化学选择性必修2第1节 原子结构模型学案

这是一份化学选择性必修2第1节 原子结构模型学案，共11页。学案主要包含了氢原子光谱和玻尔的原子结构模型等内容，欢迎下载使用。

基础课时1 原子结构模型
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史
eq \x(1803年)——道尔顿原子论
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eq \x(1904年)——汤姆孙“葡萄干布丁”模型
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eq \x(1911年)——卢瑟福核式模型
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eq \x(1913年)——玻尔核外电子分层排布的原子结构模型
︳
eq \x(\a\al(20世纪,20年代))——量子力学模型
2．光谱和氢原子光谱
(1)光谱
①概念：利用原子光谱仪将物质吸收的光或发射的光的频率(或波长)和强度分布记录下来的谱线。
②形成原因：电子在不同轨道间跃迁时，会辐射或吸收能量。
(2)氢原子光谱：属于线状光谱。
氢原子外围只有1个电子，氢原子光谱是否只有1条谱线？
提示：不是。氢原子电子跃迁到不同原子轨道时产生不同的光谱谱线。
3．玻尔原子结构模型
(1)基本观点
(2)贡献
①成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。
②阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，指出了电子所处的轨道的能量是量子化的。
如图是氢原子的两个光谱，分别是发射光谱和吸收光谱。两者有什么共同点？
提示：氢原子光谱是线状的，且是不连续的。
二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述
1．原子轨道
(1)电子层
将量子数n所描述的电子运动状态称为电子层。
(2)能级：在同一电子层中，电子所具有的能量可能不同，所以同一电子层可分成不同的能级，用s、p、d、f等来表示。
电子层序数与能级数之间有何关系？
提示：电子层序数＝能级数，如M电子层有3个能级。
(3)原子轨道
电子层序数与原子轨道数之间有何关系？
提示：电子层为n的状态含有n2个原子轨道。
(4)自旋运动状态
在核外运动的电子还存在一种被称为“自旋”的量子化运动。处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有2种，分别用符号“↑”和“↓”表示。
2．原子轨道的图形描述
eq \x(描述对象)——单个电子的空间运动状态
|
eq \x(方法)——eq \a\al(用波函数表示，并以图形的方式在直,角坐标中呈现出来)
|
eq \x(形状)——eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\c1(s轨道呈球形，该原子轨道具有球对称性,p轨道相对x、y、z轴对称))
3．电子在核外的空间分布
(1)电子云图：描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形。
(2)意义：点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。
(1)电子的自旋状态与地球的自转类似。( )
(2)电子云中的每一个小点就是一个电子。( )
[答案] (1)× (2)×
氢原子光谱
氢原子光谱实验表明：氢原子在一般情况下并不辐射电磁波；氢原子光谱不是连续光谱，而是线状光谱。
1．电子跃迁是不是仅指电子由基态跃迁至激发态？
提示：不是。电子在不同能级中的跃迁均属于电子跃迁，可由高能量的能级跃迁至低能量的能级，也可以由低能量的能级跃迁至高能量的能级。
2．氢原子光谱为什么是线状光谱？
提示：电子在不同轨道上运动时能量不同，且能量值是不连续的，氢原子的电子从一个能级跃迁到另一个能级时，吸收或释放一定的能量，就会吸收或释放具有一定频率的光，并被光谱分析仪记录下来，得到线状光谱。
1．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)。如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子。
(3)基态、激发态相互转化与能量的关系：
2．光谱与光谱分析
光谱：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原子的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。
光谱分析：在现代化学中常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
发射光谱形成示意图 吸收光谱形成示意图
3．基态、激发态与光谱的联系
当基态原子的电子吸收能量，电子会跃迁到能量较高的轨道上，变成激发态原子。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，将释放能量。
