電子云與原子軌道

泡利原理洪特規(guī)則能量最低原理第一節(jié)原子結構第三課時思考與討論1920年，海森堡提出著名的測不準原理：即無法同時精確測量某個電子在某一時刻的位置和動量。宏觀物體電子質量很大很小(只有9.11×10-31kg)速度較慢很快（接近光速）位移可測位移、能量不可同時測定能量可測軌跡可描述不可確定宏觀物體與微觀粒子（電子）的運動有什么區(qū)別?認識“天才”人物1913年，玻爾提出氫原子模型，電子在

上繞核運行。線性軌道1922年諾貝爾物理學獎獲得者氫原子模型然而，1926年，玻爾建立的線性軌道模型被量子力學推翻。認識“天才”人物1926年奧地利物理學家薛定諤提出：可以用一個數(shù)學方程描述核外電子的運動狀態(tài)，為近代量子力學奠定了理論基礎。埃爾溫·薛定諤(ErwinSchr?dinger)核外電子的運動特點量子力學指出：一定空間運動狀態(tài)的電子并不在玻爾假設的線性軌道上運動，而是在核外空間各處都可以出現(xiàn)，只是出現(xiàn)的概率不同，可計算它們出現(xiàn)的概率密度(ρ)分布。任務1電子云與原子軌道一、概率密度分布圖與電子云1、一定空間運動狀態(tài)的電子，在核外空間各處都可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的概率不同。用P表示電子在某處出現(xiàn)的概率，V表示該處的體積。

氫原子1s電子的概率密度分布圖氫原子只有一個電子，為什么會有這么多小點？小點是1s電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述獨立的小點沒有意義，小點的密度才有意義。小點越密，表明概率密度越大。任務1電子云與原子軌道一、概率密度分布圖與電子云2、電子云：處于一定空間運動狀態(tài)的電子在原子核外空間的概率密度分布的看起來像一片云霧，因而被形象地稱為電子云。電子云圖難繪制將出現(xiàn)概率90%的空間圈出來電子云輪廓圖目的：表示電子云輪廓的形狀，對核外電子空間運動狀態(tài)進行一個形象化的簡便描述。3、電子云輪廓圖：電子云圖很難繪制，我們常使用電子云輪廓圖。任務1電子云與原子軌道二、電子云輪廓圖1s、2s、3s、4s的電子云輪廓圖如下圖所示：1s2s3s4s思考：s能級的電子云輪廓圖有什么特點？任務1電子云與原子軌道二、電子云輪廓圖1s、2s、3s、4s的電子云輪廓圖如下圖所示：1s2s3s4s不同能層的s電子的電子云形狀一致，均為球形同一原子的能層越高，s電子云半徑越大。只有一種空間伸展方向原因：電子能量越高，電子在離核更遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率越大，電子云越來越向更大的空間擴展。任務1電子云與原子軌道二、電子云輪廓圖2、p電子的電子云輪廓圖除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的2py電子云——p電子云輪廓圖是啞鈴狀的有三種空間伸展方向，分別相對于x、y、z軸對稱，相互垂直任務1電子云與原子軌道二、電子云輪廓圖2、p電子的電子云輪廓圖除s電子云外，其他電子云輪廓圖都不是球形的——p電子云輪廓圖是啞鈴狀的每個p能級有三種空間伸展方向，分別以px、py、pz表示，且相互垂直。在同一能層同一能級中px、py、pz的能量相同。能層越高，p電子云半徑越大。預測d能級和f能級有幾種空間伸展方向？任務1電子云與原子軌道二、電子云輪廓圖d電子云輪廓圖(5個伸展方向）f電子云輪廓圖（7個伸展方向）任務1電子云與原子軌道三、原子軌道1、概念：量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態(tài)稱為一個原子軌道。常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示描述原子軌道的形狀和取向。2、形狀：s電子的原子軌道呈球形，能層序數(shù)越大，原子軌道半徑越大。p電子的原子軌道呈啞鈴形，能層序數(shù)越大，原子軌道半徑越大。3、原子軌道數(shù)目ns原子軌道1個nd原子軌道有5個np原子軌道有3個nf原子軌道有7個伸展方向電子的空間運動狀態(tài)數(shù)目=原子軌道數(shù)目任務1電子云與原子軌道能層能級原子軌道數(shù)原子軌道名稱原子軌道的形狀和取向K1s11s球形——L2s12s球形——2p32px、2py、2pz啞鈴形互相垂直M3s13s球形——3p33px、3py、3pz啞鈴形互相垂直3d5………………N4s14s球形——4p34px、4py、4pz啞鈴形互相垂直4d5……………...4f7………………14916d軌道和f軌道各有其名稱、形狀和取向，高中階段不做要求。任務1電子云與原子軌道說明:

