能量最低原理 泡利原理洪特规则

成才之路·化学路漫漫其修远兮吾将上下而求索人教版·选修③原子结构与性质第一章第一节原子结构第一章第2课时能量最低原理泡利原理洪特规则自主探究新知预习2预习自测初试牛刀3课堂探究疑难解惑4课堂达标夯实基础5视点拓展专家博客6课时作业7情境呈现激趣入题1情境呈现激趣入题霓虹灯为什么能够发出五颜六色的光霓虹灯之所以能够发出五颜六色的光，其原因与氢原子光谱形成的原因基本相同。对霓虹灯而言，灯管中装载的气体不同，在高电压的激发下发出的光的颜色就不同。例如，氖灯的灯管中充入的气体是氖气，通电后在电场作用下，放电管里的氖原子中的电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，但处在能量较高轨道上的电子会很快地以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，所以我们看到的是红色光。类似地，在通电后氩气发蓝色光，氦气发粉红色光，水银蒸气发蓝色光，等等。自主探究新知预习一、基态与激发态、光谱1．能量最低原理现代物质结构理论证实，原子中的电子排布遵循________能使整个原子的能量处于________状态，简称能量最低原理。2．基态原子与激发态原子构造原理最低最低能量吸收释放能量较高3．光谱与光谱分析(1)原子光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子________光谱或________光谱，总称原子光谱。(2)光谱分析：现代化学中，常利用原子光谱上的________来鉴定元素，称为光谱分析。吸收发射特征谱线二、电子云与原子轨道1．电子云(1)概念：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__________分布的形象化描述。小黑点越密，表示概率密度________。由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为________。概率密度越大电子云(2)电子云的形状：s电子云呈________形p电子云呈________形球哑铃2．原子轨道(1)原子轨道：通常把电子云轮廓图中电子出现的概率约为________的空间圈出来，这种电子云轮廓图称为原子轨道。每一个原子轨道表示电子在原子核外的________空间运动状态。(2)能级与原子轨道数目关系能级符号nsnpndnf轨道数目90%一个1357三、核外电子排布1．泡利原理在一个原子轨道里最多只能容纳________个电子，而且自旋状态________，用________表示。2．洪特规则；当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先____________一个轨道，而且自旋状态____________。如氮原子、氟原子的电子排布图：2相反“↑↓”单独占据相同↑↑↑↑↓↑↓↑3．电子排布图：用方框表示原子轨道，用不同方向的箭头表示自旋状态不同的电子的式子。如氮原子的电子排布图是_____________________。预习自测初试牛刀答案：(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×1．思考辨析：导学号09440040(1)电子跃迁时只吸收能量。()(2)处于激发态的原子都遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。()(3)电子云图中的小黑点密度的大小表示电子的多少。()(4)任意能层上的s轨道电子云都是球形的。()(5)正确地描述了核外电子运动状态且能据此确定电子能级。()2．下列说法正确的是导学号09440041()A．自然界中的所有原子都处于基态B．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性答案：B解析：处于最低能量的原子称为基态原子。电子由较低能级向较高能级跃迁，叫激发。激发态原子的能量只是比原来基态原子的能量高。如果电子仅在内层激发，电子未获得足够的能量，不会失去。答案：C解析：根据构造原理写出来的原子处于基态。当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。A项，电子从2s能级跃迁到2p能级，属于激发态；B项属于基态；C项，电子从3s能级跃迁3d能级，属于激发态，D项，电子从3s能级跃迁到3p能级，属于激发态。3．下列表达正确的是导学号09440042()A．1s22p1属于基态B．1s22s22p63s23p63d54s2属于激发态C．1s22s22p63d1属于激发态D．1s22s22p63s1属于基态答案：C解析：A和B两项都是电子排布式，C和D两项都是电子排布图，其中C项违背了洪特规则。4．下如关于硅原子的核外电子排布表示式中，错误的是导学号09440043()A．1s22s22p63s23p2B．[Ne]3s23p2C．D．答案：D5．下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是导学号09440044()A．原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C．p能级的原子轨道呈哑铃形，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大解析：电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包围，故选项A错误；原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的机会大，在此区域外出现的机会少，故选项B错误；无论能层序数n怎样变化，每个p能级都是3个原子轨道且相互垂直，故选项C错误；由于按1p、2p、3p…的顺序，电子的能量依次增大，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展、原子轨道的平均半径逐渐增大。6．如图是s能级和p能级的原子轨道图，试回答问题：导学号09440045s电子的原子轨道呈________形，每个s能级有________个原子轨道；p电子的原子轨道呈________形，每个p能级有________个原子轨道。