高中化學(xué)第1章第1節(jié)原子結(jié)構(gòu)模型第2課時量子力學(xué)對原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述教案高二化學(xué)教案

第2課時量子力學(xué)對原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1.知道描述原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的四個量子數(shù)的含義。2.理解用四個量子數(shù)描述原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)。3.了解原子軌道和電子云的含義。一、原子軌道1．電子層通常，我們用量子數(shù)n來描述電子離核的遠(yuǎn)近，習(xí)慣上稱為電子層。n的取值為正整數(shù)1,2,3,4,5,6，…，對應(yīng)的符號為K，L，M，N，O，P等。n越大，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)、能量越高。2．能級當(dāng)量子數(shù)n相同時，電子所具有的能量也可能不同，因此，對同一個電子層，還可分為若干個能級。例如，n＝1時，有1個s能級；n＝2時，有1個s能級和1個p能級；n＝3時，有1個s能級，1個p能級和1個d能級。3．原子軌道(1)概念：原子中的單個電子的空間運(yùn)動狀態(tài)的描述。(2)n值所對應(yīng)的能級和原子軌道的情況量子數(shù)n符號能級種類原子軌道原子軌道數(shù)n＝1Ks1s1n＝2Ls2s1p2p3n＝3Ms3s1p3p3d3d5……………4.電子的“自旋”處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動狀態(tài)只能有兩種，分別用符號“↑”和“↓”表示。(1)電子層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)四個因素決定了電子的運(yùn)動狀態(tài)。(2)與電子能量有關(guān)的因素是電子層和能級，即處于同一電子層同一能級中的電子具有相同的能量。(3)處于同一個原子軌道上的電子有兩種不同的自旋狀態(tài)。在同一個原子中不存在兩個運(yùn)動狀態(tài)完全相同的電子。例1下列有關(guān)認(rèn)識正確的是()A．各能層的能級數(shù)按K、L、M、N分別為1、2、3、4B．各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束C．各能層含有的能級數(shù)為n－1D．各能層含有的電子數(shù)為2n2答案A解析各能層中的能級數(shù)等于其所處的能層數(shù)，即當(dāng)n＝1時，它只有一個s能級，當(dāng)n＝2時，含有兩個能級分別為s、p能級，所以B、C都不正確；D選項中每個能層最多能填充2n2個電子，但不是一定含有2n2個電子。例2(2018·邢臺市月考)下列能級符號表示錯誤的是()A．2pB．3fC．4sD．5d答案B解析每一能層的能級數(shù)與能層序數(shù)相等，且具有的能級依次為s、p、d、f……，M能層只有3s、3p、3d能級，沒有3f能級。二、電子云與原子軌道的圖形描述1．原子核外電子的運(yùn)動特點(1)電子的質(zhì)量很小(9.1095×10－31kg)，帶負(fù)電荷。(2)相對于原子和電子的體積而言，電子運(yùn)動的空間很大。(3)電子運(yùn)動的速度很快，接近光速(3.0×108m·s－1)。2．電子云(1)電子云：是處于一定空間運(yùn)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。(2)電子云輪廓圖的形狀：s能級的電子云輪廓圖是球形，p能級的電子云輪廓圖是啞鈴形。3．幾種原子軌道的圖形描述(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)p電子的原子軌道呈啞鈴形，能層序數(shù)越大，原子軌道的半徑越大。(3)同理，d原子軌道、f原子軌道等也都有相應(yīng)的圖像。(1)電子云圖①電子云圖中的小點不代表電子。小點疏密程度表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小。②離核越近，電子出現(xiàn)的概率越大，電子云越密集。如1s電子云比2s電子云更密集，2s電子云比1s電子云疏散。③s能級的電子云為球形，只有一種空間伸展方向。p能級的電子云為啞鈴形，有三種空間伸展方向。(2)原子軌道①同一電子層，不同能級其原子軌道形狀不同，數(shù)目不同，能量不同。②不同電子層，同種能級其原子軌道形狀相似，半徑不同，能量不同。