化学人教版选修3学案：1-1-1 原子的诞生　能层与能级　构造原理 Word版含解析 18页

www.ks5u.com 第一章　原子结构与性质 ‎1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子结构的行星模型。在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到原子核里。这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。‎ ‎1912年，正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔将一份被后人称作《卢瑟福备忘录》的论文提纲提交给他的导师卢瑟福。在这份提纲中，玻尔在行星模型的基础上引入了普朗克的量子概念，认为原子中的电子处在一系列分立的稳态上。回到丹麦后玻尔急于将这些思想整理成论文，可是进展不大。‎ ‎1913年2月4日前后的某一天，玻尔的同事汉森拜访他，提到了瑞士数学教师巴尔末的工作以及巴尔末公式，玻尔顿时受到启发。后来他回忆道：“就在我看到巴尔末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了，就像是七巧板游戏中的最后一块。”这件事被称为玻尔的“二月转变”。‎ ‎1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式提出。这三篇论文成为物理学史上的经典，被称为玻尔模型的“三部曲”。‎ 各式各样的原子结构模型，哪些真正体现了原子内部的结构？原子核外的电子究竟是怎样排布的？这一章我们就来具体学习一下，在学习本章时应注意：‎ ‎1．重视新、旧知识的密切联系。本章内容跟在初中化学课程和高中必修2中学习的原子结构与元素性质等知识都有密切的联系，在认识物质世界的层次上呈螺旋式上升。本章的知识之间有着严密的逻辑关系。例如，在学习元素周期律和元素周期表时，要以本章的原子结构理论为指导，并紧密地联系以前学过的有关元素化合物的知识。‎ ‎2．要注意概念之间的联系。运用类比方法，掌握概念的共性和差异性，理解概念的内涵和外延，以便顺利、深入地理解所学知识，并构建起以原子结构为核心的知识体系。‎ ‎3．以辩证唯物主义的观点认识自然科学原理。坚持对立统一的观点，有利于学习原子结构的知识；运用量变质变原理，有利于正确、深刻地理解元素周期律及其实质。‎ ‎4．注重科学思维。本章内容较抽象，理论性强。要学好本章内容，一定要充分发挥自身在学习过程中的主体作用，在探究的过程中学习新知识。对那些复杂、抽象的问题，积极、主动地进行分析、归纳、判断、推理。认真阅读教材，充分利用教材中丰富多彩的栏目内容，将抽象的知识具体化，理解事实中蕴涵的理论和思想。‎ 第一节　原子结构 第一课时　原子的诞生　能层与能级　构造原理 ‎[学习目标]　1.通过对比知道原子核外电子的能层、能级分布及其与能量的关系。‎ ‎2．通过了解原子结构的模型，了解原子结构的构造原理。‎ ‎3．熟记基态原子核外电子在原子轨道上的排列顺序，能熟练画出1～36号元素基本原子的核外电子排布。‎ ‎4．知道核外电子排布应遵循能量最低原理，理解基态、激发态和光谱间的关系。‎ 一、原子的诞生 ‎1. ‎2．宇宙的组成元素 ‎3．地球上的元素 元素 二、能层与能级 ‎1．分类依据 根据多电子原子核外电子的能量差异，将核外电子分成不同的能层。‎ ‎2．能层的表示方法及各能层最多容纳的电子数 ‎3.分类依据 根据多电子原子中同一能层电子能量的不同，将它们分成不同能级。‎ ‎4．能级的表示方法及各能级最多容纳的电子数。‎ 三、构造原理 ‎1．构造原理 随着原子核电荷数的递增，绝大多数元素的原子核外电子的排布将遵循以下排布顺序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s、……人们把它称为构造原理。如图：‎ ‎2．电子排布式 根据构造原理，只要知道原子序数(等于核电荷数)，就可以写出几乎所有元素原子的电子排布，这样的电子排布是基态原子的。用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式，如Na：1s22s22p63s1。‎ 说明：以Al原子为例，电子排布式中各符号、数字的意义分别为 ‎3．