①

在同一能層，原子軌道數(shù)與能層序數(shù)(n)的關系：原子軌道數(shù)目＝n2

②

不同能層的同種能級的原子軌道形狀相同，半徑不同。能層序數(shù)n越大，原子軌道的半徑越大。③在同一能層中，能量相同的軌道稱為簡并軌道。如2px、2py、2pz為簡并軌道。每一能層最多能容納的電子數(shù)為：2n2發(fā)現(xiàn)：每一個原子軌道允許容納2個電子為什么呢？任務2電子自旋與泡利原理資料卡片在斯特恩-蓋拉赫實驗中發(fā)現(xiàn)了銀原子束經(jīng)過不均勻磁場，產生了偏轉，并最終在屏幕垂直方向上，形成了兩個上下對稱的非連續(xù)分布。只有1個最外層電子的堿金屬原子光譜會在光譜里呈現(xiàn)雙線提出猜想

：軌道中的單電子可能存在兩種不同的運動狀態(tài)1925年烏倫貝克和哥德斯密提出：電子除空間運動狀態(tài)外，還有一種運動狀態(tài)叫自旋。任務2電子自旋與泡利原理1、電子自旋：電子除空間運動狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋。1、自旋是微觀粒子普遍存在的如同電荷、質量一樣的內在屬性。2、能層、能級、原子軌道和自旋狀態(tài)四個方面共同決定電子的運動狀態(tài)，電子能量與能層、能級有關，電子運動的空間范圍與原子軌道有關。3、一個原子中不可能存在運動狀態(tài)完全相同的2個電子，即原子中每一個電子的運動狀態(tài)都不一樣。2、取向與表示方法：電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反。常用上下箭頭（↑和↓）表示自旋相反的電子。補充說明任務2電子自旋與泡利原理3、泡利原理：在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，它們的自旋相反，這個原理被稱為泡利原理（也稱泡利不相容原理）。能級spdf最多可容納電子數(shù)261014原子軌道數(shù)1357單軌道容納電子數(shù)2222通過前面的學習，我們知道：核外電子排布在原子軌道中，電子是按照什么規(guī)律排布的嗎？核外電子在原子軌道中的排布應該如何直觀表示？任務3電子排布的軌道表示式1.概念：軌道表示式(又稱電子排布圖)是表述電子排布的一種圖式。2.表示方法：用方框(也可用圓圈)表示原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連，箭頭表示一種自旋狀態(tài)電子，“↑↓”稱電子對，“↑”或“↓”稱單電子（或未成對電子）。8O的軌道表示式：O1s2s2pH1s1H的軌道表示式：原子軌道能量相同的原子軌道（簡并軌道）單電子（未成對電子）“↑↓”代表自旋相反的電子對能級符號任務3電子排布的軌道表示式1.概念：軌道表示式(又稱電子排布圖)是表述電子排布的一種圖式。2.表示方法：用方框(也可用圓圈)表示原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連，箭頭表示一種自旋狀態(tài)電子，“↑↓”稱電子對，“↑”或“↓”稱單電子（或未成對電子）。8O的軌道表示式：O1s2s2pH1s1H的軌道表示式：基態(tài)O原子的電子排布式：1s22s22p4電子排布式給出了基態(tài)原子的核外電子在能層和能級中的排布，而軌道表示式還給出了電子在原子軌道中的自旋狀態(tài)。任務3電子排布的軌道表示式8O的軌道表示式：O1s2s2pH1s1H的軌道表示式：發(fā)現(xiàn)與總結簡并軌道：電子對：單電子：自旋平行：氧原子中，有

