《原子結(jié)構(gòu)與元素周期表-第2課時(shí)》示范課教學(xué)設(shè)計(jì)【高中化學(xué)】

第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)與元素周期表第2課時(shí)教學(xué)目標(biāo)1.通過(guò)交流研討、練習(xí)鞏固等活動(dòng)，達(dá)成能根據(jù)基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則書(shū)寫(xiě)1~18號(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布的目標(biāo)。2.知道構(gòu)造原理，能根據(jù)構(gòu)造原理寫(xiě)出19~36號(hào)元素的基態(tài)原子的電子排布式與軌道表示式。3.能運(yùn)用能量最低原理解釋一些元素的基態(tài)原子的核電電子排布不遵循構(gòu)造原理的原因。教學(xué)重難點(diǎn)1~36號(hào)元素的基態(tài)原子的軌道表示式的書(shū)寫(xiě)。教學(xué)過(guò)程一、新課導(dǎo)入【講述】根據(jù)基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則，可以寫(xiě)出1~18號(hào)元素基態(tài)原子的電子排布式和軌道表達(dá)式講授新課1.構(gòu)造原理基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序如圖所示，它表示隨著原子序數(shù)的遞增，基態(tài)原子的“外層電子”按照箭頭的方向依次排布在各原子軌道上：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s……這一規(guī)律稱(chēng)為構(gòu)造原理?！局v解】值得指出的是，上圖只是給出了基態(tài)原子外層電子在原子軌道上排布的規(guī)律，即只有原子最外層電子在原子軌道上填充時(shí)才出現(xiàn)先填ns軌道再填(n-1)d軌道。構(gòu)造原理的運(yùn)用：【課堂練習(xí)】依照構(gòu)造原理，寫(xiě)出3、5、10、13、18號(hào)元素基態(tài)原子的電子排布式。原子序數(shù)元素符號(hào)排布式3Li1s22s15B1s22s22p110Ne1s22s22p613Al1s22s22p63s23p118Ar1s22s22p63s23p6【課堂練習(xí)】依照構(gòu)造原理，寫(xiě)出19、20、21、24、29號(hào)元素基態(tài)原子的電子排布式原子序數(shù)元素符號(hào)排布式19K1s22s22p63s23p64s120Ca1s22s22p63s23p64s221Sc1s22s22p63s23p63d14s224Cr1s22s22p63s23p63d54s129Cu1s22s22p63s23p63d104s1【思考討論】【提問(wèn)】（1）為什么K的電子排布式是1s22s22p63s23p64s1而非1s22s22p63s23p63d1【講解】按照構(gòu)造原理，電子是按照3p→4s→3d的的順序填充的，先填4d而非3d。能級(jí)交錯(cuò)：相鄰能層的部分能級(jí)的能量順序發(fā)生了顛倒，即Ens<E(n-1)d<Enp【提問(wèn)】（2）利用構(gòu)造原理證明原子最外層不超過(guò)8電子【講解】當(dāng)最外層是8電子時(shí)，此時(shí)已是ns2np6的排布。此時(shí)再增加一個(gè)電子，若電子排入(n-1)d能級(jí)，最外層電子數(shù)不變；若無(wú)(n-1)d能級(jí)，則電子填入(n+1)s能級(jí)，此時(shí)最外層變?yōu)?個(gè)電子，原先的最外層變?yōu)榇瓮鈱?。綜上，原子的最外層不超過(guò)8電子?！咎釂?wèn)】（3）為什么Cr的電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2？為什么Cu的電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2？【講解】這樣的排布源于光譜學(xué)事實(shí)，并不符合構(gòu)造原理。這也說(shuō)明構(gòu)造原理是被理想化的模型。在更長(zhǎng)周期的過(guò)渡元素中，仍有若干不滿足構(gòu)造原理的例子。構(gòu)造原理雖有特例，但運(yùn)用構(gòu)造原理仍能得到大量的符合光譜學(xué)事實(shí)的電子排布，對(duì)了解核外電子排布規(guī)律仍有重要意義。在Cr和Cu的電子排布中，4s軌道只填充了一個(gè)電子，其他電子都填入3d軌道，此時(shí)3d軌道恰好為半充滿（d5）和全充滿（d10）的狀態(tài)。研究表明，簡(jiǎn)并軌道中，電子排布為半充滿、全充滿或全空狀態(tài)是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況稱(chēng)為洪特規(guī)則的特例。因此，Cu和Cr看似不遵循構(gòu)造原理，但其遵循的能量最低的本質(zhì)未變?！咎釂?wèn)】（4）下面是幾種元素的基態(tài)原子的價(jià)電子排布：鈮Nb4d45s1釕Ru4d75s1銠Rh4d85s1鎢W5d46s2這些排布可以用構(gòu)造原理或洪特規(guī)則的特例來(lái)進(jìn)行解釋么？【講解】隨著原子核核電荷數(shù)和核外電子數(shù)目的增多，原子核與電子、電子與電子之間的相互作用更加復(fù)雜，基態(tài)原子的電子排布不符合構(gòu)造原理的情況更多，原因也更復(fù)雜。有些基態(tài)原子的價(jià)電子排布既不遵循構(gòu)造原理，也不能用洪特規(guī)則特例來(lái)解釋。但其本質(zhì)仍是整個(gè)原子能量最低?；鶓B(tài)原子失去電子的順序問(wèn)題引入：基態(tài)Fe原子的價(jià)電子軌道表示式如下圖所示Fe在表現(xiàn)還原性的過(guò)程中可能會(huì)失去2個(gè)電子或3個(gè)電子，變?yōu)镕e2+或Fe3+那失去的電子是哪個(gè)軌道上的電子？基態(tài)Fe2+或Fe3+的軌道表示式又怎樣表達(dá)呢？組織學(xué)生討論【提問(wèn)】（1）Fe變?yōu)镕e2+的過(guò)程中，失去的2個(gè)電子可能有幾種情況？