一、電子云與原子軌道


1．電子云


由于核外電子的概率密度分布看起來像一片云霧，因而被形象地稱為電子云。


2．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。


3．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


①s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，其他電子云輪廓圖都不是球形的。例如，p電子云輪廓圖是呈啞鈴狀的。





(3)各能級所含有原子軌道數(shù)目


微點撥：原子軌道與能層序數(shù)的關系


(1)不同能層的同種能級的原子軌道形狀相同，只是半徑不同。能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑越大。如：





同一原子的s電子的電子云輪廓圖


(2)s能級只有1個原子軌道。p能級有3個原子軌道，它們互相垂直，分別以px、py、pz表示。在同一能層中px、py、pz的能量相同。


二、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理


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，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：在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，它們的自旋相反。


2．電子排布的軌道表示式


(1)在軌道表示式中，用方框(或圓圈)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，“↑↓”稱電子對，“↑”或“↓”稱單電子(或稱未成對電子)。


(2)表示方法：以鋁原子為例，軌道表示式中各符號、數(shù)字的意義為





微點撥：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。


3．洪特規(guī)則


(1)內容：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。


(2)特例


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。


相對穩(wěn)定的狀態(tài)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(全充滿：p6、d10、f14,全空：p0、d0、f0,半充滿：p3、d5、f7))


如24Cr的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1，為半充滿狀態(tài)，易錯寫為1s22s22p63s23p63d44s2。


微點撥：洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。


4．能量最低原理


在構建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低。


微點撥：能級的能量高低順序如構造原理所示(對于1～36號元素來說，應重點掌握和記憶“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”這一順序)。





1．判斷正誤(對的在括號內打“√”，錯的在括號內打“×”。)


(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)其他原子軌道(×)


(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1s22s22peq \\al(2,x)違反了洪特規(guī)則(√)





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


D [洪特規(guī)則表明，當電子排布在同一能級的不同軌道時，基態(tài)原子中的電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，而且自旋平行。]


3．下列原子或離子的電子排布表示方法中，正確的是________，違反能量最低原理的是________，違反洪特規(guī)則的是________，違反泡利原理的是________。


①Ca2＋：1s22s22p63s23p6


②F－：1s22s23p6





[解析] 根據(jù)核外電子排布規(guī)律知②中錯誤在于電子排完2s軌道后應排2p軌道，而不是3p軌道，應為1s22s22p6；③中沒有遵循洪特規(guī)則。⑦中違反泡利原理。


[答案] ①⑤⑥ ②④ ③ ⑦








20世紀20年代以來，現(xiàn)代模型(電子云模型)認為電子繞核運動形成一個帶負電荷的云團，對于具有波粒二象性的微觀粒子在一個確定時刻其空間坐標與動量不能同時測準，這是德國物理學家海森堡在1926年提出的著名的不確定性原理。


(1)電子云圖中的小點的含義是什么？小點的密度表示什么？


提示：小點是電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。小點密度越大，表明概率密度越大。


(2)電子在原子核外出現(xiàn)的概率有什么規(guī)律？


提示：離核越近，電子出現(xiàn)的概率越大，電子云越密集。如2s電子云比1s電子云疏散。


(3)不同能層的同種能級的原子軌道形狀是否完全相同？


提示：不同能層的同種能級的原子軌道形狀相似，但不完全相同。只是原子軌道的半徑不同，能級序數(shù)n越大，電子的能量越大，原子軌道的半徑越大。例如1s、2s、3s軌道均為球形，原子軌道半徑：r(1s)＜r(2s)＜r(3s)。





