2021-2022学年高二化学人教版（2019）选择性必修2第一章原子结构与性质第一节原子结构（共3课时）课件（58张ppt）

(共58张PPT)
第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
第1课时 能层与能级 基态与激发态
19世纪初
道尔顿
近代原子学说
1913年
玻尔
氢原子模型
1920年
玻尔
构造原理
1869年
门捷列夫
元素周期律
马德龙
完整的构造原理
1936年
即从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入原子核外“壳层”的顺序，由此开启了用原子结构解释元素周期律的篇章。
5年后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释。
以原子光谱为事实依据
人类认识原子的过程
人类在认识自然的过程中，经历了无数的艰辛，正是因为有了无数的探索者，才使人类对事物的认识一步步地走向深入，也越来越接近事物的本质。随着现代科学技术的发展，我们现在所学习的科学理论，还会随着人类对客观事物的认识而不断地深入和发展。
原子是由原子核和核外电子组成
核外电子是分层排布的;
离核越远的电子,能量越高。
旧知回顾
能层与能级
1、能层
(2)电子的能层由内向外排序，其序号、符号以及能容纳的最多电子数
电子层数 一 二 三 四 五 六 七
符号 K L M N O P Q
每层最多容纳电子数 2 8 18 32 50 72 98
(1)含义：多电子原子核外电子的能量是不同的，核外电子按能量不同分
成能层。
(3)能量规律：
原子核外电子总是可能先排布在能量较低的电子层上，然后由内向外依次排布在能量逐渐升高的电子层。
能层越高，电子的能量越高，能量的高低顺序为
E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)
(4) 数量规律：
每层容纳的电子数不超过2n2
最外层电子数不超过8(K层为最外层时，电子数不超过2)
次外层电子数不超过18
倒数第三层电子数不超过32
能层与能级
2、能级
(1)在多电子原子中，同一能层的电子，还被分成不同能级。
(2)能级的符号和所能容纳的最多电子数
能层 K L M N O
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p …
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 …
能层与能级
3、能层与能级的组成以及能量的关系
(1)任一能层的能级总是从s能级开始，能级数=能层序数，即第一能层只有1个能级（1s），第二能层有2个能级（2s和2p），第三能层有3个能级（3s、3p和3d），依次类推。
(2)在每一个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf......(n为能层序数)。
能层与能级
(3)能级的字母代号总是s、p、d、f....排序的，字母前的数字是它们所处的能层序数，它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1、3、5、7....的2倍。
(4)英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s......能级最多都只能容纳2个电子。
(5)能层或能级的能量关系。
能层与能级
思考与交流
1.一个能层的能级数与能层序数(n)间存在什么关系？一个能层最多可容纳的电子数与能层序数(n)间存在什么关系
能层的能级数等于该能层序数。
一个能层最多可容纳的电子数为2n2个。
2.以s、p、d、f为符号的能级分别最多可容纳多少个电子 ？3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数是否相同？
3.第五能层最多可容纳多少个电子？它们分别容纳在几个能级中？各能级最多容纳多少个电子？
以s、p、d、f为符号的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7的二倍!
