1.2 原子的基态与激发态、电子云与原子轨道

注意：电子云只是形象地表示电子出现在各点的概率高低，实 际上并不存在。
原子轨道 直接画电子云还是很麻烦的，人们通常按下图所示制作电子云 的轮廓图。
注意：轮廓仅为表达电子云的形状，其大小不影响绘图的目的 ，绘制不同电子的电子云轮廓时要标准一致。
原子轨道 例如，常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来，人们把这 种电子云轮廓图称为原_子__轨__道_____。
s 能级的原子轨 道
原子轨道
ns能级仅_1__个原子轨道，呈球形，在半径 相同的球面上，电子出现的机相会同_____；
能层序数n越大，电子能量越高___，在离核较 远区域出现的概率越高___，故原子轨道半径 越大___。
原子轨道
np能级有_3__个原子轨道，呈纺锤形，能量相__同___且相互垂__直___ ；p的原子轨道半径也随n的增大而增__大___ 。
电子排布图 现在我们来学写电子排布图，以加深对泡利原理和洪特规则的 理解。以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为：
电子排布图
书写基态原子的电子排布图时，要兼顾三条原则（能量最低原 理、泡利原理、洪特规则），不能顾此失彼，防止出现以下错 误： （a）违反泡利原理 ：
（b）违反洪特规则
或
：
练习 写出N、Mg原子的电子排布式和电子排布图 。
③
下列电子排布图(每一个小方框表示一个原子轨道)所表示元素的 原子中，其能量处于最低状态的是A( ) A.
B.
C.
D.
1.若将6C原子的电子排布式写成 （）
，它违背 D
A.能量守恒定律 理 C.泡利原理
B.能量最低原 D.洪特规则
5.(1)“各能级最多容纳的电子数是该能级原子轨道数的二倍”， 支持这一结论的理论是B ________(填序号)。 A.构造原则 B.泡利原理 C.洪特规则 D.能量最低原理
能量最低原理 基态（稳定）
电子吸收能量 电子释放能量
激发态（不稳定 ）
光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一，例如 ：
夜景中的霓虹灯
能量最低原理
夜空中的激光
绚丽壮观的烟火
都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关 。
能量最低原理
节日烟火属于金属的焰___色__反应，你能用电子跃迁解释一下吗 ？ 当某些金属或其化合物在火焰上灼烧时，原子中的电子吸收了 能量，从能量较高的能级跃迁到较低的能级。但处于较高能级 上的电子是不稳定的，很快跃迁回能量较低的能级，这时就将 多余能量以光的形式释放出来。放出的光波长在可见光范围内 ，因而使火焰呈现一定的颜色，称为焰色反应。
洪特规则
B
C
N
O
我们还可以发现，当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先
单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，因为这样的排布方式总能
量最低。
这就是洪特(Hund)规则 。
洪特规则 洪特规则的补充：同一能级各个轨道上电子排布为全充满、半 充满或全空时比较稳定。
（3d恰好半充满 能量最低原）理表述的是“整个原子处于能量最低状态”，而不 是说电子填充到能量最低的轨道中去，泡利原理和洪特规则都 使“整个原子处于能量最低状态”。
④4s轨道上有2个电子的原子： ⑤3d轨道上有8个电子的原子：
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，且自旋方向相同。 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个电子的自旋方向 相反。
下列原子或离子的电子排布式或排布图正确的是①__⑤___⑥___(填序号 ，下同)，违反能量最低原理的是②____________，违反洪特规则的 是③__④______，违反泡利原理的是⑦________。
原子轨道
各能级包含的原子轨道数
：(1)ns 能级各有1个原子轨道，球形
。(2)np 能级各有3个原子轨道，纺锤形
。(3)nd 能级各有5个原子轨道，花瓣形
。(4)nf 能级各有7个原子轨道，复杂形状
。
d轨
道
原子轨道 如果用一个方框来表示一个原子轨道，则第二周期元素基态原 子的电子排布如下所示。
Li
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( ) 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
图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是( D )
Be
B
C
原子轨道
N
O
F
Ne
思考： 1.每个原子轨道最多容纳几个电子 最多容纳2个电 ？2.当电子排布在同一能级时，有什么规子律 ？
泡利原理 上节课我们学过：s、p、d、f……能级分别最多可容纳 __1_、__3__、__5_、___7_…__…__的__二__倍__个电子。
有了原子轨道的概念，你更清楚了：上述1、3、5、7是ns、np 、nd、nf能级里的原_子__轨__道___数____。
又如1868年科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦 。在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，也 可以测定含量，称为光_谱__分__析______。
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原子光谱
阅读课本上的“科学史话”，了解“光谱”一词的由来及发展 。
电子云
电子会在不同能级间进行跃迁，那么电子在这些能级上到 底是如何运动的呢？ 玻尔提出，电子像行星绕着太阳运行那样绕着原子核运动 ，也就是我们熟悉的电子分层排布。
A.燃放焰火
B.霓虹灯
C.燃烧蜡烛
D.平面镜成像
下列对核外电子运动状态的描述正确的是(D ) A.电子的运动与行星的运动相似，围绕原子核在固定的轨道上高 速旋转B.能层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道C.氢原子中 只有一个电子，故氢原子只有一个轨道D.在同一能级上运动的电 子，其运动状态肯定不同
能量最低原理
常见的焰色反应 ：
原子光谱 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 谱仪摄取各种元素的吸收光谱或发射光谱，总称原_子__光__谱______。
锂、氦、汞的发射光 暗背谱景亮线 线状不连续
锂、氦、汞的吸收光 谱亮背景暗线 线状不连续
原子光谱 在历史上，许多元素是通过原子光谱发现的 。例如铯（1860年）和铷（1861年），其光谱中有特征的蓝光和 红光。（特征：别的元素没有的）
(2)下列原子的价电子排布式(或价电子排布图)中，哪一种状态的能
量较低？试说明理由。
①氮原子：A.