宏觀物體的運動與微觀電子的運動對比


1．宏觀物體的運動有確定的運動軌跡，可以準確測出其在某一時刻所處的位置及運行的速度，描繪出其運動軌跡。


2．由于微觀粒子質量小、運動空間小、運動速度快，不能同時準確測出其位置與速度，所以對于核外電子只能確定其在原子核外各處出現(xiàn)的概率。


(1)電子云圖表示電子在核外空間出現(xiàn)概率密度的相對大小。電子云圖中小黑點密度越大，表示電子出現(xiàn)的概率密度越大。


(2)電子云圖中的小點并不代表電子，小點的數(shù)目也不代表電子真實出現(xiàn)的次數(shù)。


(3)由氫原子的1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖可知，在離原子核越近的空間電子出現(xiàn)的概率越大；電子云的外圍形狀具有不規(guī)則性。





(4)電子云圖很難繪制，使用不方便，故常使用電子云輪廓圖。





1．圖1和圖2 分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關說法正確的是( )





圖1 圖2


A．圖1中的每個小點表示1個電子


B．圖2 表示1s電子只能在球體內出現(xiàn)


C．圖2表明1s軌道呈球形，有無數(shù)對稱軸


D．圖1中的小點表示電子在核外所處的位置


C


2．如圖是s能級和p能級的原子軌道圖，下列說法正確的是( )





A．s能級和p能級的原子軌道形狀相同


B．每個p能級都有6個原子軌道


C．s能級的原子軌道半徑與能層序數(shù)有關


D．鈉原子的電子在11個原子軌道上高速運動


C [s軌道為球形，p軌道為啞鈴狀的，A項錯誤；每個p能級只有3個原子軌道，B項錯誤；能層序數(shù)越小，s能級的原子軌道半徑越小，C項正確；鈉原子的電子在6個原子軌道上高速運動，D項錯誤。]





德國人弗里德里?！ず樘?F.Hund)根據(jù)大量光譜實驗數(shù)據(jù)總結出一個規(guī)律，即電子分布到能量簡并的原子軌道時，優(yōu)先以自旋相同的方式分別占據(jù)不同的軌道，因為這種排布方式原子的總能量最低。所以在能量相等的軌道上，電子盡可能自旋平行地多占不同的軌道。


(1)泡利原理和洪特規(guī)則有何區(qū)別？


提示：泡利原理：在一個原子軌道里最多只能容納2個電子，而且它們的自旋相反；洪特規(guī)則：當電子排布在同一能級的不同軌道時，基態(tài)原子中的電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，而且自旋平行。


(2)指出下列核外軌道表示式的書寫分別違背了什么原則？





提示：①②③⑤違背了洪特規(guī)則，當電子排布在同一能級的不同軌道時，原子中的電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，且自旋平行。④違背了泡利原理，一個原子軌道最多只容納2個電子，而且這2個電子的自旋相反。





核外電子排布的表示方法





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( )





C [本題考查的是核外電子排布的基本原理。要使各原子能量處于最低狀態(tài)(即基態(tài))，核外電子必須遵循三大原理進行排布。A項中2s軌道沒有排滿電子就排在了2p軌道上，顯然能量不是最低的；B項中2p軌道上的電子排布不符合洪特規(guī)則，三個電子各占一個p軌道且自旋狀態(tài)相同時，能量最低；C項中2p3為半充滿狀態(tài)，能量最低；D項中2p軌道未排滿就排3s軌道，能量不是最低的。]


4．下列關于鈉元素的幾種表達式錯誤的是( )





D [Na的簡化電子排布式為[Ne]3s1。即上一周期的稀有氣體(元素符號)＋該原子的價電子排布。]





書寫軌道表示式時的“五”注意


(1)一個方框表示一個原子軌道，一個箭頭表示一個電子。


(2)不同能級中的eq \O( )要相互分開，同一能級中的eq \O( )要相互連接。


(3)整個軌道表示式中各能級的排列順序要與相應的電子排布式一致。


(4)當eq \O( )中有2個電子時，它們的自旋狀態(tài)必須相反。


(5)洪特規(guī)則的特例：在能量相同的軌道(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高的穩(wěn)定性。如24Cr的價電子排布式為3d54s1(半充滿)，易錯寫為3d44s2。








1．對原子核外的電子運動描述方法正確的是( )


