資源簡介

1.1 第2課時　量子力學對原子核外電子運動狀態的描述
【學習目標】
1.理解電子層、能級、原子軌道的含義。
2.認識核外電子的運動特點。知道電子的運動狀態(空間分布及能量)可通過原子軌道和電子云模型來描述。建立認知模型,培養證據推理與模型認知的核心素養。
【自主預習】
1.原子軌道
(1)原子核外電子運動狀態的描述
電子層(n) 電子層用來描述電子離核的遠近,取值為正整數　　　　　,對應符號為　　　　　　等。n越大,電子離核的平均距離越遠、能量越高
能級 能級表示某電子層中不同能量的電子的運動狀態。對于確定的n值,含有n個能級,分別用符號　　　　等表示。處于同一能級的電子能量　　　　
原子 軌道 原子軌道用來描述單個電子的空間運動狀態,第n電子層中所含原子軌道的數目為n2
自旋運 動狀態 處于同一原子軌道上的電子自旋運動狀態只有兩種,分別用符號“　　　　”和“　　　　”標記
(2)n值所對應的能級和原子軌道的情況
量子數n 符號 能級種類 原子軌道 原子軌道數
n=1 K s 1s 1
n=2 L s 2s 1
p 2p 3
n=3 M s 3s 1
p 3p 3
d 3d 5
n=4 N s 4s 1
p 4p 3
d 4d 5
f 4f 7
…… …… …… …… ……
【微點撥】
(1)在相同能層各能級能量由低到高的順序是ns(2)不同能層中同一能級,能層數越大,能量越高。例如:1s<2s<3s<4s……
2.原子軌道的圖形描述
對象 描述原子中單個電子的　　　　　
方法 在　　　　　　中表示
意義 表示原子軌道的　　　
空間分布 s軌道呈　　　　　　　,p軌道呈啞鈴形,　　　　　　　　　　　　對稱
3.電子云
用單位體積內小點的疏密程度來表示電子在原子核外單位體積內出現　　　　的大小。
【參考答案】1.1、2、3、4、5、6、…　K、L、M、N、O、P　s、p、d、f
相同　↑　↓
2.空間運動狀態　直角坐標系　空間分布　球形　分別相對于x、y、z軸
3.概率
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)原子核外電子按能量不同分為不同的電子層,同一電子層又按能量不同分為不同的能級。 (　　)
(2)各能級(s、p、d、f……)上所能容納的電子數依次為1、3、5、7…的2倍。 (　　)
(3)能層離核越近能量越低。 (　　)
(4)同一能層的電子能量一定相同。 (　　)
(5)同一原子中,同一能層同一能級的電子能量一定相同。 (　　)
(6)電子云表示電子在核外單位體積內出現的概率大小,小點代表真實的電子。 (　　)
(7)1s電子云輪廓圖是一個球形,表示在這個球形以外,電子出現的概率為零。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×
2.每個電子層上的能級數目與電子層序數n有什么關系 是不是每個電子層上都有s、p、d、f能級
【答案】電子層上的能級數目=電子層序數n,因此并不是所有的電子層都有s、p、d、f能級。
3.總結每個電子層(n表示)最多容納的電子數是多少
【答案】K層有1個軌道,每個軌道最多容納2個電子,所以K層最多容納2個電子;L層有4個軌道,最多容納8個電子;同理,M層最多容納18個電子;N層最多容納32個電子,以此類推,每層最多容納的電子數為2n2。
4.在同一電子層的同一能級上運動的電子,其運動狀態相同嗎
【答案】不相同。同一能級上運動的電子所處的軌道不一定相同,即使是同一原子軌道,電子的自旋運動狀態有2種,運動狀態也不同,故同一原子的各電子的運動狀態都不同。
【合作探究】
任務1：電子層(也稱為能層)、能級、原子軌道
情境導入　冰墩墩是2022年北京冬季奧運會的吉祥物。將熊貓形象與富有超能量的冰晶外殼相結合,頭部外殼造型取自冰雪運動頭盔,裝飾彩色光環,整體形象酷似航天員。“冰”象征純潔、堅強,是冬奧會的特點。“墩墩”意喻敦厚、敦實、可愛,契合熊貓的整體形象,象征著冬奧會運動員強壯有力的身體、堅韌不拔的意志和鼓舞人心的奧林匹克精神。冰的主要成分是凝固的水(H2O)。
問題生成
1.畫出H2O中氧原子的結構示意圖。
【答案】。
2.基態氧原子核外共有多少個能層 用符號如何表示
【答案】2;K、L。
3.能層和電子層有什么關系 第二能層上的能級符號如何表示 O原子的核外電子每一能層最多容納的電子數是多少
