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

第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)與元素周期表第2課時教學(xué)目標(biāo)1.通過交流研討、練習(xí)鞏固等活動，達(dá)成能根據(jù)基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則書寫1~18號元素基態(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)造原理寫出19~36號元素的基態(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號元素的基態(tài)原子的軌道表示式的書寫。教學(xué)過程一、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，可以寫出1~18號元素基態(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，寫出3、5、10、13、18號元素基態(tài)原子的電子排布式。原子序數(shù)元素符號排布式3Li1s22s15B1s22s22p110Ne1s22s22p613Al1s22s22p63s23p118Ar1s22s22p63s23p6【課堂練習(xí)】依照構(gòu)造原理，寫出19、20、21、24、29號元素基態(tài)原子的電子排布式原子序數(shù)元素符號排布式19K1s22s22p63s23p64s120Ca1s22s22p63s23p64s221Sc1s22s22p63s23p63d14s224Cr1s22s22p63s23p63d54s129Cu1s22s22p63s23p63d104s1【思考討論】【提問】（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。能級交錯：相鄰能層的部分能級的能量順序發(fā)生了顛倒，即Ens<E(n-1)d<Enp【提問】（2）利用構(gòu)造原理證明原子最外層不超過8電子【講解】當(dāng)最外層是8電子時，此時已是ns2np6的排布。此時再增加一個電子，若電子排入(n-1)d能級，最外層電子數(shù)不變；若無(n-1)d能級，則電子填入(n+1)s能級，此時最外層變?yōu)?個電子，原先的最外層變?yōu)榇瓮鈱?。綜上，原子的最外層不超過8電子?！咎釂枴浚?）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。這也說明構(gòu)造原理是被理想化的模型。在更長周期的過渡元素中，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軌道只填充了一個電子，其他電子都填入3d軌道，此時3d軌道恰好為半充滿（d5）和全充滿（d10）的狀態(tài)。研究表明，簡并軌道中，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?！咎釂枴浚?）下面是幾種元素的基態(tài)原子的價電子排布：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)則特例來解釋。但其本質(zhì)仍是整個原子能量最低。基態(tài)原子失去電子的順序問題引入：基態(tài)Fe原子的價電子軌道表示式如下圖所示Fe在表現(xiàn)還原性的過程中可能會失去2個電子或3個電子，變?yōu)镕e2+或Fe3+那失去的電子是哪個軌道上的電子？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】（1）Fe變?yōu)镕e2+的過程中，失去的2個電子可能有幾種情況？【講解】點(diǎn)評：都是4s能級，可能是1個3d、1個4s，也可能是2個3d【提問】（2）Fe失去2個電子變?yōu)镕e2+后，剩余的6個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)際測定結(jié)果【講解】經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，基態(tài)Fe2+的價電子排布實(shí)際為下面這種：即：Fe優(yōu)先失去4s上的兩個電子。類似的，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，基態(tài)Fe3+的價電子排布為：即：Fe失去4s上的兩個電子和3d上的一個電子。4.對Fe的例子進(jìn)行歸納總結(jié)并推廣【講解】通過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)化成簡單陽離子的時候，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】通過大量的實(shí)驗(yàn)測定，人們發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律具有普遍性：基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡單陽離子的時候，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】如何書寫一個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)則書寫出基態(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)離子的簡并軌道中，電子的排布仍遵循洪特規(guī)則【課堂練習(xí)】例.寫出Cr、Cu、Zn基態(tài)原子的價電子軌道表示式，以及Cr3+、Cu2+、Zn2+離子的價電子軌道表示式。深度思考：【提問】（1）書寫基態(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)造原理的適用對象是原子。整個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)三個因素共同決定。離子中核電荷數(shù)與電子數(shù)不相等，此時核對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?！咎釂枴浚?）前面只討論了失去電子變?yōu)殛栯x子的情況，你認(rèn)為基態(tài)原子得到電子變?yōu)楹唵侮庪x子的情況是怎么樣的？得到的電子應(yīng)填在哪個軌道？基態(tài)原子得電子變?yōu)楹唵侮庪x子的元素應(yīng)是非金屬元素，它們的價電子數(shù)一般≥4，變?yōu)楹唵侮庪x子后，形成了最外層8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對應(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。在書寫基態(tài)陰離子時，把原子中最外層3條p軌道填滿即可?！咎釂枴浚?）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)，因此這個順序是針對過渡元素適用的，如果是主族金屬元素，是怎樣的呢？主族金屬元素的價電子只有ns和np電子，與d電子無關(guān)。第IA和IIA族的元素，他們ns能級上只有1或2個電子，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電子無關(guān)。IIIA族的Al，價電子排布為3s23p1，失去3個電子后變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。IIIA族的其他元素，如Ga，價電子排布為4s24p1，失去3個電子后變?yōu)樽钔鈱?8e-結(jié)構(gòu)（3s、3p、3d均全滿），也同樣穩(wěn)定?！咎釂枴浚?）從Fe2+和Fe3+的價電子的軌道表示式分析，為何它易失去1個電子變?yōu)镕e3+？Fe2+失去一個電子變?yōu)镕e3+后，3d恰好為半充滿的狀態(tài)，此時能量低較穩(wěn)定，故Fe2+易表現(xiàn)出還原性?！咎釂枴浚?）之前的學(xué)習(xí)中我們見過Cu可以失去2個電子變?yōu)镃u2+，從Cu的價電子的軌道表示式分析，它除了+2價，還容易形成幾價的陽離子？Cu失去一個電子變?yōu)镃u+后，3d恰好為全充滿的狀態(tài)，此時能量低較穩(wěn)定，Cu也可形成+1價的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：電子在填充時并非依次先填滿每個能層，而是按照構(gòu)造原理進(jìn)行填充。相鄰能層的部分能級的能量順序發(fā)生了顛倒，如4s<3d。原