第1节 原子结构 第4课时 优秀课件(共23张PPT)

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第4课时 原子结构
第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构
温故知新
在学习构造原理时，我们说它是一条以“以光谱学事实为基础”，总结归纳出的规律。那这个填充顺序的背后是否有原因呢？
在学习洪特规则时，你是否思考过为什么电子在可选择的情况下要优先占据不同的轨道，而不是待在一起呢？
电子分占轨道时，为什么要保持自旋平行？
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
4.能量最低原理
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。
能量越低越稳定，它是自然界的一个普遍规律。
基态是能量最低的状态，所以基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道原子轨道组合。
（1）运用能量最低原理，说明构造原理的填充顺序是1s、2s、2p、3s、3p
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
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。
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，1s、2s、2p、3s、3p依次填入电子即遵循该规律。
（2）运用能量最低原理，说明构造原理的填充顺序是3p、4s、3d、4p……
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
相邻能级能量相差不太大时，有1~2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥而使整个原子能量最低。
若3p填满6个电子后，再进入的电子填入3d能级，此时第三能层电子数超过8个，电子彼此间的排斥加剧，致使整个原子能量升高。为了降低整体能量，会优先在4s上排布。4s排满后，不会进入4p而进入3d，因为4p轨道的能量比3d高，相差较大。
（3）运用能量最低原理，说明洪特规则中在简并轨道上填充电子为何优先分占不同轨道，而不是成对。
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
简并轨道本身是能量相等的轨道，但是由于电子是带负电的粒子，两个电子进入同一个轨道时，它们在空间上彼此靠近，相互的排斥使得整个原子的能量升高了一部分。而在分占不同轨道的情况下，这种排斥得到了有效缓解，故能量更低。所以电子在可选的情况下会优先分占不同轨道。
**自旋平行是通过量子力学的计算得到的“交换能”进行说明的，不作要求
（4）在学习构造原理时，Cr和Cu的电子排布式没有严格遵循构造原理。Cr的电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2
Cu的电子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
请依据电子排布式，结合洪特规则写出Cr和Cu的价电子的轨道表示式
Cu和Cr的价电子是3d和4s的全部电子
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
Cr和Cu的价电子轨道表示式
Cr
Cu
在Cr和Cu的电子排布中，4s轨道只填充了一个电子，其他电子都填入3d轨道，此时3d轨道恰好为半充满（d5）和全充满（d10）的状态。
研究表明，简并轨道中，电子排布为半充满、全充满或全空状态是能量较低的稳定状态，这种情况称为洪特规则的特例。
因此，Cu和Cr看似不遵循构造原理，但其遵循的能量最低的本质未变。
【总结】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
（5）下面是几种元素的基态原子的价电子排布：
铌Nb 4d45s1 钌Ru 4d75s1
铑Rh 4d85s1 钨W 5d46s2
这些排布可以用构造原理或洪特规则的特例来进行解释么？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
随着原子核核电荷数和核外电子数目的增多，原子核与电子、电子与电子之间的相互作用更加复杂，基态原子的电子排布不符合构造原理的情况更多，原因也更复杂。有些基态原子的价电子排布既不遵循构造原理，也不能用洪特规则特例来解释。但其本质仍是整个原子能量最低。
构造原理、洪特规则是人们归纳大量实验事实提出的核外电子排布规律。
遵循这两个原则多数情况下可使得“整个原子能量最低”。
部分原子形式上没有满足构造原理、洪特规则及其特例，但仍遵循能量最低原理。
1-36号元素中，Cr和Cu属洪特规则特例，其他元素的基态原子均满足构造原理和洪特规则。据此，可以写出1-36号元素的电子排布式和轨道表示式。
【总结】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
5.基态原子失去电子的顺序
基态Fe原子的价电子轨道表示式如下图所示
Fe
Fe在表现还原性的过程中可能会失去2个电子或3个电子，变为Fe2+或Fe3+
