化學(xué)人教版選修3學(xué)案1-1-2電子云和原子軌道

第二課時(shí)電子云和原子軌道[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2．知道核外電子排布應(yīng)同時(shí)遵循泡利原理和洪特規(guī)則。3．通過(guò)日常生活現(xiàn)象理解核外電子運(yùn)動(dòng)、電子云輪廓圖和原子核外電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。一、電子云1．概念一定時(shí)間間隔內(nèi)電子在原子核外出現(xiàn)概率的分布圖。2．電子云輪廓圖的制作3．電子云圖中黑點(diǎn)不代表一個(gè)電子，每個(gè)黑點(diǎn)表示電子出現(xiàn)過(guò)一次。4．黑點(diǎn)疏密的程度表示了電子在原子核外出現(xiàn)的概率的大小。點(diǎn)疏的地方表示電子在那里出現(xiàn)的概率小，點(diǎn)密集的地方表示電子在那里出現(xiàn)的概率大。5．離核越近，電子云出現(xiàn)的概率越大，電子云越密集。如2s電子云比1s電子云更擴(kuò)散。6．s能級(jí)的電子云為球形，只有一種空間伸展方向。p電子云有三種空間伸展方向。二、原子軌道1．定義：原子軌道即電子云的輪廓圖。2．原子軌道的形狀s能級(jí)原子軌道是球形的，p能級(jí)原子軌道是紡錘形的。3．能層數(shù)n越大，原子軌道半徑越大。4．不同能層的同種能級(jí)的原子軌道形狀相似，只是半徑不同。5．ns能級(jí)有1個(gè)軌道，np能級(jí)有3個(gè)軌道，nd能級(jí)有5個(gè)軌道，nf能級(jí)有7個(gè)軌道。np能級(jí)中的3個(gè)原子軌道相互垂直，分別以px、py、pz表示，它們具有相同的能量。三、泡利原理和洪特規(guī)則1．泡利原理在任何一個(gè)原子里，不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子。一個(gè)軌道最多只能容納兩個(gè)電子，而且自旋方向相反。如2s2的軌道排布圖為，不能表示為。2．洪特規(guī)則當(dāng)電子排布在同一能級(jí)的不同軌道時(shí)(即能量相同的軌道)，總是盡可能分別占據(jù)一個(gè)軌道，而且自旋方向相同。如2p3的軌道排布圖為，不能表示為。知識(shí)點(diǎn)一電子云和原子軌道一、電子云1．電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(1)質(zhì)量非常小(電子質(zhì)量?jī)H為9.1×10－31kg(2)運(yùn)動(dòng)速度很快(如在1000V電壓下加速的電子的速度可高達(dá)1.9×107(3)不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定它的位置和速度。2．電子云(1)定義電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)可以用電子在核外空間出現(xiàn)概率的大小來(lái)描述。通常用小黑點(diǎn)的疏密程度來(lái)表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小。由于核外電子的概率密度分布看起來(lái)像一片云霧，因而被形象地稱為電子云。(2)電子云的意義①電子云中的小黑點(diǎn)并不代表一個(gè)電子而是代表電子在該處出現(xiàn)過(guò)一次。小黑點(diǎn)的疏密程度表示電子在原子核外出現(xiàn)的概率大小。小黑點(diǎn)稀疏的地方，表示電子在該處出現(xiàn)的概率??；小黑點(diǎn)密集的地方，表示電子在該處出現(xiàn)的概率大。②離核越近，電子出現(xiàn)的概率越大，小黑點(diǎn)越密集。如2s電子云比1s電子云更擴(kuò)散。(3)電子云圖和電子云輪廓圖這種形象地描述電子在空間出現(xiàn)的概率大小的圖形稱為電子云圖。如右圖所示是在一定時(shí)間間隔內(nèi)1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。電子云圖很難繪制，使用不便，可用電子云輪廓圖來(lái)描繪電子云輪廓的形狀，電子云輪廓圖的繪制過(guò)程如圖所示。(4)電子云的形狀①s電子的電子云輪廓圖為球形，只有一種空間伸展方向。所有原子的任一能層的s電子的電子云輪廓圖都是一個(gè)球形，只是球的半徑大小不同(如下圖所示)。②p電子云是啞鈴狀的，有x、y、z三種空間伸展方向，無(wú)論2p、3p、4p……哪一個(gè)p能級(jí)都有三個(gè)相互垂直的電子云，分別為px、py、pz，px、py、pz表示的是p電子云在坐標(biāo)里的取向，如下圖所示。二、原子軌道1．