答案：球1哑铃3解析：ns能级各有1个轨道，np能级各有3个轨道，s电子的原子轨道都是球形的，p电子的原子轨道都是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以px、py、pz表示。课堂探究疑难解惑1.能量最低原理：原子核外电子总是优先占有能量低的轨道，然后依次进入能量高的轨道，这样使整个原子处于能量最低的状态。这个原则是比较抽象的，如果我们打个这样的比方就可以理解了，也易于记忆了。把地球比作原子核，把能力高的大雁、老鹰等鸟比作能量高的电子，把能力低的麻雀、小燕子等鸟比作能量低的电子。能力高的鸟常在离地面较高的天空飞翔，能力低的鸟常在离地面很低的地方活动。核外电子排布遵循的规律2．泡利原理：每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态相反的电子。如2s轨道上的电子排布为，不能表示为。比如氦原子有两个电子，按能量最低原则，这两个电子都应当排布在1s原子轨道上。显然，这两个电子在1s轨道上的分布可能是下列两种状态之一：↑↑(自旋相同)或↑↓(自旋相反)。泡利通过总结诸多光谱实验事实确定，基态氦原子的电子排布是↑↓，这就是电子在原子轨道上排布要遵循的原则——泡利不相容原理。3．洪特规则：原子核外电子在能量相同的各个轨道上排布时，电子尽可能分占不同的原子轨道，且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。比如C：最外层的p能级上有三个轨道写出基态C原子的最外层p能级上两个电子的可能排布：p有3个轨道，而碳原子2p能层上只有两个电子，电子应优先分占，而不是挤入一个轨道，C原子最外层p能级上两个电子的排布应如①所示，这就是洪特规则。提示：为什么某些原子核外电子排布违背构造原理？根据构造原理，在书写少数元素如Cu、Ag、Au、Cr等基态原子的电子排布式时会有1个电子的偏差。如Cr：1s22s22p63s23p63d54s1(非3d44s2)，Cu：1s22s22p63s23p63d104s1(非3d94s2)。对于这一现象，洪特通过分析光谱实验的结果指出：能量相同的原子轨道在全充满(如s2、p6和d10等)、半充满(如s1、p3和d5等)以及全空(如s0、p0和d0等)状态时体系的能量较低，原子较稳定。如Cr：半充满时比有空轨道时要稳定，出现该种情况的元素一般位于过渡元素区。还需要补充说明的是电子排布的构造原理是概括了大量实验事实后提出的一般结论。因此，绝大多数原子的核外电子排布与原理一致。但有些过渡元素会出现特殊情况，构造原理还有待于进一步发展完善。下列原子的最外层电子的电子排布图中，哪一种状态的能量较低？导学号09440046(1)氮原子：(2)钠原子：A.3s1B．3p1(3)铬原子：A.3d54s1B．3d44s2(4)碳原子：解析：据洪特规则，电子在能量相同的各个轨道上排布时尽可能分占不同的原子轨道，且自旋状态相同，故(1)选B，(4)选A；据能量最低原理，核外电子先占有能量低的轨道，再占有能量高的轨道，(2)中由于s轨道能量低于p轨道，故选A；(3)中A：d5为半充满状态，为相对稳定的状态，B不是，所以选A。答案：(1)B(2)A(3)A(4)A点评：在书写基态原子的电子排布图时，常出现以下几种错误：●变式训练1．请指出下列元素原子的电子排布式或电子排布图各违背了哪一规律，并更正。导学号09440047(1)C：1s22s22p2x2p0y2p0z。(2)Sc：1s22s22p63s23p63d3。(3)Ti：1s22s22p53s23p10。(4)F－：1s22s23p6。(5)Cr：1s22s22p63s23p63d44s2。答案：(1)洪特规则C：1s22s22p1x2p1y2p0z(2)能量最低原理Sc：1s22s22p63s23p63d14s2(3)泡利原理Ti：1s22s22p63s23p63d24s2(4)能量最低原理F－：1s22s22p6(5)洪特规则Cr：1s22s22p63s23p63d54s1解析：从电子排布遵循的原则入手，看是否符合能量最低原理、泡利原理、洪特规则及其特例。1.电子排布式(1)定义：用核外电子分布的原子轨道(能级)及各原子轨道(能级)上的电子数来表示电子排布的式子。如1s22s22p4、1s22s22p63s23p63d64s2分别是O、Fe原子的电子排布式。以铝原子为例，电子排布式中各符号、数字的意义为：描述核外电子排布的化学用语(2)简化的电子排布式电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示，以简化电子排布式。以稀有气体的元素符号外加方括号表示的部分称为“原子实”。如钙的电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，其简化的电子排布式可以表示为[Ar]4s2。(3)外围电子排布式在原子的核外电子排布式中，省去“原子实”后剩下的部分称为外围电子排布式，也叫价电子排布。如氯、铜原子的电子排布式分别为1s22s22p63s23p5、1s22s22p63s23p63d104s1，用“原子实”的形式分别表示为[Ne]3s23p5、[Ar]3d104s1，其外围电子排布式分别为3s23p5、3d104s1。提示：①虽然电子排布是遵循构造原理的，但书写时应按照电子层的顺序排列。如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，而不宜写作1s22s22p63s23p64s23d6。②主族元素的最外层电子就是外围电子，又称价电子。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。③元素周期表中呈现的电子排布是各元素原子的外围电子排布。2．电子排布图以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为：在电子排布图中也可以用圆圈表示一个原子轨道，如Na：。电子排布式和电子排布图反映的是基态原子即处于最低能量状态的原子的电子排布情况。它们相互关联，可以非常方便地相互转换。3．原子结构示意图原子结构示意图是表示原子的核电荷数和核外电子在原子核外各电子层排布的图示。4．电子式在化学反应中，一般是原子的最外层电子数目发生变化。为了简便起见，化学中常在元素符号周围用小黑点“·”或小叉“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式