光是电子释放能量的重要形式之一。在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光，还包括燃放的焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
1．下列图象中所发生的现象与电子跃迁无关的是( )
A．燃放烟花 B．霓虹灯广告
C．燃烧蜡烛 D．平面镜成像
D [平面镜成像为物理学原理中的光学现象，与电子跃迁无关。]
2．下列说法正确的是( )
A．自然界中的所有原子都处于基态
B．同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量
C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量
D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性
B [自然界中的原子有的处于基态，有的处于激发态，A项错误；同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量，若原子种类不同，则不一定如此，所以B项正确，C项错误；激发态原子的能量较高，容易转换成能量较低的激发态或基态，能量降低，该过程为物理变化，与还原性无关，故D项错误。]
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为( )
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．在电流作用下，氖原子与构成灯管的物质反应
A [通电后基态氖原子的电子吸收能量，跃迁到较高能级，由于处于激发态的氖原子不稳定，则电子从激发态跃迁到较低能级的激发态乃至基态时，多余的能量以光的形式释放出来，光的波长对应一定的颜色，则A正确，B错误；霓虹灯发光过程中没有新物质生成，则C、D错误。]
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1．该元素的原子核外共有多少个电子层？第4层上的能级符号如何表示？分别是多少？
提示：该元素的原子核外共有4个电子层，第4层上的能级符号分别为4s、4p、4d、4f。
2．该元素原子的次外层上电子有多少种空间运动状态？多少个电子的运动状态？
提示：电子的空间运动状态是指原子轨道，该元素的次外层为第三层(M层)，共有3个能级9个原子轨道；在原子中每个电子的运动状态都是不同的，故第三层共有18种电子的运动状态。
3．1s轨道与2s轨道有何区别？
提示：1s轨道的形状与2s轨道形状相同，但大小不同，1s轨道的电子能量比2s轨道能量低。
1．原子轨道：处于同一能级的电子可以在不同类型的原子轨道上运动。不同的轨道有不同的形状和不同的伸展方向。例如，s能级是球形对称的，s能级中只有1个原子轨道；p能级呈哑铃形，有3个原子轨道，在空间分别向x、y、z三个方向伸展，每个p能级的3个原子轨道相互垂直，记作px、py、pz；d能级有5个伸展方向不同的轨道；f能级有7个伸展方向不同的轨道。
s轨道为球形，p轨道为哑铃形(或纺锤形)，并不是说s能级电子绕核做圆周运动，p能级电子绕核做“∞”运动。
2．电子的自旋：每一个原子同一轨道上的电子有不同的自旋状态，分别用向上和向下的箭头(↑和↓)表示。以s,p,d,f,…排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1,3,5,7,…的2倍。
3．电子层、能级和原子轨道之间的关系
4．不同电子层、相同能级的原子轨道的结构特点：电子层序数n不同时，s轨道的形状相同，大小不同，即s轨道半径大小关系为1s<2s<3s<……；同理，p轨道形状也相同，但大小不同。
5．不同原子轨道能量大小的关系
①每一电子层最多能容纳的电子数为2n2(n为电子层序数)。②原子核外电子按能量不同分为不同的电子层，同一电子层又按能量不同分为不同的能级，每个能级(s能级除外)中又分为能量相同但空间分布不同的原子轨道，每个轨道中最多填充2个自旋状态不同的电子。由此可知，在任何一个原子中找不到两个完全相同的电子。
1．下列关于核外电子的运动状态的说法错误的是( )
A．核外电子是分层运动的
B．只有电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态都确定时，电子运动状态才能被确定
C．只有电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态都确定时，才能确定每一个电子层的最多轨道数
D．电子云的空间伸展方向与电子的能量大小无关
C [电子所具有的能量不同，会在不同的电子层上运动，A项正确；电子运动状态是由电子层、能级、电子云的空间伸展方向以及电子的自旋状态共同决定的，B项正确；同一能级的电子具有相同的能量，与电子云的空间伸展方向无关，D项正确；可由电子层数确定原子轨道数，C项错误。]
2．(2021·日照高二检测)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