A．根據(jù)一定的數(shù)據(jù)計算出它們某一時刻所在的位置


B．用一定儀器測定或描述出它們的運動軌道


C．核外電子的運動有確定的軌道


D．核外電子的運動根本不具有宏觀物體運動規(guī)律，只能用統(tǒng)計規(guī)律來描述


D [核外電子的運動根本不具有宏觀物體運動規(guī)律，只能用統(tǒng)計規(guī)律來描述。我們不能測定或計算出它在某一時刻所在的位置，也不能描畫它的運動軌跡。]


2．在1s、2px、2py、2pz軌道中，具有球對稱性的是( )


A．1s B．2px C．2py D．2pz


A [1s軌道和2p軌道的圖像分別為





由圖像可看出，呈球對稱性的為1s原子軌道。]


3．以下表示氦原子結構的化學用語中，對電子運動狀態(tài)描述最詳盡的是( )





D [A項只能表示最外層電子數(shù)；B項只表示核外的電子分層排布情況；C項具體到各能層的電子數(shù)；而D項包含了能層數(shù)、能級數(shù)以及軌道內電子的自旋方向。]


4．(雙選)下列給出的基態(tài)原子的電子排布式，其中正確的是( )


A．11Na：1s22s22p7


B．47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2


C．20Ca：1s22s22p63s23p64s2


D．35Br：[Ar]3d104s24p5


CD [A項中的“2p7”違背了泡利原理，p能級有3個軌道，最多填充6個電子，正確的電子排布式為1s22s22p63s1。B項中的“4d95s2”違背了洪特規(guī)則特例，正確的電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1。]


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＋的價層電子排布式為________。


[解析] (1)Al原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p1，原子中存在s、p兩種形狀的電子云，s電子云呈球形，有1種伸展方向，而p電子云呈啞鈴狀的，有3種伸展方向，則鋁原子核外電子云共有4種不同的伸展方向。由于每個核外電子的運動狀態(tài)都不完全相同，所以鋁原子核外共有13種不同運動狀態(tài)的電子。


(2)26號元素Fe的核外電子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，則基態(tài)Fe原子上有4個未成對電子，當Fe原子失去2個4s電子和1個3d電子，就得到了Fe3＋，因此Fe3＋的電子排布式是1s22s22p63s23p63d5。


(3)29號元素Cu的簡化電子排布式為[Ar]3d104s1，原子失去電子時首先失去最外層電子，即Cu＋的簡化電子排布式為[Ar]3d10，則其價層電子排布式為3d10。


[答案] (1)4 13 (2)4 1s22s22p63s23p63d5 (3)3d10發(fā) 展 目 標
體 系 構 建
1.了解電子云輪廓圖和核外電子運動的狀態(tài)。


2.能從原子的微觀層面理解原子的組成、結構等，能根據(jù)核外電子的排布規(guī)則熟知核外電子排布的表示方法，并能根據(jù)電子排布的軌道表示式、結構示意圖等推導出對應的原子或離子。
能級符號
ns
np
nd
nf
軌道數(shù)目
1
3
5
7
電子云與原子軌道
核外電子排布的表示方法
原子(離子)結構示意圖
含義
將每個能層上的電子總數(shù)表示在原子核外的式子
實例
電子排布式
含義
用數(shù)字在能級符號右上角標明該能級上排布的電子數(shù)，這就是電子排布式
實例
K：1s22s22p63s23p64s1
簡化電子排布式
含義
為了避免電子排布式書寫過于煩瑣，把內層電子達到稀有氣體原子結構的部分以相應稀有氣體元素符號外加方括號表示
實例
K：[Ar]4s1
價電子排布式
含義
主族元素的價層電子指最外層電子，價層電子排布式即最外層電子排布式
實例
Al：3s23p1
軌道表示式
含義
每個方框代表一個原子軌道，每個箭頭代表一個電子
實例
電子式
含義
化學中常在元素符號周圍用“·”或“×”來表示元素原子的最外層電子，相應的式子叫做電子式
實例

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第一節(jié) 原子結構

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修2

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