人教版选修二 1.1.3 电子云和原子轨道，泡利原理、洪特规则、能量最低原理 课件（23张）
文档属性
| 名称 | 人教版选修二 1.1.3 电子云和原子轨道，泡利原理、洪特规则、能量最低原理 课件（23张） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 8.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-01-20 18:13:02 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
第一节 原子结构
第三课时 电子云和原子轨道，泡利原理、洪特规则、能量最低原理
第一章 原子结构与性质
1.知道电子的运动状态(空间分布及能量)，可通过电子云模型和原子轨道来描述。
2. 认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等。
观察与思考
1913年，玻尔提出了氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行（右上视频）。
原子核外电子运动状态是怎样的呢？请仔细观察右图，思考电子的运动状态。
1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。指出一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布——电子云（右下视频）。
四、什么电子云和原子轨道
（一）什么是电子云
1.什么是概率密度ρ ？
(1)概率密度：表示电子在某处出现的概率P与该处体积V的比值（即某处单位体积内电子出现的概率）
ρ＝
P
V
(2)概率密度形象描述：率密度分布图
(3)率密度分布图中小点代表什么含义？
小点不是电子本身，是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点越密，表明概率密度越大（电子出现的几率越大）。
图1-7 氢原子1s电子在原子核外出现的概率密度分布图
科学家使用量子显微镜拍摄到的第一张氢原子,电子云清晰
美造出最高分辨率显微镜 可见单个氢原子
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。
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密度分布的形象化描述。
电子云图很形象直观，但是很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图
图1－8电子云轮廓图的绘制过程
P＝90%的空间圈出来
(1)由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象的称作“电子云”。
2.什么是电子云 ？
(2)什么是原子云轮廓图？
图1－9同一原子的s电子的电云轮廓图
①不同能级s电子的电子云形状一致，均为球形。能层越高，s电子的电子云半径越大。
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。
图1-10 2py电子云
②除s电子云外，其他电子云都不是球形的。 例如 p电子的原子轨道呈哑铃状。
③不论哪个能层的p能级都有三个原子轨道，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。
图1-11 2px、2py 、2pz电子云轮廓图
（二）什么是原子轨道
1.概念：
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。
因此，常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向，即电子去轮廓图可以看作为原子轨道。
S轨道
Px轨道
Py轨道
Pz轨道
球形
哑铃形
能层 能级 原子 轨道数 原子轨道符号 原子轨道的形状和取向 形状 取向
K 1s
L 2s
2p
M 3s
3p
3d
N 4s
4p
4d
4f
表1-2 不同能层的能级、原子轨道
1357
1
1
3
1
3
5
1s
2s
2px、2py、2pz
3s
3px、3py、3pz
4s
4px、4py、4pz
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球形
哑铃形
相互垂直
球形
球形
哑铃形
······
球形
哑铃形
相互垂直
相互垂直
······
······
······
······
五、什么是泡利原理、洪特规则、能量最低原理
(一)电子自旋和泡利原理
根据已学的知识，填写下表：
能级 s p d f
原子轨道数
单轨道容纳电子数
最多可容纳电子数
1 3 5 7
2 2 2 2
2 6 10 14
2个电子容纳在一个轨道里，也就意味着，它们的空间运动状态相同。为什么一个轨道允许容纳两个电子呢？它们的运动状态又有什么差异呢？
钠原子光谱实验
氢原子光谱实验
1925年，两位荷兰年青人乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出假设：电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。
1.什么是电子自旋
电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓” )表示自旋相反的电子。
