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第2课时能量最低原理、基态与激发态、光谱电子云与原子轨道课程目标核心素养建构1.了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。2.了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道，掌握泡利原理和洪特规则。核外电子运动状态基态激发态光谱电子云原子轨道排布规则泡利原理洪特规则洪特规则特例[知识梳理]一、基态与激发态、光谱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，简称能量最低原理。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）基态、激发态相互转化的能量变化3.光谱与光谱分析（1）光谱形成原因不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。（2）光谱分类（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。【自主思考】在国庆节、元旦、春节，我们经常放焰火来庆祝，请你思考这与原子结构有什么关系呢？答案这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。二、电子云与原子轨道1.电子云用小黑点来描述电子在原子核外空间出现的概率密度分布图，被形象地称为电子云。2.电子云轮廓图为了表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间状态有一个形象化的简便描述，把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，即为电子云轮廓图。3.原子轨道（1）定义：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）形状①s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。②p电子的原子轨道呈哑铃形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。（3）各能级所含有原子轨道数目能级符号nsnpndnf轨道数目13574.泡利原理和洪特规则（1）泡利原理：一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且自旋状态相反。电子自旋有顺时针和逆时针两种状态。（2）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。【自主思考】1.结合电子云和原子轨道的知识，回答：（1）电子云图中的小黑点的含义是什么？小黑点的密度表示什么？（2）电子在原子核外出现的概率有什么规律？（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状是否相同？答案（1）小黑点是电子在原子核外出现的概率密度的形象表述。小黑点密度越大，表明概率密度越大。（2）离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云松散。（3）不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，但原子轨道的半径不同，能级序数n越大，电子的能量越大，原子轨道的半径越大。例如1s、2s、3s轨道均为球形，原子轨道半径：r（1s）＜r（2s）＜r（3s）。2.为什么Fe3＋的稳定性强于Fe2＋？答案基态Fe原子的价电子排布式为3d64s2，当失去4s轨道上的2个电子时变为Fe2＋，Fe2＋价电子排布式为3d6，而Fe3＋价电子排布式为3d5，Fe3＋的3d轨道为半充满稳定结构。3.指出下列核外电子排布图的书写分别违背了什么原则？①2p轨道上有3个电子的原子：②2p轨道上有2个电子的原子：③基态P原子：1s22s22p63s23p2x3p1z④4s轨道上有2个电子的原子：⑤3d轨道上有8个电子的原子：答案①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋状态相同。④违背了泡利原理，一个原子轨道最多只容纳2个电子，而且这2个电子的自旋状态相反。4.根据构造原理，29Cu的电子排布式应是1s22s22p63s23p63d94s2，但实际29Cu的电子排布式却是1s22s22p63s23p63d104s1，思考并讨论其原因。依据此原理写出24Cr的电子排布式。答案有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满（如p6和d10）、半充满（如p3和d5）和全空（如p0和d0）状态时，体系的能量较低，原子较稳定，所以Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。[效果自测]1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。（1）s能级的能量总是小于p能级的能量（）（2）2s的电子云比1s的电子云大，说明2s的电子云中的电子比1s的多（）（3）当电子排布在同一能级的不同轨道时，电子总是先占满1个轨道，然后再占据其他原子轨道（）（4）nf能级中最多可容纳14个电子（）（5）氢原子电子云的一个小黑点表示一个电子（）（6）处于最低能量的原子叫基态原子（）（7）6C的电子排布式1s22s22p2x违反了洪特规则（）（8）电子排布式（21Sc）1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理（）（9）电子排布式（22Ti）1s22s22p63s23p10违反了泡利原理（）答案（1）×（2）×（3）×（4）√（5）×（6）√（7）√（8）√（9）√2.在d轨道中电子排布成，而不排布成，遵循的是（）A.能量最低原理B.泡利原理C.原子轨道构造原理D.洪特规则解析洪特规则表明，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。答案D3.下列原子或离子的电子排布表示方法中，正确的是，违反能量最低原理的是，违反洪特规则的是，违反泡利原理的是。①Ca2＋：1s22s22p63s23p6②F－：1s22s23p6③P：④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2⑤Fe：1s22s22p63s23p63d64s2⑥Mg2＋：1s22s22p6⑦C：解析根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道，而不是3p轨道，应为1s22s22p6；③中没有遵循洪特规则。