2019-2020年高中化学第1章原子结构1.1原子结构模型学案鲁科版.doc

2019-2020年高中化学第1章原子结构1.1原子结构模型学案鲁科版知识梳理一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型1.原子结构模型的发展（1）公元前400多年，古希腊哲学家把构成物质的最小单位叫做_。（2）1803年，英国化学家道尔顿把原子这一哲学名词变为化学中具有确定意义的实在微粒，并建立了_学说。（3）1903年，汤姆逊在发现_的基础上提出了原子结构的“_”模型，开始涉及原子内部的结构。（4）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_模型。（5）1913年，丹麦科学家玻尔进一步建立起_的原子结构模型。（6）20世纪20年代中期建立的_理论，使人们对原子结构有了更深刻的认识，从而建立了原子结构的_模型。2.氢原子光谱（1）通常所说的光是指人的视觉所能感觉到的在真空中波长介于_之间的电磁波。不同波长的光在人的视觉中表现出不同的颜色，按波长由长到短依次为_。实际上，广义的光即电磁波，除了可见光外，还包括_等。（2）人们在放电管内充入低压氢气，并在放电管两端的电极间加上高压电时，氢气会放电发光，经光谱仪记录得到的光谱是由具有特定波长，彼此分立的谱线所组成，即为_。3.玻尔的原子结构模型（1）为揭示氢原子光谱是线状光谱这一实验事实，玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了核外电子排布的原子结构模型。（2）玻尔原子结构模型的基本观点：原子中的电子在具有_轨道上绕原子核运动，并不辐射能量。在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量是_的，即能量是“一份一份”的，不能任意连续变化而只能取某些_的数值，轨道能量依n值（1,2，3）的增大而升高，n称为_。对氢原子而言，电子处在n=1的轨道时能量最低，称为_；能量高于基态的状态，称为_。只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会_能量。如果_的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了_。（3）玻尔的核外电子分层排布的原子结构模型成功地解释了氢原子光谱是_的实验事实。玻尔的重大贡献在于指出原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是_的。二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述1.原子轨道与四个量子数（1）根据量子力学理论，原子中的单个电子的空间运动状态可以用_来描述，而每个原子轨道由三个只能取整数的量子数_共同描述。（2）量子数n称为_，n的取值为正整数1，2，3，4，5，6对应的符号为_等。一般而言，n越大，电子离核的平均距离越远，_越高，因此将n值所表示的电子运动状态称为_。（3）量子数l称为_。对于确定的n值，l共有_个值：0、1、2、3（_），对应的符号分别为_等。若两个电子所取的n、l值均相同，就表明这两个电子具有相同的_。我们用_来表示具有相同_值的电子运动状态，在一个电子层中，l有多少个取值，就表示该电子层有多少个_。（4）科学实验发现，在没有外磁场时，量子数n、l相同的状态的能量是相同的；有外磁场时，这些状态的能量就_，我们用_m来标记这些状态，对于每一个确定的l，m值可取0，1，2，_，共_个值。（5）高分辨光谱实验事实揭示电子还存在着一种奇特的量子化运动，人们称其为_。人们用_ms来描述电子的自旋运动，处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态，只能有_种，分别用自旋磁量子数ms=_和ms=_来描述。（6）主量子数n对应着_；主量子数n和角量子数l对应着n电子层中的_；主量子数n，角量子数l和磁量子数m对应着n电子层中l能级中的_；自旋磁量子数ms描述的是电子的_。这样，原子中的电子运动状态可用由量子数_确定的原子轨道来描述，并取两种_状态中的一种。2.原子轨道的图像描述和电子云（1）根据量子力学理论，可以将原子轨道在空间的分布以图像方式在直角坐标系中表示出来，s轨道在三维空间分布的图形为_，即原子轨道具有_性；p轨道在空间的分布特点是分别相对于_对称，即p原子轨道在空间分布分别沿x、y、z方向。（2）对于质量非常_（电子质量仅为9.110-31kg），运动速度_（如在1 000 V电压下加速的电子的速度可高达1.9107ms-1）的微观粒子而言，人们不能同时准确地测定它的_和_。