3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数相同。
第五能层最多可容纳50个电子；5个能级；
各能级最多容纳电子数分别为2,6,10,14,18个。
1. 已知n为能层序数,下列有关认识正确的是(　　)
A.各能层含有的电子数为2n2
B.各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束
C.各能层含有的能级数为n-1
D.各能级最多容纳的电子数按s、p、d、f的顺序依次为1、3、5、7的2倍
练习
D
基态与激发态 原子光谱
处于最低能量状态的原子叫基态原子
当基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高的能级，变成激发态原子。
基态原子
激发态原子
吸收能量
释放能量
1.基态原子
基态原子稳定。
2.激发态原子
光（辐射）是电子跃迁释放能量的重要形式之一
如：焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED灯光等
特别提醒
电子的跃迁是物理变化（未发生电子转移），而原子得失电子时发生的是化学变化。
不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱，总称为原子光谱。
3.原子光谱
E0
E1
E2
E3
En
激发态能级
基态能级
吸收光谱
发射光谱
基态与激发态 原子光谱
原子光谱的产生
基态
K
L
M
N
激发态
K
L
M
N
能量
能量
K
L
M
N
光
K
L
M
N
不稳定
吸收能量
电子跃迁
释放能量
锂、氦、汞的发射光谱
锂、氦、汞的吸收光谱
特征:暗背景,
亮线,
线状不连续
特征:亮背景,
暗线,
线状不连续
吸收光谱
发射光谱
在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
4.光谱分析
如：铯（1860年）和铷（1861年），其光谱中有特征的蓝光和红光。
又如：1868年科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦。
用光谱仪测定氢气放电管发射的氢的发射光谱
5、原子光谱的应用
He 氦
（1）发现新元素
（2）检验元素
金属原子中,核外电子按一定轨道顺序排列,轨道离核越远,能量越高。灼(燃)烧时,电子获得能量,能量较低的电子发生跃迁,从基态变为激发态。随即电子又从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态,便以光(辐射)的形式释放能量,形成不同的焰色。
烟火
（3）生产生活
霓虹灯
本节小结
能级
基态与激发态
原子光谱
构 造原理
第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
第2，3课时　构造原理与电子排布式
电子云与原子轨道
构造原理与电子排布式
1.构造原理——核外电子的填充规律
以光谱学事实为基础,从氢开始,随核电荷数递增,新增电子填入能级的顺序称为构造原理。如下图所示:
(1)内容：
每一行对应一个能层
每一小圈对应一个能级
各圆圈件间连接线的方向表示随核电荷数递增而增加的电子填入能级的顺序
Q
P
O
N
M
L
K
构造原理中的能级顺序,其实质是各能级能量由低到高的顺序。绝大多数原子核外电子的填充顺序符合构造原理中的能级顺序。
(2)构造原理示意图：
构造原理与电子排布式
构造原理规律： 1s；2s 2p；3s 3p；4s 3d 4p；5s 4d 5p; 6s 4f 5d 6p；7s 5f 6d
构造原理规律： ns (n-2)f (n-1)d np
构造原理与电子排布式
Q
P
O
N
M
L
K
构造原理告诉我们，随核电荷数递增,电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层,如电子是按3p→4s→3d的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充的,这种现象被称为能级交错。
能级交错及其原因
①定义 能级交错是指电子层数较大的某些轨道的能量反而低于电子层数较少的某些轨道能量的现象。从第4电子层开始出现此现象。
如：E4s源于光谱学事实
构造原理呈现的能级交错源于光谱学事实,即钾和钙的光谱证实它们的最外层电子是4s1和4s2,是经验的,而不是任何理论推导的结果。构造原理是一个思维模型,是个假想过程。
②原因:在原子中，除了电子与原子核之间存在相互作用外，电子与电子之间还存在相互排斥作用，这就造成了能级交错现象。
能级交错及其原因
构造原理中排布顺序的实质
——各能级的能量高低顺序
(1)相同能层的不同能级的能量高低顺序 ：
(2)英文字母相同的不同能级的能量高低顺序：
(3) 不同层不同能级可由下面的公式得出:
ns＜np＜nd＜nf
1s＜2s＜3s＜4s；2p＜3p＜4p; 3d＜4d
ns＜(n-2)f＜(n-1)d＜np (n为能层序数)
核外电子排布的几种表示方法
1.电子排布式
①定义：
电子排布式是用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。
②表示方法：
如从氢到碳的基态原子电子排布式如下:
1s1→1s2→1s22s1→1s22s2→1s22s22p1→1s22s22p2
氢　 氦　　锂　　 铍　　　硼　　　 碳
按照构造原理,元素的核电荷数每递增一个,同时增加一个核电荷和一个核外电子,就得到一个基态原子的电子排布。电子填满了一个能级,开始填入下一个能级,由此构建了元素周期系中各元素的基态原子的电子排布。
再如氮、氧、钠、氯的电子排布式分别为
在书写电子排布式时，能层低的能级要写在左边，不能按填充顺序写。
充入电子时按构造原理，而书写时按能层次序！
Fe：
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2
1s22s22p3
能级交错
1s22s22p63s23p5
1s22s22p4
1s22s22p63s1
1-36号元素基态原子的电子排布式