【答案】能層相當于必修教材中所述的電子層; 2s、2p;2、8。
4.請對O原子 1s、2s、2p能級能量高低進行排序。
【答案】E(1s)5.如何判斷一個原子核外電子所占能層和能級
【答案】先畫出原子結構示意圖,電子層就是能層。例如,鈉原子的結構示意圖為,鈉原子核外電子占據K、L、M三個能層,K層只有1s能級,L層有2s、2p能級,M層有3s能級。
6.決定電子能量高低的因素有哪些
【答案】決定電子能量高低的因素有:①能層,能級符號相同時,能層數越高,電子能量越高;②能級,在同一能層的不同能級中,s、p、d、f能級能量依次升高;③在同一能層的相同能級中電子的能量相同。
【核心歸納】
1.電子層、能級、原子軌道之間的關系
電子層 數n 符號 能級 原子軌道
能級數目 能級種類 原子軌道符號 原子軌道數 原子軌道總數
n=1 K 1 s 1s 1 1
n=2 L 2 s 2s 1 4
p 2p 3
n=3 M 3 s 3s 1 9
p 3p 3
d 3d 5
…… …… …… …… …… …… ……
n n n2
特別提醒：1.一個原子軌道上最多容納2個電子,且運動狀態不同。
2.任一電子層的能級總是從s能級開始,而且能級數=電子層數。
3.每個電子層(n)中,原子軌道總數為n2個,核外電子的運動狀態共有2n2種。
2.不同原子軌道能量大小關系
(1)相同電子層不同能級的原子軌道能量:ns(2)不同電子層中同一能級的原子軌道能量:1s<2s<3s<4s,2p<3p<4p。
(3)相同電子層和相同能級的各原子軌道能量相等,如:2px=2py=2pz。
特別提醒：1.原子核外電子的能量取決于電子層和能級。
2.一般離核越近的電子具有的能量越低。
【典型例題】
【例1】下列電子層中,包含f能級的是(　　)。
A.K電子層　　　　　　　 B.L電子層
C.M電子層 D.N電子層
【答案】D
【解析】K電子層只含有1s能級;L電子層含有2s、2p能級;M電子層含有3s、3p、3d能級;N電子層含有4s、4p、4d、4f能級。
【例2】下列多電子原子不同能級能量高低的比較錯誤的是(　　)。
A.1s<2s<3s B.2p<3p<4p
C.3s<3p<3d D.4s>3d>3p
【答案】D
【解析】原子中不同能級電子能量從小到大的順序是1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f…,A、B、C三項正確,D項錯誤。
任務2：原子軌道的圖形描述及電子云
情境導入　
宏觀物體與微觀粒子的運動狀態對比:
宏觀物體 微觀粒子
質量 很大 很小
速度 較小 很大(接近光速)
位移 可測 位置、動量不可同時測定
能量 可測
軌跡 可描述(畫圖或函數描述) 不可確定
問題生成
1.原子核外電子的運動是否遵循宏觀物體所具有的運動規律
【答案】不遵循。
2.從量子力學角度分析核外電子運動有什么特點。
【答案】量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態稱為一個原子軌道,ns、np、nd、nf能級分別有1、3、5、7個原子軌道。每個p能級有3個相互垂直的原子軌道,分別標記為npx、npy、npz,同一能級中的原子軌道能量相同。
3.電子云圖中的小點的含義是什么 小點的密度表示什么
【答案】小點是電子在原子核外出現的概率密度的形象描述。小點密度越大,表明概率密度越大。
4.電子在原子核外出現的概率有什么規律
【答案】離核越近,電子出現的概率越大,電子云越密集。如2s電子云比1s電子云疏散。
5.不同能層的同種能級的原子軌道形狀是否完全相同
【答案】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)【核心歸納】
1.電子云
(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概率的大小。
(2)離核越近,電子出現的概率越大,電子云越密集。如1s電子云比2s電子云更密集。
(3)s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)不同電子層的同種能級的原子軌道形狀相似,只是半徑不同。電子層序數n越大,原子軌道的半徑越大。
(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。
