高中鲁科版 (2019)第1节 原子结构模型学案

这是一份高中鲁科版 (2019)第1节 原子结构模型学案，共13页。

1．了解玻尔原子结构模型的基本观点及如何用其解释氢原子光谱的特点。
2．能用量子力学对原子核外电子的运动状态进行描述，知道核外电子在一定条件下会发生跃迁。
学法指导
1.通过阅读教材P4“追根寻源”中的知识理解玻尔理论。
2．通过阅读教材P4“联想·质疑”及相关内容了解能级和原子轨道。
3．结合氢原子和钠原子光谱体会电子的自旋状态。
4．类比数学中函数与函数图像之间的关系学习原子轨道的图形描述。
必备知识·自主学习——新知全解一遍过
知识点一氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
1.原子结构模型的演变
2.光谱及氢原子光谱
(1)光谱
①含义：利用原子光谱仪将物质________或________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________时，会辐射或吸收能量。
(2)氢原子光谱：实验证明，氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的________光谱。
3．玻尔的原子结构模型
(1)基本观点
(2)贡献
①成功地解释了氢原子光谱是________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，指出电子所处的轨道的能量是________的。
微点拨
(1)不同元素的原子光谱都是特定的，因此利用原子光谱可以辨别元素，就像“指纹辨人”一样。
(2)焰色试验
焰色试验是电子跃迁的结果，故焰色试验是物理变化而不是化学变化。焰色试验发生的过程：基态原子激发态原子较低能量的激发态或基态原子。
(3)霓虹灯发光原理
霓虹灯的发光机制与氢原子光谱形成的机制基本相同。对霓虹灯而言，灯管中填充的气体不同，在高电压的激发下发出的光的颜色就不同。例如，在灯管中充入氖气，通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量后激发到能量较高的轨道，但处在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，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，所以我们看到的是红色光。通电后氩气发蓝紫色光、氦气发粉红色光等也是同样的道理。
学思用
1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)原子核外电子绕核做圆周运动。( )
(2)氢原子核外只有一个电子，故氢原子光谱只有一条谱线。( )
(3)基态氢原子转变成激发态氢原子时释放能量。( )
(4)玻尔理论不能解释在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线。( )
2．下列图像中所发生的现象与电子跃迁无关的是( )
知识点二量子力学对原子核外电子运动状态的描述
1．核外电子运动状态的描述
(1)电子层(n)
(2)能级
(3)原子轨道
(4)自旋运动：处于同一原子轨道上的电子自旋状态只有____种，分别用符号“____”和“____”表示。
2．原子轨道的图形描述和电子在核外的空间分布
(1)原子轨道的图形描述
①表述：原子中单个电子的____________即原子轨道。
②形状：
(2)电子云图
①表述：描述电子在核外空间某处单位体积内的________的图形。
②含义：用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现________的大小。
微点拨
(1)s轨道为球形，p轨道为“∞”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“∞”形运动。
(2)电子云图中的一个小黑点，不代表一个电子。
(3)离核越近，电子在单位体积内出现的概率越大。
(4)核外电子运动状态包含电子所处的电子层、能级、原子轨道和自旋四个方面，它与电子在核外的空间运动状态是有区别的，空间运动状态不包括电子的自旋，如：Li的基态原子核外电子运动状态为3种，但空间运动状态为2种。
学思用
1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)各能级的原子轨道数按s、p、d、f顺序依次为1、3、5、7。( )
(2)p电子的原子轨道呈哑铃形，s电子的原子轨道呈球形。( )
(3)各电子层的能级都是从s能级开始至f能级结束。( )
(4)各电子层含有的能级数为n2，各电子层含有的电子数为2n2个。( )
(5)pz轨道电子先沿z轴正半轴运动，然后再沿负半轴运动。( )
2．图①和图②分别是1s电子的概率密度分布图和电子云轮廓图。下列认识正确的是( )
A．图①中的每个小黑点表示1个电子
B．图②表明1s电子云呈球形，有无数条对称轴
C．图②表示1s电子只能在球体内出现
D．不同能层的s电子云的半径相等
关键能力·课堂探究——学科素养全通关
提升点一氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
1.玻尔原子结构模型
(1)内容归纳
①原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁；
②电子所处的轨道的能量是量子化的；
③电子跃迁吸收(或放出)的能量也是量子化的。
