2022-2023学年高中化学 第一章 第一节 第二课时 能量最低原理 电子云与原子轨道学案（含解析）新人教版选修3

2022-2023学年高中化学 第一章 第一节 第二课时 能量最低原理 电子云与原子轨道学案（含解析）新人教版选修3 课标要求1了解原子核外电子的运动状态。2知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁，了解其简单应用。,1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，简称能量最低原理。处于最低能量的原子叫做基态原子。2在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反，这个原理称为泡利原理。3当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同，这个规则称为洪特规则。4电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道，s能级只有一个原子轨道，p能级有三个原子轨道：px、py、pz。 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。2基态原子与激发态原子(1)基态原子：处于最低能量的原子。(2)激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁到较高能级，变成激发态原子。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，利用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。(2)基态、激发态与光谱图示：(3)光谱分析：在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。特别提醒(1)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，将以光的形式释放能量。(2)日常生活中看到的灯光、激光、焰火等可见光，都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。1下列关于同一原子中的基态和激发态说法中，正确的是()A基态时的能量比激发态时高B激发态时比较稳定C由基态转化为激发态过程中吸收能量D电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱解析：选C激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确；电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。2电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取()A电子的运动轨迹图像B原子的吸收光谱C电子体积大小的图像 D原子的发射光谱解析：选B能量E(3d)E(4p)，故电子由3d能级跃迁至4p能级时，要吸收能量，形成吸收光谱。3对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是()A电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量B电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线C氖原子获得电子后转变成能发出红光的物质D在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应解析：选A在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生红色光，故A项正确。 1电子云(1)电子运动的特点：电子的质量小，运动速度快且没有规则，无法确定核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定在原子核外各处出现的概率。(2)电子云：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概率密度分布的形象化描述。小黑点越密，表示概率密度越大。2原子轨道(1)概念：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。(2)各能级所含原子轨道数目能级符号nsnpndnf轨道数目1357电子云形状球形哑铃形3核外电子的排布(1)核外电子排布规则能量最低原理：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。泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反。洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。(2)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：特别提醒(1)洪特规则特例：能量相同的原子轨道在全充满(如d10)、半充满(如d5)和全空(d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。(2)电子排布图又称为轨道表示式，在写基态原子的轨道表示式时，常出现以下错误：1.核外电子排布的表示方法主要有哪些？提示：主要有四种方法，即原子结构示意图、电子排布式、简化电子排布式、电子排布图。2.你能用上述方法表示硫原子的核外电子排布吗？提示：原子结构示意图电子排布式1s22s22p63s23p4简化电子排布式Ne3s23p4电子排布图核外电子排布表示方法归纳原子结构示意图含义将每个能层上的电子总数表示在原子核外的式子示例Na: O2： 电子排布式含义用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数示例O：1s22s22p4Al：1s22s22p63s23p1简化电子排布式含义把内层电子排布达到稀有气体结构的部分用稀有气体的元素符号外加方括号表示示例O：He2s22p4Al：Ne3s23p1电子排布图含义每个方框表示一个原子轨道，每个箭头代表一个电子示例1.判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)电子云中的小黑点表示电子的多少()(2)p能级中有3个相互垂直的原子轨道()(3)基态碳原子的电子排布图为(4)基态铁原子的简化电子排布式为Ar3d64s2()答案：(1)(2)(3)(4)2.(1)基态镓(Ga)原子的电子排布式：_。(2)Fe3的电子排布式为_。