原子軌道的空間伸展方向s電子的原子軌道為球形對(duì)稱，ns能級(jí)只有1個(gè)軌道，可表示為：eq\x()；p電子的原子軌道是啞鈴狀的，在空間中有x、y、z三個(gè)伸展方向，所以np能級(jí)有px、py、pz3個(gè)軌道，可表示為：；nd能級(jí)有5個(gè)軌道，可表示為：；nf能級(jí)有7個(gè)軌道，可表示為：。2．各原子軌道的能量高低多電子原子中，電子填充原子軌道時(shí)，原子軌道能量的高低存在以下規(guī)律：①相同能層上原子軌道能量的高低順序?yàn)椋簄s<np<nd<nf……②形狀相同的原子軌道能量的高低順序?yàn)椋?s<2s<3s<4s……③能層和形狀相同的原子軌道的能量相同，如2px、2py、2pz軌道的能量是相等的。同理，同能層d能級(jí)的5個(gè)軌道的能量相同，同能層f能級(jí)的7個(gè)軌道的能量也相同。3．不同能層的能級(jí)、原子軌道及電子云形狀(見(jiàn)下表)1.相同能級(jí)的原子軌道為什么隨能層序數(shù)n的增大原子軌道平均半徑增大？【點(diǎn)撥】隨著n的增大，電子的能量越高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大，電子云越來(lái)越向更大的空間伸展。因此原子軌道的平均半徑也變大。2．利用數(shù)學(xué)歸納法，歸納各能層容有的原子軌道數(shù)與能層序數(shù)n的關(guān)系?！军c(diǎn)撥】第一能層只有s能級(jí)，1個(gè)原子軌道；第二能層有s能級(jí)(1個(gè)原子軌道)，p能級(jí)(3個(gè)原子軌道)共有22個(gè)原子軌道；第三能層有s能級(jí)(1個(gè)原子軌道)，p能級(jí)(3個(gè)原子軌道)，d能級(jí)(5個(gè)原子軌道)，共有32個(gè)原子軌道；可見(jiàn)能層序數(shù)為n的能層容有的原子軌道數(shù)為n2個(gè)?！纠?】下列有關(guān)電子云和原子軌道的說(shuō)法中，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能級(jí)原子軌道呈球形，處于該軌道上的電子只能在球殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)C．p能級(jí)原子軌道呈啞鈴狀，隨著能層的增加，p能級(jí)原子軌道也在增多D．p能級(jí)原子軌道與s能級(jí)原子軌道的平均半徑都隨能層序數(shù)的增大而增大【提示】電子云表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的概率分布，不代表電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，小黑點(diǎn)也并不代表電子?！窘馕觥侩娮釉票硎倦娮釉诤送饽骋粎^(qū)域出現(xiàn)的概率密度分布，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；原子軌道是電子出現(xiàn)概率為90%的電子云空間，這只是表明電子在這一空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大，在此空間區(qū)域外出現(xiàn)的機(jī)會(huì)少，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；無(wú)論能層序數(shù)n如何變化，每個(gè)p能級(jí)都有3個(gè)原子軌道且相互垂直，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；電子的能量越高，電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)越大，電子云將向更大的空間擴(kuò)展，原子軌道半徑會(huì)逐漸增大?！敬鸢浮緿圖1和圖2分別是電子云圖、原子軌道圖，則有關(guān)的說(shuō)法中正確的是(D)A．電子云圖就是原子軌道圖B．3p2表示3p能級(jí)中有兩個(gè)軌道C．由圖2可知s軌道呈圓形，有無(wú)數(shù)條對(duì)稱軸D．p能級(jí)最多可排6個(gè)電子解析：本題的解題關(guān)鍵是要理解電子云的含義。A項(xiàng)中，原子軌道圖是電子云的輪廓圖，也就是電子出現(xiàn)概率為90%的空間；B項(xiàng)中，3p2表示3p能級(jí)中有兩個(gè)電子；C項(xiàng)中，s軌道呈球形而不是圓形。知識(shí)點(diǎn)二原子的核外電子排布的表示方法1五種表示核外電子排布的方法中，電子排布圖最能反映電子的排布情況；2要注意五種核外電子排布方法的聯(lián)系，特別是與比較熟悉的原子結(jié)構(gòu)示意圖去相互印證；(3)電子排布式在書寫時(shí)特別注意如Cr、Cu等符合洪特規(guī)則特例的元素。