1.1 第2课时 量子力学对原子核外电子运动状态的描述 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2

1.1 第2课时　量子力学对原子核外电子运动状态的描述
【学习目标】
1.理解电子层、能级、原子轨道的含义。
2.认识核外电子的运动特点。知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。建立认知模型,培养证据推理与模型认知的核心素养。
【自主预习】
1.原子轨道
(1)原子核外电子运动状态的描述
电子层(n) 电子层用来描述电子离核的远近,取值为正整数　　　　　,对应符号为　　　　　　等。n越大,电子离核的平均距离越远、能量越高
能级 能级表示某电子层中不同能量的电子的运动状态。对于确定的n值,含有n个能级,分别用符号　　　　等表示。处于同一能级的电子能量　　　　
原子 轨道 原子轨道用来描述单个电子的空间运动状态,第n电子层中所含原子轨道的数目为n2
自旋运 动状态 处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只有两种,分别用符号“　　　　”和“　　　　”标记
(2)n值所对应的能级和原子轨道的情况
量子数n 符号 能级种类 原子轨道 原子轨道数
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
…… …… …… …… ……
【微点拨】
(1)在相同能层各能级能量由低到高的顺序是ns(2)不同能层中同一能级,能层数越大,能量越高。例如:1s<2s<3s<4s……
2.原子轨道的图形描述
对象 描述原子中单个电子的　　　　　
方法 在　　　　　　中表示
意义 表示原子轨道的　　　
空间分布 s轨道呈　　　　　　　,p轨道呈哑铃形,　　　　　　　　　　　　对称
3.电子云
用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外单位体积内出现　　　　的大小。
【参考答案】1.1、2、3、4、5、6、…　K、L、M、N、O、P　s、p、d、f
相同　↑　↓
2.空间运动状态　直角坐标系　空间分布　球形　分别相对于x、y、z轴
3.概率
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)原子核外电子按能量不同分为不同的电子层,同一电子层又按能量不同分为不同的能级。 (　　)
(2)各能级(s、p、d、f……)上所能容纳的电子数依次为1、3、5、7…的2倍。 (　　)
(3)能层离核越近能量越低。 (　　)
(4)同一能层的电子能量一定相同。 (　　)
(5)同一原子中,同一能层同一能级的电子能量一定相同。 (　　)
(6)电子云表示电子在核外单位体积内出现的概率大小,小点代表真实的电子。 (　　)
(7)1s电子云轮廓图是一个球形,表示在这个球形以外,电子出现的概率为零。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×
2.每个电子层上的能级数目与电子层序数n有什么关系 是不是每个电子层上都有s、p、d、f能级
【答案】电子层上的能级数目=电子层序数n,因此并不是所有的电子层都有s、p、d、f能级。
3.总结每个电子层(n表示)最多容纳的电子数是多少
【答案】K层有1个轨道,每个轨道最多容纳2个电子,所以K层最多容纳2个电子;L层有4个轨道,最多容纳8个电子;同理,M层最多容纳18个电子;N层最多容纳32个电子,以此类推,每层最多容纳的电子数为2n2。
4.在同一电子层的同一能级上运动的电子,其运动状态相同吗
【答案】不相同。同一能级上运动的电子所处的轨道不一定相同,即使是同一原子轨道,电子的自旋运动状态有2种,运动状态也不同,故同一原子的各电子的运动状态都不同。
【合作探究】
任务1：电子层(也称为能层)、能级、原子轨道
情境导入　冰墩墩是2022年北京冬季奥运会的吉祥物。将熊猫形象与富有超能量的冰晶外壳相结合,头部外壳造型取自冰雪运动头盔,装饰彩色光环,整体形象酷似航天员。“冰”象征纯洁、坚强,是冬奥会的特点。“墩墩”意喻敦厚、敦实、可爱,契合熊猫的整体形象,象征着冬奥会运动员强壮有力的身体、坚韧不拔的意志和鼓舞人心的奥林匹克精神。冰的主要成分是凝固的水(H2O)。
问题生成