2.什么是泡利原理(1925年)？
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理（也称泡利不相容原理）。
斯特恩-盖拉赫实验
电 子 自 旋
电子自旋概念的提出解决了原子结构理论发展中的一系列困惑。例如，只有1个最外层电子的碱金属原子光谱为什么会在光谱里呈现双线？为什么只有1个最外层电子的银原子在外加电场里加速飞行通过一个不对称磁场时会分成两束？归根结底，为什么一个原子轨道里能容纳两个电子？没有泡利原理，复杂的原子光谱无法得到诠释，以光谱事实为基础的构造原理也无法建立。电子自旋可以帮助我们理解物质的磁性本质。电子自旋有许多重要应用，如电子自旋共振( ESR ）技术能研究物质的诸多性质。
（1）轨道表示式是表述电子排布的一种图式。
↑↓
1s 2s 2p
↑↓
↑↓
↑
↑
O
H
(二)什么是电子排布的轨道表示式(又称电子排布图)
如氢和氧的基态原子的轨道表示式如下：
↑
1s
(2)在轨道表示式中，用方框（或圆圈）表示原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连，在方框的上方或下方用能级符号表示轨道所属能级。
(3)各轨道按照离核由近到远，从左到右依次排列。
(4)箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称为电子对，“↑”或“↓”称为单电子（或称未成对电子）。箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。
(5)有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
如钠的基态原子的轨道表示式如下：
请写出B、C的轨道表示式。
学习评价：
↑↓
1s
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
Na
2s
2p
↑
3s
(三)什么是洪特规则
1925年洪特在诠释复杂原子光谱时，得出了判断基态原子光谱的经验规则：基态原子中，填入简并轨道的电子总是优先以自旋平行的方式分别占据不同轨道。
例如，下列氧的基态原子最处层轨道表示式，哪一个正确？
↑↓ ↑↓
↑↓
2s 2p
↑↓ ↑ ↓
↑↓
2s 2p
↑↓ ↑ ↑
↑↓
2s 2p
★注意：洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。洪特规则适用于电子填入简并轨道，并不适用于电子填入能量不同的轨道。
几个电子对？
几个单电子？
几种空间运动状态？
几种运动状态不同的电子？
1.下轨道表示式中，哪个是硼的基态原子 ？为什么？
2.下列轨道表示式中，哪个是氧的基态原子 ？为什么？
A，在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，它们自旋相反。
B，基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
1s 2s 2p
A.
↑
↑↓
↑↓
B.
↑
↑↑
↓↓
1s 2s 2p
1s 2s 2p
A.
↑ ↓
↑↓
↑↓
B.
↑ ↑
↑↓
↑↓
C.
↑↓
↑↓
↑↓
1s 2s 2p
1s 2s 2p
思考与讨论
3d 4s
Cr
无半空轨道，只有一个全满轨道
有一组半满的简并轨道和一个半空轨道
3.请写出Cr 、 Cu元素原子的简化电子排布式及价层电子轨道表示式。
Cu [Ar]3d104s1
Cr [Ar]3d54s1
Cu
↑ ↑ ↑ ↑
↑↓
3d 4s
Cr
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
↑
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑
3d 4s
有一个半空轨道
思考与讨论
有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满、半充满、 全空状态时，体系的能量较低，原子较稳定。
相对稳定的状态
全充满：s2、p6、d10、f 14
半充满: s1 、p3、d5、f 7
全空:p0、d0、f0
洪特规则特例：
基态是能量最低的状态。在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。
3.相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低；但当相邻能级能量差别不大时，有1～2个电子填入能量稍高的能级可能反而降低电子排斥能，进而使原子整体能量最低。例如所有副族元素的基态原子。
2.实际上，整个原子的能量是由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。
(四)什么是能量最低原理
1.能量最低原理：
总之，基态原子的核外电子排布遵循泡利原理，洪特规则和能量最低原理。
1.为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1？
2.为什么基态氮原子的电子轨道表示式是 ，而不是
？
3.为什么基态Sc的价电子排布是3d14s2，而不是4s3？
后者不符合泡利原理
后都不符合洪特规则
思考与讨论
1s 2s 2p
↑ ↑ ↑
↑↓
↑↓
1s 2s 2p
↑↓ ↑ ↑
↑↓
↑↓
后者不符合泡利原理
原子结构 示意图 意义
实例 ??