原子的外围电子排布 由于原子的内层电子不参与化学反应，只有最外层电子发生变化，故描述原子核外电子排布时，省去内层电子，仅写出可能参与反应的外围电子层的排布，即得到元素原子的外围电子排布式。例如，周期表中所表示的Fe：3d64s2；S：3s23p4。‎ ‎4．简化电子排布式 为了方便，常把内层已达稀有气体电子层结构的部分用稀有气体符号加括号表示。‎ 如K：，所以原子的电子排布式可表示为：[Ar]4s1，又如Na：[Ne]3s1，Fe：[Ar]3d64s2。‎ 四、能量最低原理 ‎1．能量最低原理 原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态。即在基态原子里，电子优先排布在能量最低的能级里，然后排布在能量逐渐升高的能级里。‎ ‎2．基态与激发态原子 ‎(1)基态：最低能量状态。处于最低能量状态的原子称为基态原子。‎ ‎(2)激发态：较高能量状态(相对基态而言)。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。‎ ‎(3)基态原子、激发态原子相互转化时与能量的关系：基态原子激发态原子。‎ ‎3．光谱 ‎(1)光谱 ‎“光谱”一词最早是由伟大的物理学家牛顿提出的。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放出不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，这些光谱统称为原子光谱。‎ ‎(2)光谱分析及其应用 在现代化学中利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。在历史上，有许多种元素都是通过光谱分析来发现的，如在1859年德国科学家本生和基尔霍夫发明了光谱仪，摄取了当时已知元素的光谱图。1861年基尔霍夫利用光谱分析的方法发现了铷元素。再如稀有气体氦的原意是“太阳元素”‎ ‎，是1868年分析太阳光谱时发现的，最初人们以为它只存在于太阳，后来才在地球上发现。‎ ‎(3)基态、激发态与光谱的联系 例如，电子可以从1s跃迁到2s、2p……相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。‎ 知识点一 能层与能级的组成及能量关系 ‎1．能层 ‎(1)在多电子原子中，核外电子是分层运动的，能量高的电子在离核远的区域里运动，能量低的电子在离核近的区域里运动。这也说明多电子的原子中电子的能量是不同的。能量不同的电子在核外不同的区域内运动，这种不同的区域称为能层，即“电子层”(n)。‎ 例如：氯原子的结构示意图为，表示氯原子的17个电子分布在三个能量不同的能层上。‎ ‎(2)每一能层最多容纳的电子数为2n2。‎ ‎(3)离核越近的能层，能量越低。‎ ‎(4)能层的表示方法：‎ ‎2.能级 ‎(1)在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同。同一能层的电子在不同能量的能级上运动，能级分别用s、p、d、f表示。就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。‎ ‎(2)在同一能层上不同能级的能量：nsE(4s)、E(4d)>E(5s)、E(5d)>E(6s)、E(6d)>E(7s)、E(4f)>E(5p)、E(4f)>E(6s)等。原因是电子之间存在着斥力，从而减弱了原子核对外层电子的吸引力，致使能级出现交错现象。‎ ‎3．各能级的能量高低顺序 ‎(1)Ens>E(n－1)s>E(n－2)s……‎ ‎(2)Enp>E(n－1)p>E(n－2)p……‎ ‎(3)End>E(n－1)d>E(n－2)d……‎ ‎(4)Enf>E(n－1)f>E(n－2)f……‎ ‎(5)能级交错：EnsE(n＋1)s。当ns和np充满时(共4个轨道，最多容纳8个电子)，多余电子不是填入nd，而是首先形成新电子层，填入(n＋1)s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个。‎ 同理可以解释为什么次外层电子数不超过18个。若最外层是第n层，次外层就是第(n－1)层。由于E(n－1)f>E(n＋1)s>Enp，在第(n＋1)层出现前，次外层只有(n－1)s、(n－1)p、(n－1)d上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，因此次外层电子数不超过18个。