为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况，人们常用_来表示电子在原子核外出现概率的大小。点密集的地方，表示电子在那里出现的_，这种形象地描述_的图形称为电子云图。疑难突破1.玻尔解决了原子的稳定运动、光谱类型等问题，提出了著名的玻尔原子结构模型。但是实验研究表明，在外磁场作用下，氢原子光谱的谱线会分裂成多条，这是玻尔理论所不能解释的。根据以上知识，试简要回答玻尔理论的缺陷是什么？量子力学是如何解决这一问题的？剖析：根据玻尔理论，氢原子的一个电子通常在能量最低的轨道（基态）上运动，不释放能量。但当氢原子受到激发（加热或氢放电管放电）时，核外电子获得能量，即由基态跃迁至激发态。而处于激发态的电子极不稳定，它会迅速再跃迁至基态。在此跃迁过程中以光子的形式放出辐射能，发射出光子的频率取决于电子跃迁两轨道能级之差。由于各轨道的能量是不连续的（即量子化的），所以由电子的跃迁而发射出的光的频率也是不连续的，这便是氢原子光谱呈线状光谱的原因。线状光谱与连续光谱在谱线特征上有所不同，线状光谱是不连续的，连续光谱是连续的。 关系为E 0=h=E=E末-E始。 玻尔理论只能说明在电子发生特定跃迁时，若可以以光的形式将辐射或吸收的能量记录下来，其光谱应当是线状光谱。而在外磁场的作用下，这一特定跃迁将产生多条谱线，玻尔理论无法解释这种现象，表现出这一理论存在缺陷，需要有新理论作出科学说明，于是，产生了量子力学对原子结构模型的描述。2.如何理解基态、激发态与原子光谱？剖析：处于最低能量的原子叫做基态原子，基态原子是稳定的，此时电子尽可能地在离核最近的轨道上运动，这时原子的能量最低，若不加外界条件，则电子既不吸收，也不释放能量。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，此时的原子处于不稳定状态；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，吸收或释放的能量都是以光子的形式进行的。因此，我们日常生活中看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁吸收或释放能量有关。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的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱，每种原子都有自己特征的光谱。3.什么是电子云？电子云表示的意义是什么？剖析：当电子在原子核外很小的空间内做高速运动时，其运动规律跟普通物体不同，它们没有确定的轨道。因此，它们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能描画出它的运动轨迹。我们在描述核外电子的运动时，只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，所以，人们形象地把它叫做“电子云”。电子云密度大的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会多；电子云密度小的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会少，即只能确定它在原子核各处出现的概率。问题探究问题：小明在学习了原子轨道和电子云的知识后，对2pz轨道提出了这样的观点：它们都表示电子沿着“”形围绕原子核运动；电子云上的小黑点表示一个个电子围绕原子核运动。你认为上述观点正确吗？讲讲你的观点。探究：电子绕原子核运动是无规律的，没有确定的轨道。这里说的轨道形状表示原子轨道在三维坐标系中的分布情况，而不表示电子运动的轨迹。电子云上的小黑点是利用统计方法得到的结果，表示电子出现的几率，而不表示电子数目。所以，两种说法都不正确。典题精讲【例1】玻尔理论不能解释（ ）A.氢原子光谱为线状光谱B.在一给定的稳定轨道上，运动的核外电子不辐射能量C.氢原子的可见光区谱线D.在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线思路解析：玻尔理论是针对原子的稳定存在和氢原子光谱为线状光谱的事实提出的，有外加磁场时氢原子有多条谱线，玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象，必须借助量子力学加以解释。答案：D【例2】下列电子层中，包含有f能级的是（ ）A.K电子层 B.L电子层 C.M电子层 D.N电子层思路解析：K电子层（n=1）中,l的取值只能为0，对应的是1s能级；L电子层（n=2）中，l的取值只能为0或1，对应的是s、p能级（即2s和2p）；M电子层（n=3）中,l的取值有0、1、2,对应的是s、p、d能级（即3s、3p、3d）；N电子层（n=4）中，l的取值有0、1、2、3，对应的能级是s、p、d、f（即4s、4p、4d、4f）。