电子排布式 意义
实例
简化电 子排布式 意义
实例
原子结构的表征方法
小结1:重难点知识显性化
将每个能层上的电子总数表示在原子核外的式子
用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式
K 1s22s22p63s23p64s1
为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示
Ni：[Ar]3d84s2
价层电子排布式 意义
实例
电子 排布图 意义
实例
对电子运动状态描述最详尽
主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即外围电子排布式
Mn：3d54s2
每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子
↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
1s 2s 2p 3s 3p
Al
小结2:本节知识结构化
实验事实
核外电子的
运动状态
核外电子的
填充规律
表征方法
线状原
子光谱
能量
量子化
能层
能级
原子轨道
电子自旋
原子结构示意图
构造原理
电子排布式
分层排布
泡利原理、洪特规则、能量最低原理
轨道表示式
理论模型
直观化
证据推理
解释
模型认知
第一节 原子结构
第三课时 电子云和原子轨道，泡利原理、洪特规则、能量最低原理
第一章 原子结构与性质
1.知道电子的运动状态(空间分布及能量)，可通过电子云模型和原子轨道来描述。
2. 认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等。
观察与思考
1913年，玻尔提出了氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行（右上视频）。
原子核外电子运动状态是怎样的呢？请仔细观察右图，思考电子的运动状态。
1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。指出一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布——电子云（右下视频）。
四、什么电子云和原子轨道
（一）什么是电子云
1.什么是概率密度ρ ？
(1)概率密度：表示电子在某处出现的概率P与该处体积V的比值（即某处单位体积内电子出现的概率）
ρ＝
P
V
(2)概率密度形象描述：率密度分布图
(3)率密度分布图中小点代表什么含义？
小点不是电子本身，是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点越密，表明概率密度越大（电子出现的几率越大）。
图1-7 氢原子1s电子在原子核外出现的概率密度分布图
科学家使用量子显微镜拍摄到的第一张氢原子,电子云清晰
美造出最高分辨率显微镜 可见单个氢原子
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。
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密度分布的形象化描述。
电子云图很形象直观，但是很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图
图1－8电子云轮廓图的绘制过程
P＝90%的空间圈出来
(1)由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象的称作“电子云”。
2.什么是电子云 ？
(2)什么是原子云轮廓图？
图1－9同一原子的s电子的电云轮廓图
①不同能级s电子的电子云形状一致，均为球形。能层越高，s电子的电子云半径越大。
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。
图1-10 2py电子云
②除s电子云外，其他电子云都不是球形的。 例如 p电子的原子轨道呈哑铃状。
③不论哪个能层的p能级都有三个原子轨道，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。
图1-11 2px、2py 、2pz电子云轮廓图
（二）什么是原子轨道
1.概念：
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。
因此，常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向，即电子去轮廓图可以看作为原子轨道。
S轨道
Px轨道
Py轨道
Pz轨道
球形
哑铃形
能层 能级 原子 轨道数 原子轨道符号 原子轨道的形状和取向 形状 取向
K 1s
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表1-2 不同能层的能级、原子轨道
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球形
哑铃形
相互垂直
相互垂直
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五、什么是泡利原理、洪特规则、能量最低原理
(一)电子自旋和泡利原理
根据已学的知识，填写下表：
能级 s p d f
原子轨道数
单轨道容纳电子数
最多可容纳电子数
1 3 5 7
2 2 2 2
2 6 10 14
2个电子容纳在一个轨道里，也就意味着，它们的空间运动状态相同。为什么一个轨道允许容纳两个电子呢？它们的运动状态又有什么差异呢？
钠原子光谱实验
氢原子光谱实验
1925年，两位荷兰年青人乌伦贝克和哥德斯密根据实验事实提出假设：电子除了空间运动状态外，还存在一种运动状态叫自旋。
1.什么是电子自旋
电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(“↑”“↓” )表示自旋相反的电子。
2.什么是泡利原理(1925年)？
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理（也称泡利不相容原理）。
斯特恩-盖拉赫实验
电 子 自 旋
电子自旋概念的提出解决了原子结构理论发展中的一系列困惑。例如，只有1个最外层电子的碱金属原子光谱为什么会在光谱里呈现双线？为什么只有1个最外层电子的银原子在外加电场里加速飞行通过一个不对称磁场时会分成两束？归根结底，为什么一个原子轨道里能容纳两个电子？没有泡利原理，复杂的原子光谱无法得到诠释，以光谱事实为基础的构造原理也无法建立。电子自旋可以帮助我们理解物质的磁性本质。电子自旋有许多重要应用，如电子自旋共振( ESR ）技术能研究物质的诸多性质。