(3)原子軌道數與電子層序數(n)的關系是原子軌道數為n2。
3.s能級和p能級的原子軌道的對比
能級 s p
軌道圖形
軌道形狀 球形 啞鈴形
軌道數目 1 3(空間相互垂直)
最多容納電子數 2 6
相同點 ①均以原子核為對稱中心 ②原子軌道的平均半徑分別隨能層數增大而增大,且同種能級符號的原子軌道形狀相似
4.不同能層的能級、原子軌道及電子云輪廓圖
能層 能級 原子 軌道數 原子軌道名稱 電子云輪廓圖的形狀和取向
形狀 取向
K 1s 1 1s 球形 —
L 2s 1 2s 球形 —
2p 3 2px、2py、2pz 啞鈴形 相互垂直
M 3s 1 3s 球形 —
3p 3 3px、3py、3pz 啞鈴形 相互垂直
3d 5 …… …… ……
N 4s 1 4s 球形 —
4p 3 4px、4py、4pz 啞鈴形 相互垂直
4d 5 …… …… ……
4f 7 …… …… ……
…… …… …… …… …… ……
注:①d軌道和f軌道各有其名稱、形狀和取向,本書不作要求。
【典型例題】
【例3】下列說法正確的是(　　)。
A.2s電子云呈球形,表示電子繞原子核做圓周運動
B.電子云圖中的小黑點密度大,說明該原子核外空間電子數目多
C.ns能級的電子云輪廓圖可表示為
D.3d3表示3d能級有3個軌道
【答案】C
【解析】電子云表示電子在核外空間某處出現的概率,不代表電子的運動軌跡,A項錯誤;小黑點的疏密表示電子出現概率的大小,密則概率大,疏則概率小,B項錯誤;s軌道為球形,則ns能級的電子云輪廓圖可表示為,C項正確;3d3表示3d能級上有3個電子,D項錯誤。
【隨堂檢測】
1.圖a和b分別是1s電子的電子云圖和原子軌道圖。下列有關認識正確的是(　　)。
A.a中的每個小黑點表示1個電子
B.b表示1s電子只能在球體內出現
C.b表明1s軌道呈圓形,有無數對稱軸
D.a中的小黑點表示某一時刻,電子在核外所處的位置
【答案】D
【解析】電子云圖中的一個小黑點只表示電子曾經在此出現過,A項錯誤;圖b所示電子在該區域出現的概率大,在此之外也能出現,不過概率很小,B項錯誤;1s軌道在空間呈球形而不是圓形,C項錯誤。
2.下列說法正確的是(　　)。
A.s軌道呈球形,p軌道呈橢圓形
B.科學家們采用統計的方法來確定電子在原子核外某一區域出現的概率
C.電子云中單位體積內小點的疏密程度表示電子的多少
D.s原子軌道在空間的分布分別沿x、y、z軸方向
【答案】B
【解析】s軌道呈球形,p軌道呈啞鈴形,A項錯誤;電子云中單位體積內小點的疏密程度表示電子在原子核外單位體積內出現概率的大小,C項錯誤;p原子軌道在空間的分布分別沿x、y、z方向,D項錯誤。
3.下列有關核外電子運動狀態的說法正確的是(　　)。
A.電子自旋就是電子圍繞軸“自轉”
B.原子軌道可用來描述核外電子的運動狀態
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動,自旋不是“自轉”;原子軌道可用來描述原子中單個電子的空間運動狀態,它只能描述核外電子高頻出現的“區域”,而不是核外電子的運動軌跡;第二電子層有四個軌道,分別為2s、2px、2py、2pz。綜合上述分析,可知B項正確。
4.根據所學知識,回答下列問題:
(1)K層有　　　　個能級,用符號表示為　　　　;L層有　　　　個能級,用符號分別表示為　　　　;M層有　　　　個能級,用符號分別表示為　　　　。由此可推知第n電子層有　　　　個能級。每個電子層中一定含有的能級符號為　　　　,其對應的原子軌道電子云形狀為　　　　。
(2)基態鈣原子電子占據的能量最高電子層符號是　　　　,其核外共有　　　　種運動狀態不同的電子。
(3)比較下列多電子的原子軌道的能量高低(填“>”、“<”或“=”)。
2s　　　　3s,2s　　　　3d,2px　　　　2py,4f　　　　6f。
【答案】(1)1　1s　2　2s、2p　3　3s、3p、3d　n　s　球形　(2)N　20　(3)<　<　=　<
【解析】(1)第n個電子層有n個能級;每個電子層中都含有s能級,s能級對應的原子軌道電子云形狀為球形。(2)一個原子中,不存在運動狀態完全相同的兩個電子。(3)相同電子層上原子軌道能量由低到高的順序是ns2

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