對電子對，有

個單電子。氧原子中，有

種空間運動狀態(tài)，有

種運動狀態(tài)不同的電子。同一個原子軌道中，自旋方向相反的一對電子一個原子軌道中若只有一個電子，則該電子稱為單電子箭頭同向的單電子稱為自旋平行3258能量相同的原子軌道(方框相連)課堂訓練He1s或：He1s或：He1s1、按照泡利原理，下列氦原子的軌道表示式正確的是哪個？2、請寫出Li、Be、B的軌道表示式。3、請寫出基態(tài)碳原子的軌道表示式。Li1s2sBe1s2sB1s2s2pC1s2s2pC1s2s2pC1s2s2pC1s2s2p哪種軌道表示式才是正確的？任務4洪特規(guī)則能量最低原理1、洪特規(guī)則：1925年，洪特在詮釋復雜原子光譜時，得出了判斷基態(tài)原子光譜項三條經(jīng)驗規(guī)則，后人歸并簡化成一條：基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行，稱為洪特規(guī)則。例：判斷2p3電子排布圖的正誤?！痢痢藽1s2s2pC1s2s2pC1s2s2pC1s2s2p哪一個是基態(tài)碳原子正確的軌道表示式？任務4洪特規(guī)則能量最低原理注意事項：1.洪特規(guī)則不僅適用于基態(tài)原子，也適用于基態(tài)離子。2.洪特規(guī)則是針對電子填入簡并軌道而言的，并不適用于電子填入能量不同的軌道。3.洪特規(guī)則特例(光譜實驗發(fā)現(xiàn))在簡并軌道上的電子排布處在全充滿、半充滿、

全空狀態(tài)時，體系的能量較低，原子較穩(wěn)定。相對穩(wěn)定的狀態(tài)全充滿：p6、d10、f14全空：p0、d0、f0半充滿：p3、d5、f7試解釋Cr、Cu核外電子排布不符合構造原理的原因？任務4洪特規(guī)則能量最低原理3d4s↑↓Cr↑↑↑↑↑Cr↑↑↑↑↑無全滿、半滿、全空的簡并軌道有一組半滿的簡并軌道3d4s體系能量較低，原子較穩(wěn)定體系能量高，原子不穩(wěn)定↑↓Cu↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑Cu↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓無全滿、半滿、全空的簡并軌道有一組全滿的簡并軌道3d4s體系能量較低，原子較穩(wěn)定體系能量高，原子不穩(wěn)定構造原理實際排布構造原理實際排布任務4洪特規(guī)則能量最低原理2、能量最低原理：在構建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低，這就是能量最低原理。決定因素：整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定。注意：（1）相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量較低的能級可使原子能量最低。如所有主族元素的基態(tài)原子。（2）當相鄰能級能量差別不大時，有1-2個電子填入能量稍高的能級可能反而降低電子的排斥能，進而使原子整體能量最低。如所有副族元素的基態(tài)原子。知識小結核外電子排布要遵循泡利原理、洪特規(guī)則和能量最低原理。1.核外電子在原子軌道上排布要同時考慮這三個原則。（并不一定每條都符合）2.這三個原則并不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的3.符合上述規(guī)律的原子處于基態(tài)，不符合上述規(guī)律的原子處于激發(fā)態(tài)。課堂訓練1.判斷下列電子排布式/軌道表示式違背了什么原則？（1）2p軌道上有3個電子的原子：（2）2p軌道上有2個電子的原子：（3）基態(tài)P原子：1s22s22p63px23pz2（4）4s軌道上有2個電子的原子：（5）3d軌道上有8個電子的原子：（6）ns、np軌道上的電子：洪特規(guī)則洪特規(guī)則洪特規(guī)則洪特規(guī)則泡利原理能量最低原理課堂訓練2、寫出15P、25Mn的軌道表示式，并按要求填空。15P：