1.1原子结构 导学案 （无答案） 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
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一、学习目标
【课程标准】1.知道电子运动的能量状态具有量子化的特征，能从电子跃迁角度初步解释原子光谱的形成，进一步强化“结构决定性质”的观念。
2.了解原子核外电子排布的构造原理，能写出1~36号元素基态原子的电子排布式，进一步增强证据推理意识。
3.知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述，能说明微观粒子运动状态与宏观物体运动特点的差异，建立对原子结构的模型认知。
4.认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则，能写出1~36号元素基态原子的轨道表示式，初步学会运用模型解决实际问题。
【学科素养】1.充分认识原子结构理论发展的过程是一个逐步深入完美的过程，培养学生“科学探究与科学精神”的学科素养。
2.通过学习原子结构、电子运动等内容，培养学生“宏观辨识和微观探析”的学科素养。
3.通过宏观上对光的理解和感知。探究微观中电子跃迁与光形成的关系，从而更好地理解原子光谱、能层能级与电子跃迁及光产生的原因。
二、教学重难点
【教学重点】根据构造原理写出1~36号元素的基态原子的电子排布式；核外电子的运动状态，电子云与原子轨道；泡利原理和洪特规则。
【教学难点】基态、激发态与原子光谱；电子云与原子轨道。
三、知识清单
（一）能层与能级
1、能层
(1)含义：核外电子按______不同分成不同的能层(电子层)。电子的能层由内向外排序，分别用____、____、____、____、O、P、Q表示，其中每个能层最多容纳的电子数为________个(其中能层序数用n表示)。
(2)能量关系：能层越高，电子的能量越____，能量的高低顺序为E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)。
2、能级
(1)含义：同一能层电子的______不同，将它们分为不同的能级。分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f表示，如第3能层的s能级可表示为______。任一能层能级总是从____能级开始。
(2)同一能层不同能级的能量顺序：E(ns)____ E(np)____ E(nd)____ E(nf)……。
(3)各能级最多容纳的电子数
能层 K L M N O
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s ……
最多 电子数 ……
（二）基态和激发态 原子光谱
1.基态原子与激发态原子
(1)基态原子：处于 状态的原子
(2)激发态原子：基态原子 能量，电子会跃迁到 能级，变为激发态原子
(3)基态、激发态相互间转化的能量变化
基态原子 激发态原子
【微点拨】
①光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。
②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
③一般在能量相近的能级间发生电子跃迁
2、光谱
(1)光谱的成因及分类：不同元素的原子发生跃迁时会 能量(基态→激发态)或 能量(激发态→基态)，从而吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素，这些光谱总称原子光谱。
(2)光谱分析：不同元素的原子光谱都是特定的，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。
（三）构造原理与电子排布式
1、构造原理
(1)含义：随着原子核电荷数的递增，绝大多数元素的原子核外电子将遵循以下顺序填充到各能级中： 这个排列顺序被称为构造原理
(2)示意图
2、电子排布式
(1)概念：将 上所排布的电子数标注在该能级符号 ，并按照能层从左到右的顺序排列的式子
(2)表示方法
(3)电子排布式中各符号、数字的意义：nsx，n表示能层，s表示能级，x表示该能级上有x个电子
如：Al原子电子排布式中各符号、数字的意义为
(4)“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
①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……
②第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子
③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
如：氮、钠、钙的电子排布式分别为 、 、
简化的电子排布式：将电子排布式中的内层电子排布用相应的 加方括号来表示而得到的式子称为简化的电子排布式，如：氮、钠、钙的简化电子排布式分别为 、 、
