修2

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