(2)局限性：玻尔理论中只引入一个量子数n，只能解释氢原子光谱是线状光谱。无法解释多电子原子光谱的复杂现象及其在外磁场存在的谱线分裂现象，需要引入更多的量子数。
2．光谱分类
互动探究
问题1 为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的？
问题2 在日常生活中，我们看到许多可见光，如焰火、霓虹灯光、激光、萤光、LED灯光……这些光产生的原因是什么？
典例示范
[典例1] (双选)激发态原子和基态原子可以通过电子跃迁的方式相互转换，跃迁过程中可得到原子光谱，下列说法正确的是( )
A．LED灯发光与电子跃迁有关
B．以上实验装置测得的是氢原子的吸收光谱
C．电子仅从激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
D．原子光谱可以用于定性鉴定元素
素养训练
[训练1] 对充有氖气的霓虹灯通电，灯管发出红色的光。产生这一现象的主要原因是( )
A．电子由较高能量的激发态向较低能量的激发态乃至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
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
提升点二核外电子运动状态的描述
1.电子层数(n)、能级数、原子轨道数及最多容纳电子数的关系
2.不同原子轨道能量高低的关系
互动探究
问题1 每个电子层上都有s、p、d、f能级吗？
问题2 Na原子核外有多少个电子？有多少种运动状态？原子核外电子的运动状态决定因素有哪些？
问题3 如何比较两个原子轨道能量的高低？
典例示范
[典例2] 下列有关电子层和能级的叙述中正确的是( )
A．M电子层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子
B．3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多容纳7个电子
C．无论哪一电子层的s能级，最多容纳的电子数均为2
D．任一电子层都有s、p能级，但不一定有d能级
素养训练
[训练2] 根据所学知识，回答下列问题：
(1)K层有________个能级，用符号表示为________；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________。由此可推知第n电子层有________个能级。每个电子层中一定含有的能级符号为________，其对应的原子轨道电子云形状为________。
(2)基态钙原子电子占据的能量最高电子层符号是________，其核外共有________种运动状态不同的电子。
(3)比较下列多电子的原子轨道的能量高低(填“>”“<”或“＝”)。
2s________3s，2s________3d，2px________2py ，4f________6f。
提升点三原子轨道的图形描述和电子在核外的空间分布
1.原子轨道的图形描述
(1)s能级的原子轨道：
特征：s能级的原子轨道是球形的，电子序数越大，原子轨道的半径越大。
原因：1s、2s、3s……电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。因而2s电子云必然比1s电子云更稀疏。
(2)p能级的原子轨道：
特征：p能级的原子轨道是哑铃形的，每个p能级有3个轨道，分别相对于x、y、z轴呈轴对称，相互垂直，分别以px、py、pz为符号。p能级的原子轨道的平均半径也随着电子层序数的增大而增大。
2．电子云图
(1)电子的特点：质量非常小、运行速度极快、运动空间极小。
(2)电子云图的含义：由于微观电子运动的特点与宏观物体运动的特点不同，人们不可能同时准确地测定它的位置和速度，只能确定它在原子核外各处出现的概率。用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小。
互动探究
问题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？
问题2 电子在原子核外出现的概率有什么规律？
问题3 已知N原子的L电子层的p能级上有2px、2py、2pz三个原子轨道，这三个p轨道上的电子的能量是否相同？三个p轨道的形状是否相同？电子云在空间的伸展方向是否相同？
典例示范
[典例3] 下列有关叙述正确的是( )
A．原子轨道和电子云都是用来形象地描述电子运动状态的
B．因为s轨道呈球形，所以电子在s轨道上做圆周运动
C．某基态多电子原子的3px、3py、3pz轨道上的电子的能量不同
D．p能级的原子轨道半径与能层序数无关
素养训练
[训练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( )
A．s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
B．p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
C．p电子能量一定高于s电子能量
D．处于同一原子轨道的电子，自旋状态有两种
课 堂 总 结
[知识导图]
[误区警示]
1．同一电子层上的电子能量不一定相同，但同一能级上的电子能量一定相同。
2．不同电子层的能级上的电子能量一定不同。
3．处于同一个原子轨道上的电子有两种不同的自旋状态。在同一个原子中不存在两个运动状态完全相同的电子。
4．原子轨道不是固定轨迹，也不是圆周轨道，而是电子运动的空间，电子云图是电子运动的概率图，有一定的形状和伸展方向。