③s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。例3(2019·廣東汕頭月考)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(yùn)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(yuǎn)，電子出現(xiàn)概率概率越小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(yùn)動形態(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(yùn)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(yuǎn)，電子出現(xiàn)概率越小。例4下列說法正確的是()A．因為p軌道是“8”字形，所以p電子是“8”字形B．電子層序數(shù)為3時，有3s、3p、3d9個軌道C．氫原子中只有1個電子，故氫原子核外只有1個軌道D．電子云圖即是電子云輪廓圖，都是用來形象描述電子運(yùn)動狀態(tài)的答案B解析p軌道呈啞鈴形，是指電子出現(xiàn)概率高的區(qū)域，而不是電子的形狀，A項錯誤；電子層序數(shù)為3時，有3s、3p、3d3個能級，共有9個軌道，B項正確；氫原子中確實只有1個電子，但軌道是人為規(guī)定的，可以是空軌道，故C項錯誤。易錯提醒電子云圖與電子云輪廓圖不是同一個概念，電子云輪廓圖實際上是電子云圖的大部分區(qū)域；電子云輪廓圖就是我們通常所說的原子軌道圖。1．下列各電子層中不包含p能級的是()A．M電子層 B．N電子層C．L電子層 D．K電子層答案D解析K電子層只包括s能級，L電子層包括s、p能級，M電子層包括s、p、d能級，N電子層包括s、p、d、f能級。2．下列各能級的原子軌道中，可容納電子數(shù)最多的是()A．5d B．6pC．4f D．7s答案C解析能級中所含原子軌道的數(shù)目取決于能級種類，與電子層序數(shù)無關(guān)，s、p、d、f能級分別含有1、3、5、7個原子軌道，每個原子軌道最多容納2個電子，所以4f軌道容納電子數(shù)最多。3．下列有關(guān)說法中正確的是()A．一般而言，n越大，電子離核平均距離越遠(yuǎn)，能量越低B．第n電子層中含有n個能級C．同一能級的不同原子軌道的能量是不同的D．處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動狀態(tài)可能相同，也可能不同答案B解析多電子原子中，電子層序數(shù)n越大，電子離核越遠(yuǎn)，能量越高；同一能級的不同原子軌道空間伸展方向不同，其能量相同；同一原子軌道上的電子其自旋方向一定不同，A、C、D項錯誤。4．對于鈉原子的第二電子層的p軌道2px、2py、2pz間的差異，下列說法中正確的是()A．電子云形狀不同B．原子軌道的對稱類型不同C．電子的能量不同D．電子云空間伸展方向不同答案D解析2px、2py、2pz所表示的是同一能級中的三個不同的原子軌道，其能量相同；2px、2py、2pz的電子云，原子軌道都是啞鈴形的，都是軸對稱圖形；在空間伸展方向上不同，D項正確。5．觀察2pz軌道電子云示意圖(如圖所示)，下列說法中錯誤的是()A．2pz軌道上的電子在空間出現(xiàn)的概率分布呈z軸對稱B．點密集的地方表明電子出現(xiàn)的概率大C．電子先沿z軸正半軸運(yùn)動，然后在負(fù)半軸運(yùn)動D．2pz軌道的形狀為兩個橢圓球答案C解析觀察2pz軌道電子云示意圖發(fā)現(xiàn)，處于2pz軌道上的電子在空間出現(xiàn)的概率分布相對于z軸對稱，電子主要在xy平面的上、下方出現(xiàn)，A正確；電子云中的小黑點疏密程度代表電子出現(xiàn)概率的大小，所以點密集的地方表明電子出現(xiàn)的機(jī)率大，B正確；在圖中，電子在空間出現(xiàn)的概率分布關(guān)于z軸對稱，電子云并不是電子的真實運(yùn)動軌跡，C錯誤；2pz軌道電子云形狀為兩個橢圓球，而不是面，D正確。6．回答下列問題：(1)n＝2的電子層有________個能級，________種形狀不同的電子云，有________個原子軌道，最多容納________個電子。(2)用相應(yīng)的符號描述主量子數(shù)n＝2的所有的原子軌道________________________。(3)處于一定空間狀態(tài)的電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布可用________形象地描述。在基態(tài)14C原子中，核外存在________個運(yùn)動狀態(tài)不同的電子。(4)基態(tài)K原子中，核外電子占據(jù)的最高電子層符號為________，占據(jù)該能層電子的電子云輪廓圖的形狀為____________。