【講解】點(diǎn)評(píng)：都是4s能級(jí)，可能是1個(gè)3d、1個(gè)4s，也可能是2個(gè)3d【提問(wèn)】（2）Fe失去2個(gè)電子變?yōu)镕e2+后，剩余的6個(gè)電子在軌道中可能有哪幾種排布？小組交流討論分享結(jié)果【講解】3.呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證據(jù)：實(shí)際測(cè)定結(jié)果【講解】經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，基態(tài)Fe2+的價(jià)電子排布實(shí)際為下面這種：即：Fe優(yōu)先失去4s上的兩個(gè)電子。類(lèi)似的，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，基態(tài)Fe3+的價(jià)電子排布為：即：Fe失去4s上的兩個(gè)電子和3d上的一個(gè)電子。4.對(duì)Fe的例子進(jìn)行歸納總結(jié)并推廣【講解】通過(guò)Fe的例子，我們可以得出如下結(jié)論：Fe的基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單陽(yáng)離子的時(shí)候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去4s電子，再失去3d電子?！局v解】通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律具有普遍性：基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單陽(yáng)離子的時(shí)候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去ns電子，再失去(n-1)d電子。5.基態(tài)原子失去電子順序總結(jié)【方法提煉】如何書(shū)寫(xiě)一個(gè)離子的電子排布式或軌道表示式？步驟一：依照構(gòu)造原理、洪特規(guī)則書(shū)寫(xiě)出基態(tài)原子的電子排布式或軌道表示式（注意Cr和Cu是洪特規(guī)則特例）步驟二：按照失去電子的數(shù)量由外層到內(nèi)層依次減去電子注意：在基態(tài)離子的簡(jiǎn)并軌道中，電子的排布仍遵循洪特規(guī)則【課堂練習(xí)】例.寫(xiě)出Cr、Cu、Zn基態(tài)原子的價(jià)電子軌道表示式，以及Cr3+、Cu2+、Zn2+離子的價(jià)電子軌道表示式。深度思考：【提問(wèn)】（1）書(shū)寫(xiě)基態(tài)離子的電子排布式和軌道表示式為什么不能直接使用構(gòu)造原理？首先，構(gòu)造原理的適用對(duì)象是原子。整個(gè)原子或離子的能量是由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個(gè)因素共同決定。離子中核電荷數(shù)與電子數(shù)不相等，此時(shí)核對(duì)電子的吸引和電子之間的排斥與電中性中的原子情況不同。對(duì)離子而言，這種未遵循構(gòu)造原理的排布才是能量最低的排布方式，符合能量最低原理?！咎釂?wèn)】（2）前面只討論了失去電子變?yōu)殛?yáng)離子的情況，你認(rèn)為基態(tài)原子得到電子變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子的情況是怎么樣的？得到的電子應(yīng)填在哪個(gè)軌道？基態(tài)原子得電子變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子的元素應(yīng)是非金屬元素，它們的價(jià)電子數(shù)一般≥4，變?yōu)楹?jiǎn)單陰離子后，形成了最外層8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的最外層電子排布為ns2np6。因此得到的電子一定是填入最外層的p軌道。在書(shū)寫(xiě)基態(tài)陰離子時(shí)，把原子中最外層3條p軌道填滿即可?！咎釂?wèn)】（3）先失去ns，再失去(n-1)d的順序，表明了d電子參與了化學(xué)反應(yīng)，因此這個(gè)順序是針對(duì)過(guò)渡元素適用的，如果是主族金屬元素，是怎樣的呢？主族金屬元素的價(jià)電子只有ns和np電子，與d電子無(wú)關(guān)。第IA和IIA族的元素，他們ns能級(jí)上只有1或2個(gè)電子，失去全部的ns后就變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如Na、Mg、K、Ca。故與d電子無(wú)關(guān)。IIIA族的Al，價(jià)電子排布為3s23p1，失去3個(gè)電子后變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。IIIA族的其他元素，如Ga，價(jià)電子排布為4s24p1，失去3個(gè)電子后變?yōu)樽钔鈱?8e-結(jié)構(gòu)（3s、3p、3d均全滿），也同樣穩(wěn)定?！咎釂?wèn)】（4）從Fe2+和Fe3+的價(jià)電子的軌道表示式分析，為何它易失去1個(gè)電子變?yōu)镕e3+？Fe2+失去一個(gè)電子變?yōu)镕e3+后，3d恰好為半充滿的狀態(tài)，此時(shí)能量低較穩(wěn)定，故Fe2+易表現(xiàn)出還原性?！咎釂?wèn)】（5）之前的學(xué)習(xí)中我們見(jiàn)過(guò)Cu可以失去2個(gè)電子變?yōu)镃u2+，從Cu的價(jià)電子的軌道表示式分析，它除了+2價(jià)，還容易形成幾價(jià)的陽(yáng)離子？Cu失去一個(gè)電子變?yōu)镃u+后，3d恰好為全充滿的狀態(tài)，此時(shí)能量低較穩(wěn)定，Cu也可形成+1價(jià)的Cu+，例如Cu2O，CuCl，CuI等。在有機(jī)化學(xué)中用新制Cu(OH)2鑒定醛基的反應(yīng)中，Cu(OH)2被還原為Cu2O三、課堂小結(jié)1.構(gòu)造原理：電子在填充時(shí)并非依次先填滿每個(gè)能層，而是按照構(gòu)造原理進(jìn)行填充。相鄰能層的部分能級(jí)的能量順序發(fā)生了顛倒，如4s<3d。原