第2课时 能量最低原理基态与激发态光谱 电子云与原子轨道学案答案.docx
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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学案答案
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
学业要求
素养对接
1.知道处于不同能级的电子，在一定条件下会发生激发与跃迁。
2.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。
3.能结合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则书写1～36号元素基态原子的轨道表示式，并说明含义。
模型认知：
建立新的原子结构模型，并能说明建构思维模型在人类认识原子结构过程中的重要作用。
微观探析：
能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异。
[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
基态原子
激发态原子
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】
1.为什么原子的核外电子排布要遵循能量最低原理呢？
提示 能量最低原理是自然界普遍遵循的规律。
能量越低，物质越稳定，物质都有从高能量状态转化到低能量状态的趋势。
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
ns
np
nd
nf
轨道数目
1
3
5
7
4.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】
2.在电子云轮廓图中小黑点的意义是什么？
提示 一个小黑点表示电子在该处出现一次，小黑点密的地方表示电子在该处空间单位体积内出现的概率大，小黑点疏的地方，表示电子在该处空间单位体积内出现的概率小。
3.能层与能级（原子轨道的类型）及原子轨道数目有何关系？
提示 第n能层上有n个能级、n2个原子轨道。
例如，第3能层就有3个能级（3s，3p，3d），包含9个原子轨道，不同能级中的电子云可能有不同的伸展方向，即可能有不同的原子轨道。
[自我检测]
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1s22s22p
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 D
3.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＋：
1s22s22p63s23p6
②F－：
1s22s23p6
④Cr：
1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe：
1s22s22p63s23p63d64s2
⑥Mg2＋：
1s22s22p6
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 ①⑤⑥ ②④ ③ ⑦
学习任务一 基态与激发态、光谱
【合作交流】
在激动人心的巨响和脆响中，整个城市的上空都被焰火照亮了，染红了。
一团团盛大的烟花象一柄柄巨大的伞花在夜空开放；像一簇簇耀眼的灯盏在夜空中亮着；像一丛丛花朵盛开并飘散着金色的粉沫。
焰火在夜空中一串一串地盛开，最后像无数拖着长长尾巴的流星，依依不舍地从夜空滑过。
1.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？
提示 这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
2.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什么？
提示 在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高的能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态原子时，将释放能量，从而产生红光。
【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（物理变化）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。
【例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－：
1s22s22p63s23p6
C.Na：
1s22s22p53s2D.Si：
1s22s22p63s23p2
解析 基态原子的核外电子排布必须遵循构造原理，基态钠原子的电子排布式应是1s22s22p63s1。
答案 C
原子或离子核外电子排布属于基态排布应满足构造原理，注意满足半满、全满、全空稳定状态，洪特规则、泡利原理。
【变式训练】
1.下列关于同一原子中的基态和激发态说法中，正确的是（ ）
A.基态时的能量比激发态时高
B.激发态时比较稳定
C.由基态转化为激发态过程中吸收能量
D.电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
解析 激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确。
电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。
答案 C
2.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
学习任务二 电子云与原子轨道
【合作交流】
20世纪20年代以来，现代模型（电子云模型）认为电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理学家海森堡在1926年提出的著名的不确定性原理。
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？
提示 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.电子在原子核外出现的概率有什么规律？
提示 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电子云疏散。
3.不同能层的同种能级的原子轨道形状是否完全相同？
提示 不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，但不完全相同。
只是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）。
【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。
【例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密度大小的图形称为电子云；常用小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。