1.画出H2O中氧原子的结构示意图。
【答案】。
2.基态氧原子核外共有多少个能层 用符号如何表示
【答案】2;K、L。
3.能层和电子层有什么关系 第二能层上的能级符号如何表示 O原子的核外电子每一能层最多容纳的电子数是多少
【答案】能层相当于必修教材中所述的电子层; 2s、2p;2、8。
4.请对O原子 1s、2s、2p能级能量高低进行排序。
【答案】E(1s)5.如何判断一个原子核外电子所占能层和能级
【答案】先画出原子结构示意图,电子层就是能层。例如,钠原子的结构示意图为,钠原子核外电子占据K、L、M三个能层,K层只有1s能级,L层有2s、2p能级,M层有3s能级。
6.决定电子能量高低的因素有哪些
【答案】决定电子能量高低的因素有:①能层,能级符号相同时,能层数越高,电子能量越高;②能级,在同一能层的不同能级中,s、p、d、f能级能量依次升高;③在同一能层的相同能级中电子的能量相同。
【核心归纳】
1.电子层、能级、原子轨道之间的关系
电子层 数n 符号 能级 原子轨道
能级数目 能级种类 原子轨道符号 原子轨道数 原子轨道总数
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
特别提醒：1.一个原子轨道上最多容纳2个电子,且运动状态不同。
2.任一电子层的能级总是从s能级开始,而且能级数=电子层数。
3.每个电子层(n)中,原子轨道总数为n2个,核外电子的运动状态共有2n2种。
2.不同原子轨道能量大小关系
(1)相同电子层不同能级的原子轨道能量:ns(2)不同电子层中同一能级的原子轨道能量:1s<2s<3s<4s,2p<3p<4p。
(3)相同电子层和相同能级的各原子轨道能量相等,如:2px=2py=2pz。
特别提醒：1.原子核外电子的能量取决于电子层和能级。
2.一般离核越近的电子具有的能量越低。
【典型例题】
【例1】下列电子层中,包含f能级的是(　　)。
A.K电子层　　　　　　　 B.L电子层
C.M电子层 D.N电子层
【答案】D
【解析】K电子层只含有1s能级;L电子层含有2s、2p能级;M电子层含有3s、3p、3d能级;N电子层含有4s、4p、4d、4f能级。
【例2】下列多电子原子不同能级能量高低的比较错误的是(　　)。
A.1s<2s<3s B.2p<3p<4p
C.3s<3p<3d D.4s>3d>3p
【答案】D
【解析】原子中不同能级电子能量从小到大的顺序是1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f…,A、B、C三项正确,D项错误。
任务2：原子轨道的图形描述及电子云
情境导入　
宏观物体与微观粒子的运动状态对比:
宏观物体 微观粒子
质量 很大 很小
速度 较小 很大(接近光速)
位移 可测 位置、动量不可同时测定
能量 可测
轨迹 可描述(画图或函数描述) 不可确定
问题生成
1.原子核外电子的运动是否遵循宏观物体所具有的运动规律
【答案】不遵循。
2.从量子力学角度分析核外电子运动有什么特点。
【答案】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,ns、np、nd、nf能级分别有1、3、5、7个原子轨道。每个p能级有3个相互垂直的原子轨道,分别标记为npx、npy、npz,同一能级中的原子轨道能量相同。
3.电子云图中的小点的含义是什么 小点的密度表示什么
【答案】小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小点密度越大,表明概率密度越大。
4.电子在原子核外出现的概率有什么规律
【答案】离核越近,电子出现的概率越大,电子云越密集。如2s电子云比1s电子云疏散。
5.不同能层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同
【答案】不同能层的同种能级的原子轨道形状相似,但不完全相同。只是原子轨道的半径不同,能级序数n越大,电子的能量越大,原子轨道的半径越大。例如,1s、2s、3s轨道均为球形,原子轨道半径:r(1s)【核心归纳】
1.电子云
(1)电子云图中的小点不代表电子。小点疏密程度表示电子在原子核外出现概率的大小。
(2)离核越近,电子出现的概率越大,电子云越密集。如1s电子云比2s电子云更密集。
(3)s能级的电子云为球形,只有一种空间伸展方向。p能级的电子云为哑铃形,有三种空间伸展方向。