随堂检测·强化落实——基础知能练到位
1．如图①②③④原子结构模型中依次符合卢瑟福、道尔顿、汤姆孙、玻尔的观点的是( )
A．①②③④ B．①②④③
C．④①②③ D．③④①②
2．下列关于多电子原子核外电子的运动规律的叙述正确的是( )
A．所有的电子在同一区域里运动
B．在离原子核较近的区域内运动的电子能量较高，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较低
C．处于最低能量的原子叫基态原子
D．同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数依次增多，各能级能量大小相等
3．下列有关原子轨道的叙述中正确的是( )
A．氢原子的2s轨道能量较3p轨道高
B．电子层n＝4的原子轨道最多可容纳16个电子
C．p能级的原子轨道呈哑铃形，随着电子层序数的增加，p能级原子轨道也在增多
D．锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布
4．下列说法正确的是( )
①原子中处于第三电子层的电子跃迁到第二电子层时会释放能量；
②M层可以有s、p、d、f能级；
③3pz表示有3个pz轨道；
④在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的2个电子；
⑤2s电子云有两个空间取向。
A．①②③ B．①④
C．②⑤ D．③④⑤
5．回答下列问题：
(1)n＝2的电子层有________个能级，________种形状不同的电子云，有________个原子轨道，最多容纳________个电子。
(2)用相应的符号描述n＝2的所有的原子轨道________。
(3)在基态14C原子中，核外存在________个运动状态不同的电子。
(4)基态K原子中，核外电子占据的最高电子层符号为________，占据该电子层电子的电子云图的形状为________。
第1节 原子结构模型
必 备 知 识·自 主 学 习
[知识点一]
1．道尔顿实心球原子模型(原子论) 汤姆孙“葡萄干布丁”模型 卢瑟福原子结构的核式模型 玻尔核外电子分层排布的原子结构模型 量子力学模型
2．(1)吸收的光 发射的光 跃迁 (2)线状
3．(1)原子核 不同 不连续 升高 基态 激发态 光谱
(2)线状光谱 量子化
[学思用]
1．答案：(1)× (2)× (3)× (4)√
2．解析：平面镜成像为物理学原理中的光学现象，与电子跃迁无关。
答案：D
[知识点二]
1．(1)K L M N O P 低→高 近→远 (2)不同 能级 s p d f (3)1 3 5 7 (4)两 ↑ ↓
2．(1)空间运动状态 球形 (2)概率分布 概率
[学思用]
1．答案：(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)×
2．解析：电子云只表示电子在原子核外空间出现的概率密度，小黑点并不表示电子，A项错误；电子云轮廓图是把电子在原子核外空间出现概率为90%的空间圈出来绘制而成的，电子在这一空间出现的概率大，不表示电子不能在这一空间外出现，C项错误；s电子云的半径随能层序数的增大而增大，D项错误。
答案：B
关 键 能 力·课 堂 探 究
提升点一
提示1：根据玻尔理论，电子所处的轨道的能量是量子化的，轨道间的能量差也是确定的，因此形成的是具有特定波长的线状光谱。
提示2：产生的光都与原子核外电子跃迁释放能量有关。
[典例1] 解析：该实验装置测得的是氢原子的发射光谱，B项错误；原子光谱包括吸收光谱和发射光谱，电子由激发态跃迁到基态时产生的原子光谱属于发射光谱，电子由基态跃迁到激发态时产生的原子光谱属于吸收光谱，C项错误。
答案：AD
[训练1] 解析：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，不会发出红色的光；而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，从而产生红光，故A项正确。
答案：A
提升点二
提示1：并不是每个电子层上都有s、p、d、f能级。由于电子层数等于该电子层上的能级的数目，如K层只有s能级，L层只有s、p能级。
提示2：11；11；电子层、能级、原子轨道、自旋运动状态共同决定了原子核外电子运动状态，即一个原子中不存在运动状态完全相同的电子。
提示3：①原子轨道的能量取决于电子层和能级，若两者相同则能量相等，如npx＝npy＝npz。
②相同电子层不同能级的原子轨道能量的高低：ns＜np＜nd＜nf。
③不同电子层相同能级的原子轨道能量的高低：1s＜2s＜3s＜4s。
[典例2] 解析：A项，M电子层有s、p、d共3个能级，最多容纳18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子且不存在3f能级；D项，K电子层只有s能级，不含有p能级。
答案：C
[训练2] 解析：(1)第n个电子层有n个能级；每个电子层中都含有s能级，s能级对应的原子轨道电子云形状为球形。(2)一个原子中，不存在运动状态完全相同的两个电子。(3)相同电子层上原子轨道能量由低到高的顺序是ns答案：(1)1 1s 2 2s、2p 3 3s、3p、3d n s 球形 (2)N 20 (3)＜ ＜ ＝ ＜
提升点三
提示1：小黑点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。小黑点密度越大，表明电子在此处出现的概率越大。