B.
②钠原子：A.
B.
③铬原子：A.
B.
④碳原子：A.
B.
①B；A中原子的价电子排布违反了洪特规则。 ②A；B中原子的价电子排布违反了能量最低原理。 ③A；B中原子的价电子排布违反了能量最低原理。 ④A；B中原子的价电子排布违反了洪特规则。
A.He
B.
C.
D.
2．下列能层中，原子轨道数目为9的是(
A．K层
B．L层
C．M层
层
) D．N
解析：能层K、L、M、N含有轨道数分别为1、4、9、16 。 答案：C
以下电子排布式是基态原子的电子排布的是( D )
A.①②
B.
①③
C.②③
D.
③④
1、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(双选C)D( )
电子云
但这一观点很快被量子力学理论否定了。量子力学指出
：
-10
电子是一种微观粒子，在原子如此小的空间（直径约10 m）
内运动，其运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹 ，只能确定它在原子核各处出现的概_率_____。
电子云
如下为氢原子1s 电子的概率分布图，它是如何画出来的呢 ？
电子云
(a)
而它们要乘以2是由于每个轨道里最多只能容纳2___个电子，通 常称为电_子__对____，用方向相反的箭头“↓↑”表示。
泡利原理 这就是泡利(Pauli)原理：1个原子轨道里最多只能容纳2个电子 ，而且自旋方向一定相反（↓↑）。此时体系最稳定，原子的总 能量最低。
电子自旋可比喻成地球自转，有顺时针、逆时针两个方向 。 由泡利原理可知，_不__可__能___（可能/不可能）有两个电子处于完 全相同的状态（能层、能级、轨道取向、自旋方向都相同）。
洪特规则 我们可以解释上节课遇到的一个问题了：为什么24Cr和29Cu 的电子排布式不符合构造原理？
5
10
根据洪特规则，d 、d 分别为半充满、全充满的电子构型，比
较稳定。
洪特规则 为什么Fe 的稳定性强于 Fe ？
基态Fe原子的价电子排布式为3d 4s ，当失去4s轨道上的2个 电子时变为Fe ，Fe 价电子排布式为3d ，而Fe 价电子排布 式为3d ，Fe 的3d轨道为半充满稳定结构。
原子的基态与激发态、电子云与原子轨道
教学目标 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。
了解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。
教学重点
电子云与原子轨道；泡利原理、洪特规则的应用 。 教学难点
电子云与原子轨道；泡利原理、洪特规则的应用 。
(3)可正确表示原子轨道的是A__C__(填序号)。
A.2s
B.2d
C.3p
D.3
f
(4)基态Fe原子有_4__个未成对电子， 的电子排布式为 _________________________； 基态核外电子排布式为
__________________________。
(5)某元素的原子最外层电子排布式为 中能量最高的是2_p__能级电子。
下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是( D ) A.原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云B.s 轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C.p轨道呈哑 铃形，在空间有两个伸展方向D.与s电子原子轨道相同，p电子原 子轨道的平均半径随能层的增大而增大
以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽 的是D( )
电子排布图
写出26Fe、29Cu原子的价层电子排布式和电子排布图 。
练习
3.下列能级中，轨道数为3的是
（ A.s能）级
B.p能级
C.d能级
D.f能级
5.下列各图中哪一个是氧原子最外层的电子排布图
（）
A.
B.
C.
D.
8.在元素周期表中找出钠和硫，按构造原理写出它们的电子排 布式和电子排布图，并预言它们的最高化合价和最低化合价。
(b)
(c)
(d)
(e)
小黑点不表示电子，只表示电子在这里出现过一 次
电子云
( f )5张 (g)20张 (h)100张 (i)许多张 照片叠 照片叠印 照片叠印 照片叠印 小黑点印的疏密表示电子在核外空间内出现的机会的多少 。
电子云
得到的概率分布图看起来像一片云雾，因而 被形象地称为电_子__云______。
6.按要求填空。 (1)基态铝原子核外电子云有_4__种不同的伸展方向，共有5__种不同 能级的电子，有1 ___种不同运动状态的电子。 (2) 的基态原3子核外有2__个未成对电子， 的基态原子核外电子 排布式为___________________。基态 原子中，电子占据的最高 能层符号M为___，该能层具有的原子轨道9数为__，电子4数为__。
，则n＝2___；原子
(6)第四周期中最外层仅有1个电子的所有基态原子的电子排布式 __________________________________________________，第四周期中 ，3d轨道半充满的元素符号是___C__r、___M__n。
原子基态与激发态
1.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____。处于最低能量的原子基是态_____原子 。 2.电子从__基___态跃迁到_激__发__态会吸收光，从激___发__态跃迁到_基____ 态会发出光，可以用光谱仪摄取各种元素的特征吸收光谱或发 射光谱，总称原__子__光__谱_____。
上节课讲到，根据构造原理可以写出基___态原子的电子排布 。 那么什么是基态 ？
能量最低原理
现代物质结构理论证实，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______。
处于最低能量的原子就是基__态___原子 。基态原子的电子吸收能量后，会跃迁到较高能__级___（例如电子可 从1s跃迁到2s、6p……），变成激_发__态_____原子。
A．2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布 是z轴对称 B．点密集的地方表明电子出现的机会多 C．电子先沿z轴正半轴运动，然后在负半轴 运动 D．2pz轨道形状为两个椭圆面
下列基态原子的价电子排布式中，正确的是( D )
判断下列表达是正确还是错 误
（） （） （） （）
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：