D [K层包含s能级，L层包含s、p能级，M层包含s、p、d能级，N层包含s、p、d、f能级。]
3．(2021·宁德高二检测)如图是2pz轨道电子云的示意图，请观察图，并判断下列说法中不正确的是( )
A．2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布是z轴对称
B．s电子的电子云形状是球形对称的
C．电子先沿z轴正半轴运动，然后再沿负半轴运动
D．2px轨道能量与2pz轨道能量相同
C [电子云是电子在一定区域内出现概率大小的图形，它并不是电子运动的实际轨迹(或轨道)，故A对、C错；s轨道是球形对称的，s电子的电子云是球形对称的，故B对；观察该图可知A对；2p三个轨道的能量相同，D对。]
1．下图的原子结构模型中依次符合卢瑟福、道尔顿、汤姆孙的观点的是( )
① ② ③
A．①②③ B．③①② C．③②① D．②①③
B [卢瑟福提出了原子结构的核式模型；道尔顿认为原子是一个实心的球体；汤姆孙在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型。]
2．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．在外加磁场存在时氢原子光谱有多条谱线
D [玻尔只引入一个量子数n，比较好地解释了氢原子光谱为线状光谱，稳定轨道上运动的核外电子不辐射能量，但是对于较复杂的光谱现象(如在外加磁场存在时，氢原子光谱中的一条谱线分裂为多条)却难以解释，而这些就要靠量子力学理论来解释。]
3．(双选)下列各组多电子原子的原子轨道能量高低比较中，错误的是 ( )
A．2s<2p B．3px<3py C．3s<3d D．4s>4p
BD [同一电子层上原子轨道的能量高低为ns4．图甲和图乙分别是1s电子的概率密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正确的是( )
甲 乙
A．图甲中的每个小黑点表示1个电子
B．图甲中的小黑点表示某一时刻，电子在核外所处的位置
C．图乙表示1s电子只能在球体内出现
D．图乙表明1s轨道呈球形，有无数对称轴
D [图甲中每个小黑点并不代表一个电子，而是代表电子出现的概率密度，不是电子在核外所处的位置，故A、B错误；“轨道”是指电子在原子核外空间出现概率较大的区域，故C错误；1s轨道呈球形，有无数对称轴，故D正确。]
5．K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电子层最多可能有________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各为________、________。
[解析] 此题对电子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：①第n个电子层有n个能级；②核外电子的能量取决于该电子所处的电子层和能级；③s能级和p能级电子云的形状。
[答案] 1 1s 2 2s、2p 3 3s、3p、3d n ns、np 球形 哑铃形
学 习 任 务
1．通过了解有关核外电子运动模型的历史发展过程，体会科学家在科学探究中的艰辛和丰功伟绩，培养科学态度与社会责任的核心素养。 2．知道电子运动的能量状态具有量子化的特征(能量不连续) 电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。培养宏观辨识与微观探析的核心素养。 3．认识核外电子的运动特点。知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。建立认知模型，培养证据推理与模型认知的核心素养。
运动
轨迹
原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量
能量
分布
在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量是量子化的。轨道能量依n(量子数)值(1、2、3、…)的增大而升高
对氢原子而言，电子处在n＝1的轨道时能量最低，称为_基态；能量高于基态能量的状态，称为激发态
电子
跃迁
电子在能量不同的轨道之间跃迁时，辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来，就形成了光谱
分层标准
电子离核的远近
取值
1
2
3
4
5
6
7
符号
K
L
M
N
O
P
Q
能量
逐渐升高
离核
越来越远
概念
单个电子在原子核外的空间运动状态
各能级上对应的原子轨道数
ns
np
nd
nf
1
3
5
7
正确认识原子的能量状态与光谱的关系
正确认识核外电子运动状态
量子数
(电子层)
1
2
3
4
…
n
电子层
符号
K
L
M
N
…
能级符号
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
…
能级中轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
…
电子层中
轨道数
1
4
9
16
…
n2
电子运动
状态种数
2
8
18
32
…
2n2