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1、第一单元原子核外电子的运动第1课时人类对原子结构的认识及原子核外电子的运动特征学 习任 务1能举例说明原子结构模型发展演变的历程，基于实验证据建构和优化模型。2能用轨道和能级概念描述核外电子的运动状态。一、人类对原子结构的认识1原子结构模型的演变道尔顿原子论19世纪，英国化学家道尔顿提出了近代原子论，认为原子有质量，不可分割。汤姆生“葡萄干布丁”模型19世纪，汤姆生在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干面包式”模型，开始涉及原子内部的结构。卢瑟福核式模型1911年，英国物理学家卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子结构的有核模型。玻尔原子结构模型1913年，丹麦科学家玻尔根据氢原子光谱实验，进一
2、步建立起核外电子分层排布的原子结构模型。量子力学模型20世纪20年代中期建立的量子力学理论，使人们对原子结构有了更深刻的认识，从而产生了原子结构的量子力学模型。2.玻尔原子结构模型(1)玻尔原子结构模型的基本观点运动轨迹原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量。能量分布在不同轨道上运动的电子具有不同的能量(E)，而且能量值是不连续的，这称为能量“量子化”。轨道能量依n值(1、2、3、)的增大而升高，n称为量子数。对氢原子而言，电子处在n1的轨道时能量最低，这种状态称为基态；能量高于基态能量的状态，称为激发态。电子跃迁只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸
3、收能量。当辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录时，就形成了光谱。(2)贡献玻尔原子结构模型成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实，阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，指出了电子所处的轨道的能量是量子化的。微点拨：焰色反应是电子跃迁的结果，故焰色反应是物理变化而不是化学变化。焰色反应发生的过程：基态原子吸收能量激发态原子释放能量较低能量的激发态或基态原子。3统计方法描述电子在原子核外空间出现机会的大小电子云(1)核外电子的特点：质量非常小(电子的质量仅为9.11031kg)、运行速度极快且运动空间极小。(2)描述核外电子运动的方法：不可能同时准确地测定电子的位置和速度
4、，即无法确定电子的运动轨迹。因此，人们通过对波函数进行数学处理计算出电子在原子核外空间某处单位体积内出现概率大小的方法来描述电子的运动规律。(3)电子云图：形象地描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形称为电子云图。氢原子电子的概率分布呈球形对称，而且电子在原子核附近单位体积内出现的概率大，离核越远，单位体积内电子出现的概率越小。(4)电子云的意义：电子云不仅表示了电子在核外空间某处单位体积内出现的概率，同时说明量子力学中轨道的含义已与玻尔轨道的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。微点拨：对电子云的理解误区(1)电子云表示电子在原子核外空间某处单位体积内出现
5、的概率，不代表电子的实际运动轨迹。(2)电子云图中的小点不表示实际电子，而是电子在原子核外空间某处单位体积内出现概率大小的形象描述。点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。判断正误(正确的打“”，错误的打“”)(1)卢瑟福根据粒子散射现象，提出了原子结构的有核模型。()(2)电子云图中小黑点的密度小，表示电子在该区域内运动的速率慢。()(3)同一原子不同能层的电子云轮廓图的形状相同，半径相等。()(4)汤姆生发现电子，并提出原子结构轨道模型。()(5)玻尔原子结构模型是在研究氢原子光谱时，引入量子论观点而提出的。()二、核外电子的
6、运动特征1电子层(1)电子层的含义习惯上常用n表示电子层。n所描述的电子运动状态称为电子层，由内向外n的取值为正整数1、2、3、4、5等，对应的符号分别为K、L、M、N、O等。(2)各电子层上电子的能量与离原子核远近的关系一般而言，n越大，电子离原子核的平均距离越远，该电子层上的电子具有的能量越高。2原子轨道在含有多个电子的原子中，同一电子层的原子核外电子，可以在不同类型的原子轨道上运动，其能量也不相同。轨道的类型不同，能量不同，形状也不同。分别用s、p、d、f等表示不同形状的轨道。如图为s轨道和p轨道的示意图：3.原子轨道的形状和空间伸展方向s轨道呈球形，p轨道呈纺锤形，d轨道和f轨道的形状
7、更为复杂。原子轨道的形状是将这个能级上的电子在核外出现概率P90%的空间圈出来所得的电子云轮廓图。形状相同的原子轨道在原子核外空间还有不同的伸展方向。s轨道是球形对称的，所以s轨道只有1个轨道；p轨道在空间有x、y、z 3个伸展方向，所以p轨道包括px、py、pz 3个轨道。d轨道有5个伸展方向(5个轨道)，f轨道有7个伸展方向(7个轨道)。4核外电子所处轨道的表示方法 为了表明原子核外电子所处的轨道，人们将表示电子层的n和表示原子轨道形状的s、p、d、f结合起来表示原子轨道，如1s、2s、2p(2px、2py、2pz)、3d等。各电子层包含的原子轨道数目和可容纳的电子数如下表所示：电子层原子