而根据l与n的关系规律，l=3时，n的最小取值是l+1=3+1=4。即只有n4的电子层中才有f能级。所以，当n的取值分别是1、2、3时对应的K电子层、L电子层和M电子层中均无f能级。答案：D【例3】下列有关n、l、m、ms四个量子数的说法中，正确的是（ ）A.一般而言，n越大，电子离核平均距离越远，能量越低B.l的数值多少，决定了某电子层不同能级的个数C.对于确定的n值，m的取值共有2n+1个D.ms可取1/2两个数值，数值表示运动状态，正负号表示大小思路解析：随着n值的增大，电子离核的平均距离越来越远，能量越来越高；n值和l值相同的电子，能量相同，故同一电子层（n值相同）中能级个数取决于l的取值；对于确定的n值，m的取值共有n2个；ms所取的两个数值都表示电子自旋这一量子化运动的状态，正负号表示自旋方向而不表示大小。答案：B【例4】观察1s轨道电子云示意图，判断下列说法正确的是（ ）图13A.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思路解析：电子云中的小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率的大小。点密集的地方，表示电子在那里出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在那里出现的概率小。由图可知，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，而表现电子曾经出现过的位置。答案：D知识导学 本节内容是沿着原子结构发展的历史脉络，以原子光谱事实为线索，介绍了玻尔模型的不足和量子力学的建立。 由原子结构的认识历史来学习原子核外电子的运动特征。 古希腊哲学家德谟克利特认为万物是由大量的不可分割的微粒构成的，并把这些微粒叫原子(希腊文原意是“不可分割”)。 道尔顿是近代原子学说的创始人，他认为物质是由原子构成的，这些原子是不可分割的实心球体，同种原子的性质和质量都相同。 汤姆逊提出的模型认为：原子是带正、负电荷的微粒均匀分布构成的。 核式模型观点：原子是由居于原子中心占有体积“很小”、质量“很大”的带正电的原子核和占有体积“很大”、质量“很小”的带负电的电子构成的。 玻尔认为氢原子的原子核是一个质子，原子核带正电，原子核外有一个电子，带负电。 了解原子结构模型的发展简史，能帮助我们认识到科学认识的形成都是循序渐进的，科学家的伟大之处就在已有知识的基础上，创造性地提出新的思想和方法。 掌握玻尔的原子结构模型的理论要点，不要求用光谱来推出玻尔模型，但需要用玻尔模型来解释氢原子的线状光谱。 为了揭示氢原子光谱是线状光谱这一实验事实,玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。 玻尔提出，电子环绕原子核运动时，只有满足一定条件时，运动才是稳定的。这个稳定性条件称为量子化条件。 玻尔假设，电子在围绕原子核运转时，只能处于一些“特定的”能量状态中。这些能量状态是不连续的，称为定态。电子只能处于一个定态中，两个定态之间没有缓冲地带，那里是电子的禁区，电子无法出现在那里。 量子化条件的要求相应地导致稳定氢原子的能量可取值也不能在一定的范围内从小到大连续地变化，而只能是某些特定的分立值。 玻尔理论只能说明在电子发生特定跃迁时，若可以以光的形式将辐射或吸收的能量记录下来，其光谱应当是线状光谱。而在外磁场的作用下，这一特定跃迁将产生多条谱线，玻尔理论无法解释这种现象，表现出这一理论存在缺陷，需要有新理论作出科学说明，于是产生了量子力学对原子结构模型的描述。主量子数n层决定轨道能量的高低。主量子数n 1 2 3 4 5 6 7电子层符号K L M N O P Q氢原子核外只有一个电子，不存在电子之间的相互作用，能量只决定于主量子数n。角量子数l形决定原子轨道或电子云的形状，与电子运动的轨道角动量有关。 l 0 1 2 3 4能级符号 s p d f g轨道符号球形哑铃形花瓣形磁量子数m伸决定电子运动轨道在空间的不同伸展方向。若l=1，表示p能级在空间有三个伸展方向，即有三条不同方向的轨道，用m=0，+1，-1代表。自旋磁量子数ms旋决定电子运动的自旋方向。电子自旋只有顺时针和逆时针两个方向。 ms： + -自旋方向：顺时针 逆时针箭头示意： 电子的运动状态可以用四个量子数来规定。其中n，l和m三个量子数确定电子在空间运动的轨道，称为原子轨道。当然电子运动并不是真有确定的轨道，量子力学理论认为电子在整个原子空间都有可能出现，只是在各处出现的概率密度不同，因而运动状态也不同。电子不仅在核外空间不停地运动，而且还做自旋运动，自旋量子数ms规定电子自旋运动状态。