4、离子的电子排布式书写：原子失去电子时总是先失去 ，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，一般只失去最外层电子，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，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
5、外围电子排布式(价电子排布)
(1)概念：将简化电子排布式中的稀有气体和中括号去掉得到的即为外围电子排布式，也叫价电子排布
氮 钠 钙 铁 铜
简化电子排布式
外围电子排布式
(2)规律
①主族元素的最外层电子就是外围电子，又称价电子
②过渡元素的外围电子一般包括最外层的s电子和次外层的d电子，有的还包括倒数第三层的f电子
（四）电子云与原子轨道
1.电子出现的概率密度
量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的 不同，可用概率密度(ρ)表示，即ρ＝(P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积)。
2.电子云
(1)概念：处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的 分布的形象化描述。
(2)意义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越密，表示概率密度 。
(3)电子云轮廓图
含义：常把电子在原子核外空间出现概率约为90%的空间圈出来，即为电子云轮廓图。
3.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。
(2)形状
①s能级的原子轨道呈 形，能层序数越大，原子轨道的半径越 。
②p能级的原子轨道呈 形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。
③p能级有3个互相垂直的轨道，分别表示为px、py、pz(如图)。在同一能层中px、py、pz的能量相同
(3)各能级所含有原子轨道数目
能级符号 ns np nd nf
轨道数目
（五）泡利原理 洪特规则 能量最低原理
1.电子自旋与泡利原理
(1)电子自旋：自旋是电子的内在属性，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(↑和↓)表示自旋相反的电子。
(2)泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋 ，这个原理称为泡利原理。如：2s轨道上的电子排布为，不能表示为
2.洪特规则
(1)内容：基态原子中，填入简并轨道(能量相同的原子轨道)的电子总是先单独分占，且自旋 ，称为洪特规则。
(2)特例：在简并轨道上的电子排布处于 、 和全空状态时，具有较低的能量和较大的稳定性。
相对稳定的状态：能量相同的原子在全充满(p6、d10、f14)或半充满(p3、d5、f7)时，体系的能量较低，原子较稳定，如：24Cr存在半充满1s22s22p63s23p63d54s1 ，29Cu存在全充满 1s22s22p63s23p63d104s1
3.能量最低原理
(1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据 的原子轨道，使整个原子的能量最低。
(2)影响原子能量的因素：整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。
4、电子排布的轨道表示式(电子排布图)
(1)概念：将每一个原子轨道用一个方框表示，在方框内标明基态原子核外电子分布的式子
(2)表示方法：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，箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)
轨道表示式中各符号、数字的意义
(3)实例：
①O原子的电子排布图：
②Na原子的电子排布图：
探究活动
1、在日常生活中，我们看到的许多可见光，如焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED灯光……等等。
(1).我们平时看到的激光、节日燃放的焰火、霓虹灯光都与什么有关？
(2).某些金属进行焰色试验产生不同火焰颜色的原因是什么？
2、1~36号元素的原子基态电子排布式和简化电子排布式(价电子排布式用横线标示出来)
元素符号 电子排布式 简化电子排布式 元素符号 电子排布式 简化电子排布式
1H 19K
2He 20Ca
3Li 21Sc
4Be 22Ti
5B 23V
6C 24Cr
7N 25Mn
8O 26Fe
9F 27Co
10Ne 28Ni
11Na 29Cu
12Mg 30Zn
13Al 31Ga
14Si 32Ge
15P 33As
16S 34Se
17Cl 35Br