原子序数 元素名称 元素符号 电子排布式
K L M N O
1 氢 H 1s1
2 氦 He 1s2
3 锂 Li 1s2 2s1
4 铍 Be 1s2 2s2
5 硼 B 1s2 2s22p1
6 碳 C 1s2 2s22p2
7 氮 N 1s2 2s22p3
8 氧 O 1s2 2s22p4
原子序数 元素名称 元素符号 电子排布式
K L M N O
9 氟 F 1s2 2s22p5
10 氖 Ne 1s2 2s22p6
11 钠 Na 1s2 2s22p6 3s1
12 镁 Mg 1s2 2s22p6 3s2
13 铝 Al 1s2 2s22p6 3s23p1
14 硅 Si 1s2 2s22p6 3s23p2
15 磷 P 1s2 2s22p6 3s23p3
16 硫 S 1s2 2s22p6 3s23p4
原子序数 元素名称 元素符号 电子排布式
K L M N
17 氯 Cl
18 氩 Ar
19 钾 K
20 钙 Ca
21 钪 Sc
22 钛 Ti
4s1
4s2
4s2
3d1
1s2 2s22p6 3s23p5
1s2 2s22p6 3s23p6
1s2 2s22p6 3s23p6
1s2 2s22p6 3s23p6
1s2 2s22p6 3s23p6
1s2 2s22p6 3s23p6
3d2 4s2
能级交错现象
原子序数 元素名称 元素符号 电子排布式
K L M N
23 钒 V
24 铬 Cr
25 锰 Mn
26 铁 Fe
27 钴 Co
28 镍 Ni
29 铜 Cu
30 锌 Zn
1s2 2s22p6 3s23p6
3d3 4s2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d4 4s2
×
3d5 4s1
1s2 2s22p6 3s23p6
3d5 4s2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d6 4s2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d7 4s2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d8 4s2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d9 4s2
×
3d10 4s1
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
不符合构造原理
构造原理是被理想化的
原子序数 元素名称 元素符号 电子排布式
K L M N
31 镓 Ga
32 锗 Ge
33 砷 As
34 硒 Se
35 溴 Br
36 氩 Ar
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p1
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p2
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p3
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p4
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p5
1s2 2s22p6 3s23p6
3d10 4s2
4p6
1.“三步法”书写电子排布式
构造原理是书写基态原子电子排布式的依据。
第一步：按照构造原理写出电子填入能级的顺序，1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s……
第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子。
第三步：去掉空能级，并按照能层顺序排列即可得到电子排布式。
总结：电子排布式书写
2．特殊原子的核外电子排布式
当p、d、f能级处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。
(1)24Cr的电子排布式的书写
半充满
总结：电子排布式书写
(2)29Cu的电子排布式的书写
全充满
2.简化电子排布式
①定义：为了避免电子排布式过于烦琐,将原子中已经达到稀有气体元素原子结构的部分，用相应的稀有气体元素符号外加方括号表示的式子称为简化电子排布式。
②表示方法：
7N：
[He]2s22p3
1s2 2s22p3
11Na：
1s2 2s22p6 3s1
[Ne]3s1
20Ca：
1s2 2s22p6 3s23p6 4s2
[Ar]4s2
钾的简化电子排布式：___________，
铁的简化电子排布式：____________。
[Ar]4s1
[Ar]3d64s2
③特例：Cr：[Ar]3d54s1
Cu：[Ar]3d104s1
核外电子排布的几种表示方法
3.价层电子排布式
①价电子层的定义：为突出化合价与电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。也叫外围电子层排布。
②价电子的位置：
ⅰ对于主族元素和零族元素来说，价电子就是最外层电子
表示方法：nsx或nsxnpy
例如：Cl的价层电子排布式为3s23p5
ⅱ对于副族和第VIII族元素来说，价电子除最外层电子外，还可能包括次外层电子
表示方法：(n-1)dxnsy 或 ndx (钯4d10) 或 (n-2)fx(n-1)dynsz或(n-2)fxnsy
例如：Cr的价层电子排布式为3d54s1
通常,元素周期表只给出价层电子排布。
核外电子排布的几种表示方法
查看元素周期表找出Na、Al、Fe、Mn、Br、Kr价层电子排布式
11Na：3s1
13Al：3s2 3p1
25Mn：3d5 4s2
35Br：4s24p5
26Fe：3d64s2
36Kr：4s24p6
①价电子不一定是最外层电子,只有主族元素的价电子才是最外层电子。对于过渡元素还包括部分内层电子。
②元素的价电子数不一定等于其所在族的族序数,这只对主族元素成立,对部分过渡元素是不成立的。