提示2：离原子核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如2s电子云比1s电子云更稀疏(或弥散)。
提示3：2px、2py、2pz表示的是相同能级上的原子轨道，其电子能量相同，这三个p轨道的电子云形状相同，都是哑铃形；电子云在空间的伸展方向互相垂直。
[典例3] 解析：原子轨道和电子云都是用来描述电子的运动状态，A项正确；电子的运动是无规则的，没有固定的轨迹，B项错误；3px、3py、3pz属于同一能级，其轨道上的电子的能量相同，C项错误；p能级的原子轨道半径随能层序数的增大而增大，D项错误。
答案：A
[训练3] 解析：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3s＞2p。
答案：C
随 堂 检 测·强 化 落 实
1．解析：卢瑟福提出了带核的原子结构模型，应为图①；道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体，应为图②；汤姆孙发现了电子，1904年提出“葡萄干布丁式”的原子结构模型，应为图④；玻尔提出了核外电子分层排布的原子结构模型，应为图③。
答案：B
2．解析：在含有多个电子的原子里，电子分别在能量不同的区域内运动，A错误；在多个电子的原子中，电子的能量是不相同的，在离原子核较近的区域内运动的电子能量较低，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较高，B错误；处于最低能量的原子叫基态原子，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，C正确；同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数依次增多，但第四能层中，能级的能量大小不同：E(4s)答案：C
3．解析：H原子的2s轨道能量低于3p轨道，故A错误；每个电子层最多能容纳2n2个电子，所以电子层n＝4的原子轨道最多可容纳32个电子，故B错误；所有的p能级轨道都含有3个轨道，所以随着电子层序数的增加，p能级原子轨道不变，故C错误；所有的s轨道电子云轮廓图都是球形，所以锂原子的2s与5s轨道皆为球形分布，故D正确。
答案：D
4．解析：原子中处于第三电子层的电子跃迁到第二电子层是由能量较高的电子层跃迁到能量较低的电子层，会释放能量，①正确；M层有s、p、d 3个能级，没有f能级，②错误；3pz表示第三电子层的pz轨道，③错误；同一能级上的同一原子轨道上最多填充2个自旋状态不同的电子，即在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的2个电子，④正确；2s电子云呈球形对称，⑤错误。
答案：B
5．解析：(1)第二电子层有2s、2p两个能级，有s、p 2种形状不同的电子云，有2s、2px、2py、2pz 4个原子轨道，每个轨道最多容纳2个电子，所以n＝2的电子层最多容纳8个电子。(2)n＝2的原子轨道为2s、2px、2py、2pz。(3)原子中单个电子的空间运动状态可以用原子轨道来描述，并具有两种自旋状态中的一种，因此多电子原子中，不同电子的运动状态不同，故14C原子核外有6个运动状态不同的电子。(4)K原子核外有四个电子层，N层上只有一个电子，占据4s轨道，电子云图为球形。
答案：(1)2 2 4 8 (2)2s、2px、2py、2pz (3)6 (4)N 球形
时间或年代
原子结构模型
科学家及模型
1803年
________________________
1904年
________________________
1911年
________________________
1913年
________________________
20世纪20
年代中期
________________________
运动
轨迹
原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕________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________的能量，而且能量值是________的。轨道能量值依n(量子数)值(1、2、3…)的增大而________
电子
跃迁
对氢原子而言，电子处在n＝1的轨道时能量最低，这种状态称为________；能量高于基态能量的状态称为________。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时，就形成了________
分层标准
电子离核的远近
取值
1
2
3
4
5
6
符号
____
____
____
____
____
____
能量
________
离核
________
表述
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
____
____
____
____
s轨道
________
p轨道
相对于x、y、z轴对称，呈哑铃形(∞)
电子层(n)
1
2
3
4
…
电子层符号
K
L
M
N
…
能级
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
…
原子轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
…
最多
容纳
的电
子数
每个
能级
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
…
每个电
子层
2
8
18
32
…
能量
K＜L＜M＜N＜…