18Ar 36Kr
3、半导体或芯片是由晶体硅生产的。晶圆片上刻蚀出数以百万甚至上亿的晶体管，通过控制电流来管理数据，形成各种文字、数字、声音、图像和色彩。晶体硅广泛用于集成电路、微波传送、激光转换等领域。
(1).写出基态硅原子的电子排布式及简化的电子排布式，硅元素的原子核外共有多少种不同能级的电子？
(2).上图中3s23p2是硅的何种电子排布式？该排布式与硅元素的化合价之间有何关系？
(3).从元素周期表给出的信息，Cr和Cu的简化电子排布式分别为[Ar]3d54s1和[Ar]3d104s1，这样的电子排布符合构造原理吗？是根据什么确定其电子排布的？
4、某同学在学习了电子排布的轨道表示式后，画出了下列四种基态氧原子最外层轨道表示式：
(1).判断上述四种基态氧原子轨道表示式的正误，并说明理由。
(2).下列轨道表示式中哪个是硼的基态原子？为什么？
(3).为什么基态氦原子的电子排布是1s2而不是1s12s1
五、我的收获
六、课堂限时检测
1.下列能层(n)中，不包含d能级的是(　　)
A.2 B.3 C.4 D.5
2.下列说法正确的是(　　)
A.第三能层只有s、p两个能级
B.在基态多电子原子中，p能级电子能量一定高于s能级电子能量
C.第三能层最多容纳8个电子
D.无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2
3.下列关于同一种原子的基态和激发态的说法中，正确的是(　　)
A.激发态时的能量比基态时高 B.激发态时比较稳定
C.由基态转化为激发态过程中放出能量
D.电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
4.下列说法不正确的是(　　)
A.p能级的能量一定比s能级的能量高
B.在现代化学中，常利用光谱分析法来鉴定元素
C.同一原子处于激发态时的能量一定高于其处于基态时的能量
D.焰色试验中观察到的特殊焰色是金属原子的电子从激发态跃迁到基态时产生的光的颜色
5.下列说法正确的是(　　)
A.同一原子中1s、2s、3s电子能量逐渐减小
B.同一原子中2p、3p、4p能级可容纳的最多电子数依次增多
C.能量高的电子在离核近的区域运动，能量低的电子在离核远的区域运动
D.各能层最多能容纳的电子数是2n2
6.第N能层所含能级数、最多容纳电子数分别为(　　)
A.3、18 B.4、24 C.5、32 D.4、32
7.激发态原子和基态原子可以通过电子跃迁的方式相互转换，跃迁过程中可得到光谱，下列说法正确的是(　　)
A.K元素的焰色试验呈紫色，其紫色对应的辐射波长最长
B.利用光谱仪只能测得原子的发射光谱
C.焰色试验是化学变化
D.原子光谱可以用于定性鉴定元素
8.下列有关构造原理的说法错误的是(　　)
A.原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序为3p→4s→3d
B.某基态原子部分核外电子的排布式为3d64s2
C.所有基态原子的核外电子排布都遵循构造原理
D.构造原理中的电子排布能级顺序，实质是各能级能量由低到高的顺序
9.下列各原子或离子的电子排布式错误的是(　　)
A.Al　1s22s22p63s23p1 B.S2－　1s22s22p63s23p4
C.Na　1s22s22p63s1 D.F　1s22s22p5
10.已知Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1，通常可把内层已达稀有气体原子的电子层结构的部分写成“原子实”，如Na的核外电子排布式可写成[Ne]3s1。用“原子实”表示的30号元素锌的原子核外电子排布式正确的是(　　)
A.[Ne]3d104s2 B.[Ar]3d104s24p2 C.[Ar]3d84s24p2 D.[Ar]3d104s2
11.下列说法正确的是(　　)
A.不同的原子轨道形状一定不相同
B.p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形
C.2p能级有3个p轨道 D.氢原子的电子运动轨迹呈球形
12.3px所代表的含义是(　　)
A.px轨道上有3个电子 B.第三能层px轨道有3个伸展方向
C.px电子云有3个伸展方向 D.第三能层沿x轴方向伸展的p轨道
13.下列基态原子或离子的核外电子排布式错误的是(　　)
A.Na：1s22s22p63s1 B.O2－：1s22s22p6
C.26Fe：[Ar]4s2 D.As：1s22s22p63s23p63d104s24p3
14.北京奥运会主体育场“鸟巢”，被《泰晤士报》评为全球“最强悍”工程之一、建造“鸟巢”运用了高强度、高性能的钒氮合金高新钢，23V原子的价层电子排布式正确的是(　　)
A.3s23p1 B.3d34s2 C.3d64s2 D.4s2
15.某同学在学习核外电子排布的知识时，把基态15P的电子排布式写成了1s22s22p63s23p3p，他违背了(　　)
A.能量守恒定律 B.泡利原理 C.能量最低原理 D.洪特规则
16.下列电子排布式违反了泡利原理的是(　　)