8、轨道类型原子轨道数目可容纳的电子数11s1222s 、2p4833s、3p、3d91844s、4p、4d、4f1632nn22n25.经过科学家的深入研究，发现原子轨道能量的高低存在如下规律(1)处于相同电子层的原子轨道能量的高低：nsnpndnf。(2)形状相同的原子轨道能量的高低：1s2s3s4s(3)电子层和形状均相同的原子轨道的能量相等，如2px、2py、2pz轨道的能量相等。6电子的“自旋”运动原于核外电子还存在一种称为“自旋”的运动。原子核外电子的自旋可以有两种不同的状态，通常人们用向上的箭头“”和向下的箭头“”来表示这两种不同的自旋状态。当然，“电子自旋”并非真像地球绕轴自转一样
9、，它只是代表电子的两种不同状态。判断正误(正确的打“”，错误的打“”)(1)最多可容纳8个电子的电子层一定是第二电子层。()(2)任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级。()(3)只有在电子层、原子轨道、原子轨道的伸展方向及电子的自旋方向都确定时，电子的运动状态才能被确定下来。()(4)决定轨道能量的是原子轨道空间分布和电子自旋方向。()(5)s电子的原子轨道呈球形，p轨道电子沿轴呈“8”字形运动。()核外电子运动的描述材料一截至2019年11月23日，中国已系统掌握各种复杂地质及气候条件下高铁建造成套技术，攻克铁路工程建造领域一系列世界性技术难题：全面掌握构造速度200 250 km/h
10、、300350 km/h动车组制造技术，构建涵盖不同速度等级、成熟完备高铁技术体系；中国高速铁路列车最高运营速度350 km/h，居全球首位。材料二电子是一种微观粒子，在原子内、原子核外很小的空间(直径约1010 m)内做高速运动。电子的运动非常复杂，一个电子的运动状态可以从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋状态；在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在。问题1核外电子的运动与高铁的运动状态一样吗？核外电子的运动有无固定的方向和轨迹？提示电子在原子核外很小的空间内做高速无规则的运动，它没有明确的运动方向和轨迹。问题2前面我们已经学习
11、了核外电子排布的知识，核外电子排布的各个规律是孤立的吗？提示核外电子排布的一般规律相互联系、相互制约，任何一条都不能违背。问题3量子力学把原子中的单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述。如何从量子力学的角度描述核外电子的运动状态？提示电子层、能级、原子轨道和自旋状态四个因素决定了电子的运动状态；与电子能量有关的因素有电子层和能级，即处于同一电子层同一能级中的电子具有相同的能量。1核外电子排布的一般规律(1)原子核外各电子层最多容纳的电子数为2n2个(n代表电子层序数)，即第一层不超过2个，第二层不超过8个，第三层不超过18个。(2)原子最外层电子数目不超过8个(K层为最外层时不超过2个)。(3
12、)次外层电子数目不超过18个(K层为次外层时为2个)，倒数第三层电子数目不超过32个。(4)核外电子总是尽可能地先排布在能量较低的电子层，然后由里向外，依次排布在能量逐步升高的电子层。2核外电子的不同能量的符号描述(1)在每一个电子层中，能量不同的电子，分别在不同的能级上运动，常用符号ns、np、nd、nf(n代表电子层)表示。s、p、d、f代表不同的轨道形状。每层包含的轨道符号、能级符号、能量大小顺序如下图所示：(2)同一能级又可能包含几个空间取向不同的原子轨道：s能级中有1个原子轨道；p能级中有3个能量相同的原子轨道，分别记作npx、npy、npz；d能级中有5个能量相同的原子轨道。1人类
13、对原子结构的认识经历了漫长的历史阶段。其中最有代表性的有道尔顿原子结构模型、汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型和玻尔原子结构模型等。这些原子结构模型都是建立在一定的实验研究基础上的。下列实验事实与原子结构模型建立的关系正确的是()A电子的发现：道尔顿原子结构模型B粒子散射：卢瑟福原子结构模型C粒子散射：玻尔原子结构模型D氢原子光谱：卢瑟福原子结构模型BA道尔顿原子结构模型是依据一些元素化合时具有确定的质量比例关系而提出的，A错误；B卢瑟福原子结构模型是通过粒子的散射实验提出的，B项正确；C玻尔原子结构模型是在研究氢原子光谱时，引入量子论观点而提出的，C项错误；D玻尔的原子模型很好地解释了氢
14、原子光谱，D错误。2.如图为氢原子的电子云图，下列说法正确的是()A电子云图中小黑点的密度越小，电子数目越少B电子云图中小黑点的密度越大，单位体积内电子出现的概率越大C所有电子云轮廓图都是球形D电子云图中小黑点的密度小，表示电子在该区域内运动的速率慢BA电子云图中小黑点的密度并不代表电子数目多少，是代表电子在空间某处出现的概率，小黑点的密度小，表示电子在核外该空间单位体积内出现的概率小，A项错误；B电子云图中小黑点的密度并不代表电子数目多少，是代表电子在空间某处出现的概率，密度越大，单位体积内电子出现的概率越大，B项正确；C只有s电子的电子云轮廓图才是球形，C项错误；D小黑点的密度小，表示电子
15、在核外该空间单位体积内出现的概率小，不表示电子在该区域内运动的速率慢，D项错误。3下面是s能级和p能级的原子轨道图，下列说法正确的是()As轨道电子球形运动，p轨道电子沿轴呈“8”字形运动Bs能级电子能量低于p能级C每个p能级有3个原子轨道，在空间伸展方向是相同的D任一电子层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该电子层序数DAs电子的原子轨道呈球形，p电子的原子轨道是“8”字形的，但是电子是做无规则运动，轨迹是不确定的，A错误；B处于相同电子层的原子轨道能量：nsnp，B错误；C不同能级的电子云有不同的空间伸展方向，p轨道有3个相互垂直的呈纺锤形的不同伸展方向的轨道，C错误；D多电子原子中，同一能层的电子，能量可能不同，还可以把它们分成能级，任一能层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该能层序数，D正确。1自