例如，原子最外层是第五层，次外层就是第四层，由于E4f>E6s>E5p，当第六层出现之前，次外层(第四层)只有在4s,4p和4d轨道上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，也就是次外层不超过18个电子。‎ ‎【例2】　构造原理揭示的电子排布能级顺序实质是各能级能量高低。若以E(nl)表示某能级的能量，以下各式中正确的是(　　)‎ A．E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)‎ B．E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)‎ C．E(4s)E(4s)>E(4f)>E(3d)‎ ‎【提示】　当比较不同能层、不同能级的能量高低时，要注意能级交错现象。‎ ‎【解析】　根据构造原理，各能级能量的大小顺序：1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s……A项和D项正确顺序为E(4f)>E(5s)>E(3d)>E ‎(4s)；对于不同能层的相同能级，能层序数越大，能量越高。‎ ‎【答案】　B 比较下列能级的能量大小关系(填“>”“＝”或“<”)：‎ ‎(1)2s<4s；(2)3p<3d；(2)3d>4s；(4)4d<5d；‎ ‎(5)2p<3s；(6)4d<5f。‎ 解析：由构造原理可知：①同一能层的能级能量高低顺序为：nsE(n＋1)s，这样n≥3，np充满时(共3个轨道，最多容纳6个电子)，多余电子不是填入nd轨道中，而是首先形成新电子层，填入(n＋1)s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个。‎ 同理，若最外层是第n层，次外层就是第(n－1)层。根据构造原理E(n－1)f>E(n＋1)s>Enp>E(n－1)d，在第(n＋1)层出现前，次外层只有(n－1)s、(n－1)p、(n－1)d上有电子，共9个轨道，最多可容纳18个电子。因此，次外层电子数不超过18个，例如当原子最外层是第五层时，次外层就是第四层，由于E4f>E6s>E5p>E4d，在第六层出现前，次外层(第四层)只在4s、4p、4d共9个轨道上有电子，最多可容纳18个电子。‎ ‎【例3】　下列各原子或离子的电子排布式错误的是(　　)‎ A．Na＋　1s22s22p6　　　　B．F　1s22s22p5‎ C．Cl－　1s22s22p63s23p5 D．Ar　1s22s22p63s23p6‎ ‎【提示】　书写电子排布式时，可用解决问题程序化思想。即可先写出原子或离子的结构示意图，然后按每个能层中的能级是按s、p、d、f的顺序排列，各能级上的电子数标在能级符号的右上角。‎ ‎【解析】　‎ 本题考查的是构造原理及各能级最多容纳的电子数。s能级最多容纳2个电子，p能级有3个轨道，最多可容纳6个电子，电子总是从能量低的电子层或原子轨道开始排列，Cl－应是Cl原子得到一个电子形成的稳定结构，所以Cl－的电子排布式应为1s22s22p63s23p6。‎ ‎【答案】　C 写出下列原子的电子排布式：‎ ‎(1)11Na1s22s22p63s1；(2)16S1s22s22p63s23p4；‎ ‎(3)34Se1s22s22p63s23p63d104s24p4；‎ ‎(4)20Ca1s22s22p63s23p64s2；‎ ‎(5)26Fe1s22s22p63s23p63d64s2；‎ ‎(6)30Zn1s22s22p63s23p63d104s2。‎ 解析：根据原子核外电子排布所遵循的原理书写原子的电子排布式，同时应注意从3d能级开始出现“能级交错”现象。‎ ‎1．下列各能层不包含d能级的是(　D　)‎ A．O能层 B．N能层 C．M能层 D．K能层 解析：多电子原子中，同一能层的电子可分为不同的能级，K层只有s能级，L层有s、p能级，从M层开始有d能级。‎ ‎2．下列叙述正确的是(　B　)‎ A．能级就是电子层 B．每个能层最多可容纳的电子数是2n2‎ C．同一能层中的不同能级的能量高低相同 D．不同能层中的s能级的能量高低相同 解析：能级应该是电子亚层，能层才是电子层；同一能层中的不同能级的能量的高低顺序是E(ns)