在等價(jià)軌道(同一能級(jí))上的電子排布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)狀態(tài)時(shí)，具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性，可以理解為洪特規(guī)則的特例。例如：鉻(24Cr)：1s22s22p63s23p63d54s1，正確；1s22s22p63s23p63d44s2，錯(cuò)誤。銅(29Cu)：1s22s22p63s23p63d104s1，正確；1s22s22p63s23p63d94s2，錯(cuò)誤。【例2】已知錳的核電荷數(shù)為25，以下是一些同學(xué)繪制的基態(tài)錳原子的核外電子排布圖，其中最能準(zhǔn)確表示基態(tài)錳原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的是()【提示】①核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要從4個(gè)方面來(lái)描述，即能層、能級(jí)、原子軌道和電子的自旋狀態(tài)，只有同時(shí)包含了這4個(gè)方面的表達(dá)方式，才能準(zhǔn)確地表示基態(tài)原子的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。②核外電子在軌道上填充時(shí)，要遵循構(gòu)造原理、泡利原理和洪特規(guī)則?！窘馕觥扛鶕?jù)泡利原理，1個(gè)原子軌道最多可容納2個(gè)電子且自旋狀態(tài)相反，選項(xiàng)B中1s、2s、3s和4s原子軌道中2個(gè)電子的自旋狀態(tài)相同，違背了泡利原理，故B錯(cuò)誤。根據(jù)洪特規(guī)則，電子排布在同一能級(jí)的不同軌道上時(shí)，優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)1個(gè)軌道，并且自旋狀態(tài)相同，A項(xiàng)中3d能級(jí)上5個(gè)電子未單獨(dú)占據(jù)1個(gè)軌道，C項(xiàng)中3d能級(jí)上的5個(gè)電子雖單獨(dú)占據(jù)1個(gè)軌道，但自旋狀態(tài)不相同，所以A、C項(xiàng)均違背洪特規(guī)則。只有D項(xiàng)既符合構(gòu)造原理，又符合泡利原理和洪特規(guī)則，該選項(xiàng)包含了錳原子核外各個(gè)電子所處的能層、能級(jí)、原子軌道及自旋狀態(tài)，因而能最準(zhǔn)確地表示錳原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！敬鸢浮緿下列表示式錯(cuò)誤的是(A)A．Na＋的核外電子排布圖：B．Na＋的結(jié)構(gòu)示意圖：C．Na的電子排布式：1s22s22p63s1D．Na的簡(jiǎn)化電子排布式：[Ne]3s1解析：A中違反了泡利不相容原理。知識(shí)點(diǎn)三基態(tài)原子中未成對(duì)電子的判斷方法1．未成對(duì)電子存在的原因原子核外電子排布時(shí)，如果同一個(gè)能級(jí)上各個(gè)軌道不能都排滿時(shí)，會(huì)遵循洪特規(guī)則，即盡可能分占不同的原子軌道，這樣能量最低，原子最穩(wěn)定。所以此時(shí)有些原子軌道上只存在1個(gè)電子，該電子被稱為未成對(duì)電子。2．一般規(guī)律(1)在元素周期表中有如下一般規(guī)律：第ⅠA、ⅢA、ⅦA族三個(gè)主族元素的基態(tài)原子核外存在著1個(gè)未成對(duì)電子，第ⅣA、ⅥA族兩個(gè)主族元素的基態(tài)原子核外存在著2個(gè)未成對(duì)電子，第ⅤA族元素的基態(tài)原子核外存在著3個(gè)未成對(duì)的p電子，而第ⅡA和0族元素都不存在未成對(duì)電子。(2)副族和第Ⅷ族元素可通過(guò)核外電子排布式進(jìn)行判斷，其中特別要注意的是鉻和銅兩種元素，鉻的基態(tài)原子存在著6個(gè)未成對(duì)電子，而不是4個(gè)。銅的基態(tài)原子存在著1個(gè)未成對(duì)s電子而不是d電子。3．核外電子排布的特點(diǎn)原子核外電子按能量相近排布在不同的能層，各能層又按能量不同排布在不同的能級(jí)，每個(gè)能級(jí)中又分為能量相同的不同軌道，每個(gè)軌道中最多填充2個(gè)自旋狀態(tài)不同的電子，即在任何一個(gè)原子中找不到兩個(gè)完全相同的電子。