(3)基态铜原子的核外电子排布式为_。(4)Ni2的3d能层电子排布图为_。答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1 (2)1s22s22p63s23p63d5(3)1s22s22p63s23p63d104s1(4) 三级训练节节过关 1.以下电子排布式是基态原子的电子排布式的是()A.1s12s1B1s22s12p1C.1s22s22p63s2 D1s12s12p63p1解析：选C根据构造原理，基态原子的核外电子的排布总是优先占据能量低的能级，填满后再逐一填充能量高的能级。低能量的能级没填满就填高能量的能级的原子处于激发态。A项，1s12s1为激发态；B项1s22s12p1为激发态；D项1s12s12p63p1为激发态；只有C项处于基态。2.生活中的下列现象与原子核外电子发生跃迁有关的是()A.钢铁长期使用后生锈 B节日里燃放的焰火C.金属导线可以导电 D卫生丸久置后消失解析：选B钢铁长期使用后生锈是化学变化，有电子的转移；焰火是电子由较高能量的激发态，跃迁到较低能量的基态，多余的能量以光的形式释放出来；金属导线导电是自由电子的定向移动；卫生丸久置后消失是升华。3.氢原子的电子云图中小黑点表示的意义是()A.1个小黑点表示一个电子B.黑点的多少表示电子个数的多少C.表示电子的运动轨迹D.表示电子在核外空间出现的概率解析：选D在电子云图中，小黑点并不代表电子，小黑点代表电子在核外空间区域内出现的概率，小黑点的疏密与电子在该区域出现的概率大小成正比。4.下列轨道表示式能表示基态氮原子的核外电子排布的是()解析：选C根据洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同，因此，基态氮原子2p能级上的电子排布应为 ，C项正确。5.已知锰的核电荷数为25，以下是一些同学绘制的基态锰原子外围电子的电子排布图，其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是()解析：选D根据洪特规则知，电子在能量相同的原子轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道且自旋方向相同，故排除A、C两项；根据泡利不相容原理知，一个原子轨道最多容纳2个电子，且自旋方向相反，故排除B项。6.按要求完成下列填空：(1)11Na的电子排布式为_。(2)20Ca的最外层电子排布式为_。(3)35Br的离子结构示意图为_。(4)8O的电子排布图为_。解析：11Na：1s22s22p63s1；20Ca：1s22s22p63s23p64s2，其最外层电子排布式为4s2；35Br的离子结构示意图为；8O的电子排布式为1s22s22p4，其电子排布图为 答案：(1)1s22s22p63s1(2)4s2(3) (4) 1.下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是()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：选DA项，电子云只是一种对核外电子运动的“形象”描述；B项，核外电子并不像宏观物体的运动那样具有一定的轨道；C项，p能级在任何能层均只有3个轨道。2.当碳原子的核外电子排布由 转变为 时，下列说法正确的是()碳原子由基态变为激发态碳原子由激发态变为基态碳原子要从外界环境中吸收能量碳原子要向外界环境中释放能量A. BC. D解析：选C核外电子排布由2s22p2转变为2s12p3，碳原子体系能量升高，由基态变为激发态，要从外界环境中吸收能量。3.观察1s轨道电子云示意图，判断下列说法正确的是()A.一个小黑点表示1个自由运动的电子B.1s轨道的电子云形状为圆形的面C.电子在1s轨道上运动像地球围绕太阳旋转D.1s轨道电子云的点的疏密表示电子在某一位置出现机会的多少解析：选D由电子云图可知，处于1s轨道上的电子在空间出现的概率分布呈球形对称，而且电子在原子核附近出现的概率最大，离核越远，出现的概率越小。图中的小黑点不表示电子，而表示电子曾经出现过的位置。4.基态硅原子的最外能层的各能级中，电子排布的方式正确的是()解析：选C基态硅原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理、洪特规则，只有C选项正确。5.对于Fe的下列电子排布，正确的是()解析：选AFe原子的核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2，据洪特规则可知A正确。6某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了()A泡利原理 B能量最低原理 C洪特规则 D洪特规则特例解析：选Ap能级有三个轨道，根据泡利原理，每个轨道最多排2个电子，故p能级最多排6个电子，不可能排7个，故违背泡利原理。7下列原子中未成对电子数最多的是()ACBOCN DCl解析：选C本题综合考查能量最低原理、泡利原理、洪特规则。各原子的轨道表示式为碳原子有2个未成对电子，氧原子有2个未成对电子，氮原子有3个未成对电子，氯原子有1个未成对电子。8下列3d能级的电子排布图正确的是()解析：选BA、D中同一个原子轨道内电子的自旋状态相同，违反了泡利原理；C违反了洪特规则当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且电子的自旋状态相同。9K层有_个能级，用符号分别表示为_；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n能层最多可能有_个能级，能量最低的两个能级其符号分别表示为_，它们的原子轨道电子云形状分别为_、_。解析：此题对能层和能级的关系作了总结，有助于理解和掌握以下几个基本内容：第n个能层有n个能级；核外电子的能量取决于该电子所处的能层和能级；s能级和p能级电子云的形状。答案：11s22s、2p33s、3p、3dnns、np球形哑铃形10下表为元素周期表中第四周期的部分元素(从左到右按原子序数递增排列)，根据要求回答下列各小题：KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGe(1)在以上元素的基态原子的电子排布中，4s轨道只有1个电子的元素有_(填元素名称)。(2)写出Cr3的电子排布式_。(3)Fe3的化学性质比Fe2稳定，其原因是_。(4)前四周期元素中，基态原子中未成对电子数与其所在周期数相同的元素有_种。解析：(1)由核外电子排布轨道能量顺序可知，4s轨道只有1个电子，则3d轨道可能为0(全空)、5(半充满)、10(全充满)，则有1s22s22p63s23p64s1、1s22s22p63s23p63d54s1、1s22s22p63s23p63d104s1，分别为钾、铬、铜。