答案(1)2248(2)2s、2px、2py、2pz(3)電子云6(4)N球形解析(1)第2電子層有2s、2p兩個能級，有s、p2種形狀不同的電子云，有2s、2px、2py、2pz4個原子軌道，每個軌道最多容納2個電子，所以n＝2的電子層最多容納8個電子。(2)n＝2的原子軌道為2s、2px、2py、2pz。(3)電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度分布圖像一團(tuán)云霧，因而形象地稱為電子云，用于描述電子的概率密度分布。原子中單個電子的空間運(yùn)動狀態(tài)可以用原子軌道來描述，并具有兩種自旋狀態(tài)中的一種，因此多電子原子中，不同電子的運(yùn)動狀態(tài)不同，故14C原子核外有6個運(yùn)動狀態(tài)不同的電子。(4)K原子核外有四個電子層，N層上只有一個電子，占據(jù)4s軌道，電子云輪廓圖為球形。題組1電子層、能級與原子軌道1．下列電子層中，原子軌道的數(shù)目為4的是()A．K層B．L層C．M層D．N層答案B解析s、p、d、f能級中的軌道數(shù)目分別為1、3、5、7。每個電子層中含有不同的能級，K層有1個s能級，原子軌道數(shù)目為1。L層中含有1個s能級和1個p能級，原子軌道數(shù)目為4。M層含有1個s能級、1個p能級和1個d能級，原子軌道數(shù)目為9。N層含有1個s能級、1個p能級、1個d能級和1個f能級，原子軌道數(shù)目為16。2．下列能級符號不正確的是()A．5sB．2dC．4fD．6p答案B解析每一電子層的能級數(shù)與電子層序數(shù)相同，且具有的能級依次為s、p、d、f…，故L電子層只有2s、2p能級，沒有2d能級。3．主量子數(shù)為n＝3時，電子的空間運(yùn)動狀態(tài)有()A．4種B．7種C．8種D．9種答案D解析電子的空間運(yùn)動狀態(tài)即原子軌道，主量子數(shù)n＝3的原子軌道有3s(1個原子軌道)、3p(3個伸展方向，即3個原子軌道)、3d(5個伸展方向，即5個原子軌道)共有9個原子軌道。4．下列有關(guān)核外電子運(yùn)動狀態(tài)的說法正確的是()A．電子自旋就是電子圍繞軸“自轉(zhuǎn)”B．原子軌道可用來描述核外電子的運(yùn)動狀態(tài)C．第二電子層有自旋相反的兩個軌道D．原子軌道可用來描述核外電子的運(yùn)動軌跡答案B解析電子的自旋表示處于同一原子軌道上電子的量子化運(yùn)動，自旋不是“自轉(zhuǎn)”；原子軌道可用來描述原子中單個電子的空間運(yùn)動狀態(tài)，它只能描述核外電子高頻出現(xiàn)的“區(qū)域”，而不是核外電子運(yùn)動的軌跡；第二電子層有四個軌道，分別為2s、2px、2py、2pz。綜上所述，B項正確。5．下列有關(guān)電子層和能級的敘述中正確的是()A．M電子層有s、p共2個能級，最多能容納8個電子B．3d能級最多容納5個電子，3f能級最多容納7個電子C．無論哪一電子層的s能級最多容納的電子數(shù)均為2D．任一電子層都有s、p能級，但不一定有d能級答案C解析A項，M電子層有s、p、d共3個能級，最多容納18個電子；B項，3d能級最多容納10個電子，從N電子層開始有f能級，最多容納14個電子，不存在3f能級；C項，每個電子層都從s能級開始，且s能級最多容納2個電子；D項，K電子層只有s能級，不含有p能級。題組2原子軌道的圖形描述及電子云6．下列有關(guān)電子云的敘述中，正確的是()A．電子云形象地表示了電子在核外某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率B．電子云直觀地表示了核外電子的數(shù)目C．1s電子云界面圖是一個球面，表示在這個球面以外，電子出現(xiàn)的概率為零D．電子云是電子繞核運(yùn)動形成的一團(tuán)帶負(fù)電荷的云霧答案A解析為了形象地表示電子在原子核外空間的分布狀況，人們常用小點的疏密程度來表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大??；點密集的地方，表示電子出現(xiàn)的概率大；點稀疏的地方，表示電子出現(xiàn)的概率小，這就是電子云。1s電子云界面以外，電子出現(xiàn)的概率不為零，只是出現(xiàn)的概率很小。7．(2019·邢臺市月考)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(guān)說法正確的是()A．圖1中的每個小黑點表示1個電子B．圖2表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)C．圖2表明1s軌道呈球形，有無數(shù)對稱軸D．