（1）轨道表示式是表述电子排布的一种图式。
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(二)什么是电子排布的轨道表示式(又称电子排布图)
如氢和氧的基态原子的轨道表示式如下：
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(2)在轨道表示式中，用方框（或圆圈）表示原子轨道，能量相同的原子轨道（简并轨道）的方框相连，在方框的上方或下方用能级符号表示轨道所属能级。
(3)各轨道按照离核由近到远，从左到右依次排列。
(4)箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称为电子对，“↑”或“↓”称为单电子（或称未成对电子）。箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。
(5)有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
如钠的基态原子的轨道表示式如下：
请写出B、C的轨道表示式。
学习评价：
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(三)什么是洪特规则
1925年洪特在诠释复杂原子光谱时，得出了判断基态原子光谱的经验规则：基态原子中，填入简并轨道的电子总是优先以自旋平行的方式分别占据不同轨道。
例如，下列氧的基态原子最处层轨道表示式，哪一个正确？
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★注意：洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。洪特规则适用于电子填入简并轨道，并不适用于电子填入能量不同的轨道。
几个电子对？
几个单电子？
几种空间运动状态？
几种运动状态不同的电子？
1.下轨道表示式中，哪个是硼的基态原子 ？为什么？
2.下列轨道表示式中，哪个是氧的基态原子 ？为什么？
A，在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，它们自旋相反。
B，基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
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思考与讨论
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无半空轨道，只有一个全满轨道
有一组半满的简并轨道和一个半空轨道
3.请写出Cr 、 Cu元素原子的简化电子排布式及价层电子轨道表示式。
Cu [Ar]3d104s1
Cr [Ar]3d54s1
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有一个半空轨道
思考与讨论
有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满、半充满、 全空状态时，体系的能量较低，原子较稳定。
相对稳定的状态
全充满：s2、p6、d10、f 14
半充满: s1 、p3、d5、f 7
全空:p0、d0、f0
洪特规则特例：
基态是能量最低的状态。在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。
3.相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低；但当相邻能级能量差别不大时，有1～2个电子填入能量稍高的能级可能反而降低电子排斥能，进而使原子整体能量最低。例如所有副族元素的基态原子。
2.实际上，整个原子的能量是由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。
(四)什么是能量最低原理
1.能量最低原理：
总之，基态原子的核外电子排布遵循泡利原理，洪特规则和能量最低原理。
1.为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1？
2.为什么基态氮原子的电子轨道表示式是 ，而不是
？
3.为什么基态Sc的价电子排布是3d14s2，而不是4s3？
后者不符合泡利原理
后都不符合洪特规则
思考与讨论
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后者不符合泡利原理
原子结构 示意图 意义
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电子排布式 意义
实例
简化电 子排布式 意义
实例
原子结构的表征方法
小结1:重难点知识显性化
将每个能层上的电子总数表示在原子核外的式子
用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式
K 1s22s22p63s23p64s1
为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示
Ni：[Ar]3d84s2
价层电子排布式 意义
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电子 排布图 意义
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对电子运动状态描述最详尽
主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即外围电子排布式
Mn：3d54s2
每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子
↑↓ ↑↓ ↑↓
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Al
小结2:本节知识结构化
实验事实
核外电子的
运动状态
核外电子的
填充规律
表征方法
线状原
子光谱
能量
量子化
能层
能级
原子轨道
电子自旋
原子结构示意图
构造原理
电子排布式
分层排布
泡利原理、洪特规则、能量最低原理
轨道表示式
理论模型
直观化
证据推理
解释
模型认知