2.原子轨道
(1)不同电子层的同种能级的原子轨道形状相似,只是半径不同。电子层序数n越大,原子轨道的半径越大。
(2)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。
(3)原子轨道数与电子层序数(n)的关系是原子轨道数为n2。
3.s能级和p能级的原子轨道的对比
能级 s p
轨道图形
轨道形状 球形 哑铃形
轨道数目 1 3(空间相互垂直)
最多容纳电子数 2 6
相同点 ①均以原子核为对称中心 ②原子轨道的平均半径分别随能层数增大而增大,且同种能级符号的原子轨道形状相似
4.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 电子云轮廓图的形状和取向
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 …… …… ……
…… …… …… …… …… ……
注:①d轨道和f轨道各有其名称、形状和取向,本书不作要求。
【典型例题】
【例3】下列说法正确的是(　　)。
A.2s电子云呈球形,表示电子绕原子核做圆周运动
B.电子云图中的小黑点密度大,说明该原子核外空间电子数目多
C.ns能级的电子云轮廓图可表示为
D.3d3表示3d能级有3个轨道
【答案】C
【解析】电子云表示电子在核外空间某处出现的概率,不代表电子的运动轨迹,A项错误;小黑点的疏密表示电子出现概率的大小,密则概率大,疏则概率小,B项错误;s轨道为球形,则ns能级的电子云轮廓图可表示为,C项正确;3d3表示3d能级上有3个电子,D项错误。
【随堂检测】
1.图a和b分别是1s电子的电子云图和原子轨道图。下列有关认识正确的是(　　)。
A.a中的每个小黑点表示1个电子
B.b表示1s电子只能在球体内出现
C.b表明1s轨道呈圆形,有无数对称轴
D.a中的小黑点表示某一时刻,电子在核外所处的位置
【答案】D
【解析】电子云图中的一个小黑点只表示电子曾经在此出现过,A项错误;图b所示电子在该区域出现的概率大,在此之外也能出现,不过概率很小,B项错误;1s轨道在空间呈球形而不是圆形,C项错误。
2.下列说法正确的是(　　)。
A.s轨道呈球形,p轨道呈椭圆形
B.科学家们采用统计的方法来确定电子在原子核外某一区域出现的概率
C.电子云中单位体积内小点的疏密程度表示电子的多少
D.s原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z轴方向
【答案】B
【解析】s轨道呈球形,p轨道呈哑铃形,A项错误;电子云中单位体积内小点的疏密程度表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小,C项错误;p原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z方向,D项错误。
3.下列有关核外电子运动状态的说法正确的是(　　)。
A.电子自旋就是电子围绕轴“自转”
B.原子轨道可用来描述核外电子的运动状态
C.第二电子层有自旋相反的两个轨道
D.原子轨道可用来描述核外电子的运动轨迹
【答案】B
【解析】电子的自旋表示处于同一原子轨道上电子的量子化运动,自旋不是“自转”;原子轨道可用来描述原子中单个电子的空间运动状态,它只能描述核外电子高频出现的“区域”,而不是核外电子的运动轨迹;第二电子层有四个轨道,分别为2s、2px、2py、2pz。综合上述分析,可知B项正确。
4.根据所学知识,回答下列问题:
(1)K层有　　　　个能级,用符号表示为　　　　;L层有　　　　个能级,用符号分别表示为　　　　;M层有　　　　个能级,用符号分别表示为　　　　。由此可推知第n电子层有　　　　个能级。每个电子层中一定含有的能级符号为　　　　,其对应的原子轨道电子云形状为　　　　。
(2)基态钙原子电子占据的能量最高电子层符号是　　　　,其核外共有　　　　种运动状态不同的电子。
(3)比较下列多电子的原子轨道的能量高低(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个电子层有n个能级;每个电子层中都含有s能级,s能级对应的原子轨道电子云形状为球形。(2)一个原子中,不存在运动状态完全相同的两个电子。(3)相同电子层上原子轨道能量由低到高的顺序是ns2