圖1中的小黑點表示電子在核外所處的位置答案C解析電子云就是用小黑點疏密來表示空間各電子出現(xiàn)概率大小的一種圖形，小黑點表示空間各電子出現(xiàn)的幾率，A、D錯誤；在界面內(nèi)出現(xiàn)該電子的幾率大于90%，界面外出現(xiàn)該電子的幾率不足10%,B錯誤。8．下列有關(guān)電子云和原子軌道的說法正確的是()A．原子核外的電子像云霧一樣籠罩在原子核周圍，故稱電子云B．s軌道呈球形，處在該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運(yùn)動C．p軌道呈啞鈴形，在空間有兩個伸展方向D．與s電子原子軌道相同，p電子原子軌道的平均半徑隨能層的增大而增大答案D解析電子云是對電子運(yùn)動的形象化描述，它僅表示電子在某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率，并非原子核真被電子云霧所包裹，故選項A錯誤；原子軌道是電子出現(xiàn)的概率約為90%的空間輪廓，它表明電子在這一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會大，在此區(qū)域外出現(xiàn)的機(jī)會少，故選項B錯誤；p軌道在空間有x、y、z3個伸展方向，故選項C錯誤。9．下列有關(guān)原子核外電子的能量與運(yùn)動狀態(tài)的說法正確的是()A．在同一原子中，2p、3p、4p……能級的電子軌道數(shù)依次增多B．在同一能級上運(yùn)動的電子，其能量一定相同C．在同一能級上運(yùn)動的電子，其運(yùn)動狀態(tài)有可能相同D．在同一原子中，1s、2s、3s、4s……能級的原子軌道的平均半徑相同答案B解析在同一原子中，任一電子層的p能級都有三個互相垂直的原子軌道，A項錯誤；決定電子能量的是電子層和能級，也就是說，處于同一電子層相同能級上的電子，即使處在不同的原子軌道上，其能量也是相同的，B項正確；同一原子中沒有運(yùn)動狀態(tài)完全相同的兩個電子，C項錯誤；雖然s能級的原子軌道的形狀都是球形，但按照1s、2s、3s、4s……的順序，電子的能量依次增高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云向更大的空間擴(kuò)展，原子軌道的平均半徑逐漸增大，D項錯誤。10．下列說法正確的是()A．p電子云是平面“8”字形的B．3p2表示3p能級中有兩個原子軌道C．2d能級包含5個原子軌道，最多容納10個電子D．s電子云是在空間各個方向上伸展程度相同的對稱形狀答案D解析p電子云形狀是啞鈴形，不是平面“8”字形，A項錯；3p2表示3p能級中容納了兩個電子，B項錯；L層沒有d能級，C項錯。11．(1)可正確表示原子軌道的是________(填字母)。A．2s B．2dC．3p D．3f(2)符號2px的意義是________________________________________________________________________________________________________________________。(3)如圖是s能級、p能級的原子軌道圖，試回答問題：①s能級的原子軌道呈______形，每個s能級有______個原子軌道；p能級的原子軌道分別相對于x、y、z軸______，每個p能級有______個原子軌道。②s能級原子軌道、p能級原子軌道的半徑與__________有關(guān)，____________越大，原子軌道半徑越大。答案(1)AC(2)2px表示主量子數(shù)n為2，角量子數(shù)l為1，沿x軸方向伸展的p軌道(3)①球1對稱3②電子層序數(shù)電子層序數(shù)解析(1)L電子層只有2s、2p能級，M電子層只有3s、3p、3d能級，故選AC。(2)2px中2表示主量子數(shù)n(即電子層序數(shù))為2，p表示角量子數(shù)為1(即p能級)，px表示p原子軌道沿x軸方向伸展。(3)s軌道在三維空間分布的圖形為球形，p軌道空間分布的圖形分別相對于x、y、z軸對稱，原子軌道的半徑與電子層數(shù)有關(guān)，并隨電子層數(shù)增大而增大。12．回答下列問題：(1)在基態(tài)多電子原子中，關(guān)于核外電子能量的敘述錯誤的是________(填字母)。a．最易失去的電子能量最高b．同一個電子層上的不同能級上的原子軌道，能量大小不同c．p軌道電子能量一定高于s軌道電子能量d．在離核最近區(qū)域內(nèi)運(yùn)動的電子能量最低(2)比較下列多電子原子的原子軌道的能量高低。①1s,3d：________；②3s,3p,3d：________；③2p,3p,4p：________；④3px,3py,3pz：________。(3)基態(tài)鋁原子核外電子云有______種不同的伸展方向，共有______種不同能級的電子，有______種不同運(yùn)動狀態(tài)的電子。答案(1)c(2)①1s<3d②3s<3p<3d③2p<3p<4p④3px＝3py＝3p