A.铜原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d94s2
B.碳原子的电子排布式：1s22s22p2
C.钪原子的电子排布式：1s22s22p63s23p64s2
D.硅原子的电子排布式：1s22s22p63s33p1
17.Fe元素基态原子的核外3d、4s轨道上的轨道表示式正确的是(　　)
18.写出下列基态粒子的价层电子轨道表示式。
(1)Cl－：___________________________________________________________；
(2)Ti：____________________________________________________________；
(3)Mn：___________________________________________________________；
(4)Zn2＋：__________________________________________________________。
19.下列化学用语的书写正确的是(　　)
A.基态Mg原子的核外电子排布图：
B.过氧化氢的电子式
C.基态Fe3＋的最外层电子排布式为：3s23p63d5
D.基态As原子的简化电子排布式：[Ar]4s24p3
20.下列描述原子结构的化学用语正确的是(　　)
A.硫原子的结构示意图：
B.基态锰原子(25Mn)的价层电子排布图：
C.氧原子核外能量最高的电子云的形状：
D.基态铬原子(24Cr)的电子排布式：1s22s22p63s23p64s13d5
21.下列基态原子的轨道表示式正确的是(　　)
22.下列基态原子中，未成对电子数最多的是(　　)
A.O B.P C.Mn D.Cr
23.以下列出的是一些基态原子的2p轨道和3d轨道中电子的排布情况，其中违反洪特规则的是(　　)
A.①②③ B.④⑤⑥ C.②④⑥ D.③④⑥
24.(1)基态碳原子的轨道表示式为______________________________________。
(2)F－的轨道表示式为________________________________________________。
(3)基态Ni原子的价层电子的轨道表示式为_____________________________。
(4)铜元素所在周期中，未成对电子数最多的基态原子M的价层电子的轨道表示式为_________________________________________________________。
25.(1)下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利不相容原理的是________。
①K＋：1s22s22p63s23p6
②F：1s22s23p5
③P：
④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe2＋：1s22s22p63s23p63d6
⑥Mg：1s22s22p63s2
⑦O：
(2)离子M2＋的3d轨道中有5个电子，则M原子的最外层电子数和未成对电子数分别为________和________。
(3)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝________；原子中能量最高的是________电子，核外电子的轨道表示式为________。
分层训练
1、(2018·全国卷Ⅰ改编)Li原子的下列四种状态中能量最低和能量最高的分别为________、________(填字母)
A.1s能级上1个电子，2s能级上2个电子
B.2s能级上2个电子，2p能级上1个电子
C.2s能级上1个电子，2p能级上2个电子
D.1s能级上2个电子，2s能级上1个电子
2、填写下列空白。
(1)(2021·海南卷)基态锰原子的价层电子排布式为____________。
(2)(2021·全国甲卷)Si的价电子层的电子排布式为____________。
(3)(2021·海南卷)基态Zn的价层电子的排布式为____________。
(4)(2019·全国Ⅱ卷)Fe成为阳离子时首先失去____________轨道电子，Sm的价层电子排布式为4f66s2，Sm3＋价层电子排布式为____________。
3、填写下列空白
(1)(2021·福建卷)基态C原子的成对电子数与未成对电子数之比为________；
(2)(2021·全国卷Ⅰ)基态Fe2＋与Fe3＋离子中未成对电子数之比为________；
(3)(2021·海南卷)基态Mn原子核外未成对电子有________个。
4、填写下列空白。
(1)元素Mn和O中，基态原子核外未成对电子数较多的是________；
(2)基态Ge原子有________个未成对电子；
(3)基态Ni原子的3d能级上的未成对电子数为________；
(4)Cu的价层轨道表示式为____________________________________________，基态Cu原子有________个未成对电子。