③同一族元素的价电子排布不一定相同,如过渡元素中的镧系元素和锕系元素就不相同,在第Ⅷ族中部分元素的价电子排布也不相同。
要求熟练书写1～36号元素原子的电子排布式
4.离子的电子排布式书写
基态原子转化为相应离子时的一般规律：原子失去电子时总是先失去最外层电子，然后失去次外层电子，之后是倒数第三层电子……对于主族元素的原子来说，一般只失去或得到最外层电子
例如：O2-的电子排布式
O原子的电子排布式为1s22s22p4,再得2个电子
故：O2-的电子排布式为1s22s22p6。
而过渡元素的原子可能还会进一步失去内层电子；原子得到电子时，一般总是填充到最外能层未填满的能级上。
例如：Fe位于第四周期第Ⅷ族，其原子的核外电子排布式为[Ar]3d64s2，Fe2＋的核外电子排布式为[Ar]3d6 Fe3＋的核外电子排布式为[Ar]3d5
核外电子排布的几种表示方法
【练习】请写出K+、S2-、 29Cu2+ 离子的电子排布式？
K+ ：1s22s22p63s23p6
S2- ：1s22s22p63s23p6
Cu2+ ：1s22s22p63s23p63d9
例： 下列各离子或原子的电子排布式错误的是(　　)
A.Ca2+:1s22s22p63s23p6 B.O2-:1s22s22p4
C.K:1s22s22p63s23p64s1 D.Fe3+:1s22s22p63s23p63d5
B　　　
例：构造原理揭示的电子排布能级顺序,实质是各能级能量高低。若以E(nl)表示某能级的能量,以下各式中正确的是(　　)
A.E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)
B.E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)
C.E(4s)D.E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d)
B　
一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运行，而在核外空间各处都有可能出现，但出现的概率不同
思考
原子核外电子的运动状态是怎么样的呢？
量子力学
1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行，然而到了1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。
电子云与原子轨道
电子云
(1)概率密度
用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则 称为概率密度，用ρ表示。
(2)电子云
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云
电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率分布的形象化描述。
(3)电子云轮廓图
将电子在原子核外空间出现的概率P＝90%的空间圈出来
py
电子云图很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图
绘制电子云的轮廓图的目的是表示电子云轮廓的形状对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述
①所有原子的任一能层 的s电子的电子云轮廓图都是一个球形 只是球的半径不同
同一原子的能层越高，s电子云半径越大
原因：由于电子能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率增大，电子云越来越向更大的空间扩展
②除s电子云外，其他电子云都不是球形的。
例如 p电子云轮廓图呈哑铃状。
p能级有三个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示，同一能层中px、py、pz的能量相同。
P能级的3个原子轨道P x,Py,PZ合在一起的情形.
原子轨道
量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道
ns能级各有 个轨道，np能级各有 个轨道，
nd能级各有 个轨道，nf能级各有 个轨道。
1
5
7
3
不同能层的能级、原子轨道及电子云轮廓图
能层 能级 原子轨道数 原子轨道名称 电子云轮廓图的性质与取向
形状 取向
K 1s 1 1s 球形
L 2s 1 2s 球形
2p 3 2px、2py、2pz 哑铃形 相互垂直
M 3s 1 3s 球形
3p 3 3px、3py、3pz 哑铃形 相互垂直
3d 5 …… …… ……
N 4s 1 4s 球形
4p 3 4px、4py、4pz 哑铃形 相互垂直
4d 5 …… …… ……
4f 7 …… …… ……
…… …… …… …… …… ……
能层数 K L M N O P Q n
能级数 1 2 3 4 5 6 7
轨道数 1 4 9 16 25 36 49
n
n2
总结：电子云与原子轨道
2.不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同 。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。
3.s能级只有1个原子轨道。p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同。
4.原子轨道数与能层序数(n)的关系是原子轨道为n2个。
1.s原子轨道是球形的，p原子轨道是哑铃形的
图1和图2分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是(　　)
A.图1中的每个小黑点表示1个电子
B.图2表示1s电子只能在球体内出现
C.图2表明1s轨道呈圆形,有无数对称轴
D.图1中小黑点的疏密表示某一时刻电子在核外出现概率的大小
D
下列说法正确的是(　　)
A.因为p轨道是“8”字形,所以p电子是“8”字形
B.能层数为3时,有3s、3p、3d 9个轨道
C.氢原子中只有1个电子,故氢原子核外只有1个轨道
D.电子云图即是电子云轮廓图,都是用来形象描述电子运动状态的
B