(2)Cr原子失去3个电子生成Cr3，则电子排布式为1s22s22p63s23p63d3。(3)Fe3的电子排布式为Ar3d5，Fe2的电子排布式为Ar3d6，Fe3的3d5半充满结构更稳定。(4)分周期一一讨论，第一周期中基态原子中未成对电子数为1个的是氢原子，第二周期中基态原子中未成对电子数为2个的可以是1s22s22p2或1s22s22p4，是碳原子或氧原子，第三周期中基态原子中未成对电子数为3个的可以是1s22s22p63s23p3，是磷原子，第四周期中基态原子中未成对电子数为4个的只能是过渡元素，符合条件的只有铁原子，其核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，因此共有5种元素符合题意。答案：(1)钾、铬、铜(2)1s22s22p63s23p63d3(或Ar3d3)(3)Fe3的3d轨道填充了5个电子，为半充满状态(4)5 1以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是()AHe B.C1s2 D. 解析：选D A、B、C三项的表示方法只能说明氦原子核外第一能层有两个电子，但是不能说明这两个电子的运动状态，而D项说明两个电子均在1s能级，且自旋状态相反。2下列各基态原子的核外电子排布表示正确的是()A钠原子：1s22s22p7B铜原子：1s22s22p63s23p63d94s2C铁原子：1s22s22p63s23p63d8D氪原子：1s22s22p63s23p63d104s24p6解析：选DA项违背了泡利原理；B项违背了等价轨道在全空、半满、全满时是稳定状态；C项违背了能量最低原理。3人们把电子云轮廓图称为原子轨道，下列有关说法错误的是()As电子的原子轨道都是球形的，2s电子比1s电子能量高且电子云比1s更扩散Bp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，能量相同Cp电子能量一定高于s电子能量D处于同一原子轨道电子，自旋状态有两种解析：选C同一电子层上p电子能量高于s电子能量，不同电子层上p电子能量不一定高于s电子能量，如3s2p。4某原子核外共有6个电子，分布在K与L电子层上，其基态原子在L层分布中正确的是()解析：选DA项中2s上应有两个自旋状态相反的电子；B项中2p上两个电子自旋状态应相同；C项违背洪特规则，电子应尽可能占据不同轨道。5在d轨道中电子排布成 ，而不排布成，其最直接的根据是()A能量最低原理 B泡利原理C原子轨道构造原理 D洪特规则解析：选D洪特规则表明，当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道且自旋方向相同。6下列电子排布式或电子排布图正确的是()AO原子的电子排布图：BCa原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d2CN原子的电子排布图：DBr的电子排布式：Ar3d104s24p6解析：选DA项，O原子的电子排布图违背洪特规则；B项，Ca原子的电子排布式违背能量最低原理；C项，N原子的电子排布图违背泡利原理。7下列关于能层、能级和轨道之间的关系不正确的是()A每个能层上所有的能级数与能层的序数相等B每个能层(K、L、M)上所有的轨道数对应为1、3、5C每个能级(s、p、d)上所有的轨道数分别为1、3、5D每个能层(n)上所有的轨道总数为n2解析：选B每个能层所包含的轨道数等于该层各能级的轨道数之和，即是能层序数的平方(n2)，B错误，D正确。8下列说法正确的是()A原子核外电子排布式为1s2的原子与原子核外电子排布式为1s22s2的原子化学性质相似BFe3的最外层电子排布式为3s23p63d5C基态铜原子外围电子排布图为D基态碳原子最外层的电子排布图为解析：选B核外电子排布式为1s2的原子是He，核外电子排布式为1s22s2的原子为铍(Be)，He是稀有气体元素，Be是金属元素，化学性质不相似，A错误；Fe的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，失去电子时先失最外层，再失次外层，失去3个电子变成Fe3时，最外层电子排布式为3s23p63d5，B正确；基态铜原子外围电子排布图为 ，3d全充满，即符合洪特规则，C错误；基态碳原子的2s比2p轨道能量低，先填满2s再填2p，即。9A、B、C、D、E代表5种元素。请填空：(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，其元素符号为_。(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子层结构都与氩相同，B的元素符号为_，C的元素符号为_。(3)D元素的正三价离子的3d轨道为半充满，D的元素符号为_，其基态原子的电子排布式为_。(4)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，E的元素符号为_，其基态原子的电子排布式为_。解析：解答此题的关键是要熟练掌握原子的核外电子排布式，并特别注意原子的几种稳定态的核外电子排布：能量相同的原子轨道在全充满(如p6和d10)、半充满(如p3和d5)、全空(如p0和d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。答案：(1)N(2)ClK(3)Fe1s22s22p63s23p63d64s2(4)Cu1s22s22p63s23p63d104s110按照下列元素基态原子的电子排布特征判断元素，并回答问题。A原子中只有一个能层且只含1个电子；B原子的3p轨道上得到1个电子后不能再容纳外来电子；C原子的2p轨道上有1个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反；D原子第三能层上有8个电子，第四能层上只有1个电子；E原子的最外层电子排布式为3s23p6。(1)写出由A、B、C、D中的三种元素组成的化合物的化学式(至少写出5种)：_。(2)写出用上述元素组成的物质制得A的单质的化学方程式(至少写出2个)：_；_。(3)检验某溶液中是否含有D，可通过_反应来实现；检验某溶液中是否含有B，通常所用的试剂是_和_。(4)写出E的元素符号：_，要证明太阳上是否含有E元素，可采用的方法是_。解析：由A只有1个能层且只含1个电子，判断A为H元素；B原子3p轨道得1个电子饱和，则原有5个电子，即B的电子排布式为1s22s22p63s23p5，为Cl元素；C原子的电子排布图为，为O元素；D为K元素；E为Ar元素。答案：(1)KOH、KClO、KClO3、HClO、HClO3等(2)2H2O2H2O22K2H2O=2KOHH2(3)焰色AgNO3溶液稀HNO3(4)Ar对太阳光进行光谱分析