那失去的电子是哪个轨道上的电子？
基态Fe2+或Fe3+的轨道表示式又怎样表达呢？
【思维启迪】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
Fe失去2个电子变为Fe2+后，剩余的6个电子在轨道中可能有哪几种排布？
①
⑤
②
④
③
2个电子可能都是4s能级，可能是1个3d、1个4s，也可能是2个3d，实际测定如何呢？
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
经过实验测定，基态Fe2+的价电子排布实际为下面这种：
即：Fe优先失去4s上的两个电子。
类似的，经过实验测定，基态Fe3+的价电子排布为：
即：Fe失去4s上的两个电子和3d上的一个电子。
【思维启迪】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
通过Fe的例子，我们可以得出如下结论：
Fe的基态原子失去电子转化成简单阳离子的时候，失去电子顺序是由外到内：先失去4s电子，再失去3d电子。
这个顺序适用于其他元素么？
通过大量的实验测定，人们发现这个规律具有普遍性：
基态原子失去电子转化成简单阳离子的时候，失去电子顺序是由外到内：先失去ns电子，再失去(n-1)d电子。
如何书写一个离子的电子排布式或轨道表示式？
步骤一：依照构造原理、洪特规则书写出基态原子的电子排布式或轨道表示式
（注意Cr和Cu是洪特规则特例）
步骤二：按照失去电子的数量由外层到内层依次减去电子
注意：在基态离子的简并轨道中，电子的排布仍遵循洪特规则
【总结】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
写出Cr、Cu、Zn基态原子的价电子轨道表示式，以及Cr3+、Cu2+、Zn2+离子的价电子轨道表示式。
课堂练习
Cr
Cr3+
Cu
Cu2+
Zn
Zn2+
（1）书写基态离子的电子排布式和轨道表示式为什么不能直接使用构造原理？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
首先，构造原理的适用对象是原子。
整个原子或离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。离子中核电荷数与电子数不相等，此时核对电子的吸引和电子之间的排斥与电中性中的原子情况不同。
对离子而言，这种未遵循构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。
（2）前面只讨论了失去电子变为阳离子的情况，你认为基态原子得到电子变为简单阴离子的情况是怎么样的？得到的电子应填在哪个轨道？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
基态原子得电子变为简单阴离子的元素应是非金属元素，它们的价电子数一般≥4，变为简单阴离子后，形成了最外层8e-稳定结构，对应的最外层电子排布为ns2np6。
因此得到的电子一定是填入最外层的p轨道。
在书写基态阴离子时，把原子中最外层3条p轨道填满即可。
（3）先失去ns，再失去(n-1)d的顺序，表明了d电子参与了化学反应，因此这个顺序是针对过渡元素适用的，如果是主族金属元素，是怎样的呢？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
主族金属元素的价电子只有ns和np电子，与d电子无关。
第IA和IIA族的元素，他们ns能级上只有1或2个电子，失去全部的ns后就变为最外层8e-稳定结构，如Na、Mg、K、Ca。故与d电子无关。
IIIA族的Al，价电子排布为3s23p1，失去3个电子后变为最外层8e-稳定结构。
IIIA族的其他元素，如Ga，价电子排布为4s24p1，失去3个电子后变为最外层18e-结构（3s、3p、3d均全满），也同样稳定。
（4）从Fe2+和Fe3+的价电子的轨道表示式分析，为何它易失去1个电子变为Fe3+？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
Fe2+失去一个电子变为Fe3+后，3d恰好为半充满的状态，此时能量低较稳定，故Fe2+易表现出还原性。
Fe2+
Fe3+
（5）之前的学习中我们见过Cu可以失去2个电子变为Cu2+，从Cu的价电子的轨道表示式分析，它除了+2价，还容易形成几价的阳离子？
【深度思考】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
Cu失去一个电子变为Cu+后，3d恰好为全充满的状态，此时能量低较稳定，Cu也可形成+1价的Cu+，例如Cu2O，CuCl，CuI等。
在有机化学中用新制Cu(OH)2鉴定醛基的反应中， Cu(OH)2被还原为Cu2O
Cu
Cu+
通过基态原子的价电子排布式和轨道表示式，我们能够对其失去或得到的电子数量做出预测，这个方法可以预测一些离子的电荷量继而判断出其化合价。
价电子的结构决定了原子的性质，继而在宏观上表现出某元素具有的性质：金属的价电子少，同时吸引电子的能力弱，故一般失去电子形成阳离子；非金属的价电子多，同时吸引电子的能力强，故一般得到电子形成阴离子。过渡元素ns和(n-1)d轨道上的电子可以分布失去，故过渡元素常能形成不同价态的离子。
【总结】
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理