1～36號(hào)元素核外電子排布的特殊性(1)最外層只有1個(gè)未成對(duì)電子的元素：第ⅠA族(ns1：H、Li、Na、K)，第ⅢA族(ns2np1：B、Al、Ga)，第ⅦA族(ns2np5：F、Cl、Br)，第ⅠB族[nd10(n＋1)s1：Cu]；最外層有2個(gè)未成對(duì)電子的元素：第ⅣA族(ns2np2：C、Si、Ge)，第ⅥA族(ns2np4：O、S、Se)；最外層有3個(gè)未成對(duì)電子的元素，第ⅤA族(ns2np3：N、P、As)。(2)核外電子排布中，未成對(duì)電子數(shù)最多的元素：Cr(3d54s1，共有6個(gè)未成對(duì)電子)?！纠?】已知X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42。X元素原子的4p軌道上有3個(gè)未成對(duì)電子，Y元素原子的最外層2p軌道上有2個(gè)未成對(duì)電子。X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成負(fù)一價(jià)離子。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)X元素原子基態(tài)時(shí)的電子排布式為_(kāi)_______，該元素的符號(hào)是________。(2)Y元素原子的最外層電子的軌道表示式為_(kāi)_______，該元素的名稱是________。(3)已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金屬鋅還原為XZ3，產(chǎn)物還有ZnSO4和H2O，該反應(yīng)的化學(xué)方程式是________?！咎崾尽渴炀殤?yīng)用未成對(duì)電子的一般規(guī)律和特殊性。【解析】(1)X元素原子的4p軌道上有3個(gè)未成對(duì)電子，則X是第四周期ⅤA族元素，其電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s24p3，即X為As。(2)Y元素原子的最外層2p軌道上有2個(gè)未成對(duì)電子，且As跟Y可形成化合物As2Y3，可推知Y為O；又因?yàn)閄、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42，可得Z為H。(3)X2Y3為As2O3，XZ3為AsH3，As2O3與稀硫酸和Zn反應(yīng)的化學(xué)方程式為As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O。【答案】(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3As(2)氧(3)As2O3＋6Zn＋6H2SO4=2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O(多選)人們常將在同一原子軌道上運(yùn)動(dòng)的，自旋方向相反的2個(gè)電子，稱為“電子對(duì)”；將在同一原子軌道上運(yùn)動(dòng)的單個(gè)電子，稱為“未成對(duì)電子”。以下有關(guān)主族元素原子的“未成對(duì)電子”的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是(BD)A．核外電子數(shù)為奇數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中一定含有“未成對(duì)電子”B．核外電子數(shù)為偶數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中一定不含“未成對(duì)電子”C．核外電子數(shù)為偶數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中可能含有“未成對(duì)電子”D．核外電子數(shù)為奇數(shù)的基態(tài)原子，其原子軌道中可能不含“未成對(duì)電子”解析：本題考查核外電子排布的軌道表示式。洪特規(guī)則指出電子在等價(jià)軌道上排布時(shí)，應(yīng)盡可能分占不同的軌道且自旋方向相同，這就會(huì)造成“未成對(duì)電子”。當(dāng)核外電子為奇數(shù)時(shí)，一定有“未成對(duì)電子”，故D錯(cuò)誤；當(dāng)核外電子為偶數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同情況，如8O：，有“未成對(duì)電子”；10Ne：，沒(méi)有“未成對(duì)電子”，故B錯(cuò)誤。1．下列敘述中，正確的是(C)A．在一個(gè)基態(tài)多電子的原子中，可以有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子B．在一個(gè)基態(tài)多電子的原子中，不可能有兩個(gè)能量完全相同的電子C．