所以，电子的运动状态通常由n、l、m三个量子数决定轨道运动，由ms决定自旋运动。 由于电子的运动状态决定电子的能量（能级），电子在原子轨道上的分布特点决定其反应性能，因此了解和掌握各种原子轨道的特点，对于认识原子的结构和性质，以及进一步了解原子化合为分子的过程都有重要意义。 认识原子核外电子的运动状态，不可能像宏观运动物体那样有确定的轨道，可以用电子云来形象地描述电子在核外各处出现的概率。 电子云是电子在核外空间各处出现概率密度大小的形象化描述。 注意：电子云是一个形象化描述。 一个小黑点不代表一个电子。 电子云的疏密代表电子在那里出现的概率密度的大小。疑难导析 人们对客观世界的认识是逐步深入的，当通过理论推导出的结论与实验事实产生矛盾时，我们就要寻求新的理论去解释新出现的实验事实。所以，理论是随着人们对客观世界认识的深入而不断发展变化的。 首先明确玻尔模型把电子看成一经典粒子，推导中应用了经典物理学，使用了轨道的概念，所以玻尔理论不是彻底的量子理论。其次说明量子力学在玻尔轨道的基础上提出了用多个量子数来标记的轨道，电子在同一主量子数的不同轨道间跃迁会产生多条谱线，如图1-1、图1-2所示。图1-1 玻尔理论揭示了线状光谱图1-2 量子力学揭示了多重谱线 从原子中电子能量变化的角度去认识光产生的原因。 联系原子的电子排布所遵循的构造原理，理解原子基态、激发态与电子跃迁等概念，并利用这些概念解释光谱产生的原因。 对于光谱分析的应用可举例说明，如科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦，化学研究中利用光谱分析检测一些物质的存在含量。 还可以在课后查阅光谱分析方法及应用的有关资料以扩展自己的知识面。 把电子运动与普通物体运动对比来理解电子云。 可以把电子云想象成你手持一架虚拟的高速照相机拍摄电子，然后把所有照片叠加在一起得到的图像。 要清楚电子云图是否为概率分布图，氢原子的电子云是否呈球形对称，在离核近的地方电子云密度如何，离核远的地方电子云密度如何，在离核近的地方单位体积内电子出现的机会怎样，在离核远的地方单位体积内电子出现的机会怎样。问题导思 根据原子轨道和电子云的定义，以及教材中原子轨道图像和电子云图进行分析。 先要分析电子绕原子核运动有无规律，有无确定的轨道；所说的轨道形状是表示原子轨道在三维坐标系中的分布情况，还是表示电子运动的轨迹；电子云上的小黑点是表示电子出现的几率，还是表示电子数目。在此基础上就能找到探究该问题的方法。典题导考绿色通道：氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱。玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，但对多电子原子的光谱却遇到困难。另外原子中没有确定的半径，原子半径是电子运动出现的“区域”。【典题变式1】下列说法正确的是（ ）A.氢光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱之一B.“量子化”就是不连续的意思，微观粒子运动均有此特点C.玻尔理论不但成功解释了氢原子光谱，而且还推广到其他原子光谱D.原子中电子在具有确定半径的圆周轨道上像火车一样高速运动着答案：B绿色通道：主量子数（n）是决定电子能量的主要因素，角量子数确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。【典题变式2】能说明两个电子具有相同的能级的量子数为（ ）A.n B.n、m C.n、l D.m、l答案：C绿色通道：主量子数n取正整数，角量子数l最小值为0，最大取n-1，而磁量子数m可取0，1、2，l；共（2l+1）个值。自旋磁量子数ms，表示一种奇特的电子的量子化运动状态，与原子轨道无关。 判断给出的各组量子数的组合是否合理的方法：首先确定n、l、m关系nlm，l和m可以为零，但n和ms不可为0，n、l、m可有多种取值，而ms只有两个取值为。【典题变式3】下列几组量子数能够同时存在的是（ ）A.3，2，2，- B.3，0，-1，+C.2，2，2，2 D.1，0，0，0答案：A绿色通道：电子云图中的黑点绝无具体数目的意义，而有相对多少的意义。单位体积内黑点数目较多（黑点密度较大），表示电子在该空间的单位体积内出现的机会相对较大；单位体积内黑点数目相对较少（黑点密度较小），表示电子在该空间的单位体积内出现的机会相对较小。电子的运动无宏观物质那样的运动规律，但有它自身的规律。电子云就是人们采用的描述电子运动规律的形象比喻，电子云图恰当地表示了电子运动的规律。【典题变式4】下列关于氢原子电子云图的说法正确的是（ ）A.黑点密度大，电子数目大B.黑点密度大，单位体积内电子出现的机会大C.电子云图是对电子运动无规律的描述D.电子云图描述了电子运动的客观规律答案：BD