⑦中违反泡利原理。答案①⑤⑥②④③⑦探究一基态与激发态、光谱【探究讨论】1.谈谈你对基态原子的理解。提示电子按照构造原理排布（即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里），会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。【点拨提升】1.电子跃迁的能量变化与可见现象：激发态原子不稳定，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低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。霓虹灯光、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。2.金属元素的焰色反应的成因：金属原子中，核外电子按一定轨道顺序排列，轨道离核越远，能量越高。灼（燃）烧时，电子获得能量，能量较低的电子发生跃迁，从基态变为激发态。随即电子又从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态，便以光（辐射）的形式释放能量，形成不同的焰色。3.光谱分类4.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称为光谱分析。【典题例证1】下列原子或离子核外电子排布不属于基态排布的是（）A.N：1s22s22p3B.S2－：1s22s22p63s23p6C.Na：1s22s22p53s2D.Si：1s22s22p63s23p2解析基态原子的核外电子排布必须遵循能量最低原理，基态钠原子的电子排布式应是1s22s22p63s1。答案C【学以致用1】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霓虹灯之所以能发光，是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，能量较高轨道上的电子会很快以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的轨道。答案A探究二电子云与原子轨道【探究讨论】1.应该怎么理解电子云的概念提示（1）电子云轮廓图中的小黑点不代表电子、小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率密度的大小。（2）离核越近，电子出现的概率密度越大，小黑点越密集。2.应该怎样理解原子轨道的概念提示（1）不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。（2）s能级只有1个原子轨道。p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。（3）原子轨道数与能层序数（n）的关系是原子轨道为n2个。（4）原子轨道能量高低相同能层不同能级：E（ns）＜E（np）＜E（nd）＜E（nf）相同能级：E（npx）＝E（npy）＝E（npz）不同能层相同能级：E（1s）＜E（2s）＜E（3s）＜E（4s）不同能级：根据构造原理出现能级交错【点拨提升】宏观物体的运动与微观电子的运动对比1.宏观物体的运动有确定的运动轨迹，可以准确测出其在某一时刻所处的位置及运行的速度，描绘出其运动轨迹。2.由于微观粒子质量小、运动空间小、运动速度快，不能同时准确测出其位置与速度，所以对于核外电子只能确定其在原子核外各处出现的概率。（1）电子云图表示电子在核外空间出现概率密度的相对大小。电子云图中小黑点密度越大，表示电子出现的概率密度越大。（2）电子云图中的小黑点并不代表电子，小黑点的数目也不代表电子真实出现的次数。（3）由氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图可知，在离原子核越近的空间电子出现的概率越大；电子云的外围形状具有不规则性。（4）电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。【典题例证2】关于电子云的叙述不正确的是（）A.电子云是用小点的疏密程度来表示电子在空间出现概率密度大小的图形B.电子云实际是电子运动形成的类似云一样的图形C.小点密集的地方电子在那里出现的概率密度大D.轨道不同，电子云的形状也不一样解析用统计的方法描述电子在核外空间出现的概率大小的图形称为电子云；常用小黑点的疏密程度来表示电子在原子核外出现的概率密度的大小。小黑点密集的地方，表示电子在那里出现的概率密度大，小黑点稀疏的地方，表示电子在那里出现的概率密度小。答案B【学以致用2】下列说法正确的是（）A.不同的原子轨道形状一定不相同B.p轨道呈哑铃形，因此p轨道上的电子运动轨迹呈哑铃形C.2p能级有3个p轨道D.氢原子的电子运动轨迹呈球形解析不同能级的原子轨道形状可以相同，如1s、2s能级的原子轨道都是球形，只是半径不同，A错。现在的技术无法测定电子在原子核外的运动轨迹，原子轨道只是体现电子的运动状态，B、D错。任何能层的p能级都有3个p轨道，C正确。答案C探究三泡利原理和洪特规则【探究讨论】1.如何理解原子核外电子排布“两原理一规则”？提示（1）能量最低原理：电子在原子轨道上的分布要尽可能地使原子的能量为最低。（2）泡利原理：每个原子轨道最多容纳两个电子且自旋方向必须相反。（3）洪特规则：当电子排布在同一能级（能量相同）的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。洪特规则特例当同一能级上的电子排布为全充满（p6、d10、f14）、半充满（p3、d5、f7）和全空状态（p0、d0、f0）时，具有较低的能量和较强的稳定性。例如，铬（24Cr）的价电子排布是3d54s1（3d、4s能级均为半充满），而不是3d44s2；铜（29Cu）的价电子排布是3d104s1（3d全充满、4s半充满），而不是3d94s2。2.电子排布图中各符号、数字的意义是什么？提示以铝原子为例：【特别提醒】书写基态原子的电子排布图时，要兼顾三条原则，不能顾此失彼，防止出现以下错误：（1）违反泡利原理：（2）违反洪特规则：或【点拨提升】核外电子排布的表示方法原子（离子）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实例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，这就是电子排布式实例K：1s22s22p63s23p64s1简化电子排布式含义为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示实例K：[Ar]4s1价电子排布式含义主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式实例Al：3s23p1电子排含义每个方框代表一个原子轨