在一個(gè)基態(tài)多電子的原子中，M層上的電子能量肯定比L層上的電子能量高D．如果某一基態(tài)3p能級(jí)上僅有2個(gè)電子，它們自旋狀態(tài)必然相反解析：同一軌道上的兩個(gè)電子，能量相同、自旋狀態(tài)相反，即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不一樣，所以A、B錯(cuò)誤；C中因?yàn)镸層與L層沒(méi)有能級(jí)交錯(cuò)，所以M層能量一定大于L層；D中3p有3個(gè)軌道，按照洪特規(guī)則，應(yīng)占據(jù)其中2個(gè)，并且自旋狀態(tài)相同。2．下列說(shuō)法正確的是(D)A．因?yàn)閜軌道是“8”字形的，所以p電子是“8”字形B．能層數(shù)為3時(shí)，有3s、3p、3d、3f四個(gè)軌道C．氫原子中只有一個(gè)電子，故氫原子只有一個(gè)軌道D．原子軌道與電子云都是用來(lái)形象描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的解析：A項(xiàng)，p軌道是啞鈴形，是說(shuō)的電子出現(xiàn)概率高的“區(qū)域”的形狀。B項(xiàng)，能層數(shù)為3時(shí)，共有9條軌道。C項(xiàng)，氫原子中有一個(gè)電子，但軌道是人們規(guī)定的，可以是空軌道。3．若將15P原子的電子排布式寫成1s22s22p63s23peq\o\al(2,x)3peq\o\al(1,y)，它違背了(D)A．能量守恒原理 B．泡利不相容原理C．能量最低原理 D．洪特規(guī)則解析：洪特規(guī)則：當(dāng)電子排布在同一能級(jí)的不同軌道時(shí)，基態(tài)原子中的電子總是優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)一個(gè)軌道，而且自旋狀態(tài)相同。4．下列說(shuō)法正確的是(A)A．1s22s12p1表示的是激發(fā)態(tài)原子的核外電子排布B．3p2表示3p能級(jí)上有兩個(gè)軌道C．同一原子中，1s、2s、3s電子的能量逐漸降低D．同一原子中，2p、3p、4p能級(jí)中的軌道數(shù)依次增多解析：A項(xiàng)，1個(gè)2s電子被激發(fā)到2p能級(jí)上，表示的是激發(fā)態(tài)原子；B項(xiàng)，3p2表示3p能級(jí)上填充了2個(gè)電子；C項(xiàng)，同一原子中能層序數(shù)越大，能級(jí)能量也就越高，故1s、2s、3s電子的能量逐漸升高；D項(xiàng)，不同能層的相同能級(jí)，其軌道數(shù)是相等的。5．下列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)A.B.C.D.解析：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(jìn)行排布。A項(xiàng)中2s軌道沒(méi)有排滿電子就排在了2p軌道上，顯然能量不是最低的；B項(xiàng)中2p軌道上的電子排布不符合洪特規(guī)則，三個(gè)電子各占一個(gè)p軌道且自旋狀態(tài)相同時(shí)，能量最低；C項(xiàng)中2p3為半充滿狀態(tài)，能量最低；D項(xiàng)中2p軌道未排滿就排3s軌道，能量不是最低的。故正確答案為C。6．如圖是s能級(jí)和p能級(jí)的原子軌道圖，下列說(shuō)法正確的是(C)A．s能級(jí)和p能級(jí)的原子軌道形狀相同B．每個(gè)p能級(jí)都有6個(gè)原子軌道C．s能級(jí)的原子軌道的半徑與能層序數(shù)有關(guān)D．Na原子的電子在11個(gè)原子軌道上高速運(yùn)動(dòng)解析：s軌道為球形，p軌道為啞鈴形，A項(xiàng)錯(cuò)誤；每個(gè)p能級(jí)只有3個(gè)原子軌道，B項(xiàng)錯(cuò)誤；能層序數(shù)越小，s能級(jí)的原子軌道的半徑越小，C項(xiàng)正確；Na原子的電子在6個(gè)原子軌道上高速運(yùn)動(dòng)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。7．下列關(guān)于價(jià)電子構(gòu)型為3s23p4的粒子描述正確的是(B)A．它的元素符號(hào)為OB．它的核外電子排布式為1s22s22p63s23p4C．它可與H2生成液態(tài)化合物D．其電子排布圖為：解析：依據(jù)價(jià)電子構(gòu)型“3s23p4”，可寫出該原子的基態(tài)電子排布式為：1s22s22p63s23p4，應(yīng)為S。硫與H2化合生成的H2S是氣態(tài)化合物，依據(jù)洪特規(guī)則，其在3p上的4個(gè)電子應(yīng)這樣排布：。8．A、B