小点密集的地方，表示电子在那里出现的概率密度大，小点稀疏的地方，表示电子在那里出现的概率密度小。
答案 B
注意对电子云概念的理解和原子结构的理解，电子云只能描述电子运动在一定区域的几率。
【变式训练】
3.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
4.下面有关“核外电子的运动状态”的说法，错误的是（ ）
A.各原子轨道的伸展方向按p、d、f的顺序分别为3、5、7
B.只有在电子层、原子轨道、原子轨道伸展方向及电子的自旋状态都确定时，电子的运动状态才能被确定下来
C.原子核外可能有两个电子的运动状态是相同的
D.原子轨道伸展方向与能量大小是无关的
解析 原子核外不可能有运动状态相同的两个电子。
答案 C
学习任务三 泡利原理和洪特规则
德国人弗里德里希·洪特（F.Hund）根据大量光谱实验数据总结出一个规律，即电子分布到能量简并的原子轨道时，优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道，因为这种排布方式原子的总能量最低。
所以在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。
【合作交流】
1.第3能层中的电子都比第4能层中的电子能量低吗？
提示 不一定，如3d＞4s。
2.泡利原理和洪特规则有何区别？
提示 泡利原理：
在一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反；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。
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：
1s22s22p63s23p
3p
④4s轨道上有2个电子的原子：
⑤3d轨道上有8个电子的原子：
提示 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。
【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
电子排布图
含义
每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子
实例
电子式
含义
化学中常在元素符号周围用“·”或“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫做电子式
实例
【例3】 下列表达方式正确的是（ ）
A.Na＋的电子排布图：
B.硫离子的核外电子排布式：
1s22s22p63s23p4
C.碘化铵的电子式：
D.H2O的电子式：
解析 A项违反泡利原理；B项硫离子的核外电子排布式应为1s22s22p63s23p6；C项碘化铵的电子式应为
；只有D项正确。
答案 D
注意把握电子排布规律及化学用语的规范应用，在表达阴、阳离子的核外电子排布状况时，务必注意离子与原子之间的电子数目关系。
【变式训练】
5.某原子核外电子排布为ns2np7，它违背了（ ）
A.泡利原理B.能量最低原理
C.洪特规则D.洪特规则特例
解析 p能级有三个轨道，据泡利不相容原理，每个轨道最多排2个电子，故p能级最多排6个电子，不可能排7个，故违背泡利原理。
答案 A
6.下列原子的价层电子排布图正确的是（ ）
解析 A的2p轨道应各排布一个电子且自旋状态相同，B的2s轨道中两个电子的自旋状态应相反，D的2s轨道中排满两个电子后才排2p轨道。
答案 C
7.
（1）以下列出的是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况。
试判断，哪些违反了泡利原理？
________，哪些违反了洪特规则？
________。
（2）某元素的激发态（不稳定状态）原子的电子排布式为1s22s22p63s13p33d2，则该元素基态原子的电子排布式为________；其最高价氧化物对应水化物的化学式是________________。
（3）将下列多电子原子的原子轨道按轨道能量由低到高顺序排列。
①2s ②3d ③4s ④3s ⑤4p ⑥3p
轨道能量由低到高排列顺序是____________（填序号）。
解析
（1）同一轨道中不应有自旋状态相同的电子，③违反了泡利原理；②中成单电子自旋状态应相同，④中5个电子应分占5个轨道，⑥中成单电子自旋状态应相同，所以②④⑥违反了洪特规则。
（2）3p能量小于3d，激发态为1s22s22p63s13p33d2，基态应为1s22s22p63s23p4。
此原子核外电子数为16，其质子数也为16，该元素为硫元素，其最高价氧化物对应水化物的化学式是H2SO4。
答案
（1）③ ②④⑥
（2）1s22s22p63s23p4 H2SO4
（3）①④⑥③②⑤
8.
（1）元素Mn与O中，基态原子核外未成对电子数较多的是________。
（2）基态Ge原子有________个未成对电子。
（3）镍元素基态原子的3d能级上的未成对电子数为________。
（4）基态Fe原子有________个未成对电子。
（5）基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。
（6）Cu的价层电子排布图为________。
答案
（1）Mn
（2）2 （3）2 （4）4 （5）N 球形
（6）
巩固训练
【基础训练】
1.下列有关电子云的叙述中，正确的是（ ）
A.电子云形象地表示了电子在核外某处单位体积内出现的概率
B.电子云直观地表示了核外电子的数目
C.1s电子云界面图是一个球面，表示在这个球面以外，电子出现的概率为零
D.电子云是电子绕核运动形成了一团带负电荷的云雾
解析 电子云表示电子在核外单位体积内出现的概率大小，小黑点的疏密表示出现概率密度的大小，密则概率密度大，疏则概率密度小，故A正确。
答案 A
2.下列离子中d轨道达半充满状态的是（ ）
A.Cr3＋B.Cu＋
C.Co3＋D.Fe3＋
解析 Cr3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d3，d轨道不是半充满状态，故A错误；Cu＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d10，d轨道处于全满状态，故B错误；Co3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，d轨道不是半充满状态，故C错误；Fe3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，d轨道达半充满状态，故D正确。
答案 D
3.下列对核外电子运动状态的描述正确的是（ ）
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
解析 A项，质量很小的电子在做高速运动时，其运动规律跟普通物体不同，电子没有确定的运动轨道；B项，第三能层只有3s、3p、3d三个能级，而3s能级有1个轨道、3p能级有3个轨道、3d能级有5个轨道，故第三能层有9个轨道；C项，氢原子中只有1个电子，在1s轨道，但还存在其他空轨道；D项，电子的运动状态与能层、能级和自旋状态有关，在同一原子内部没有两个电子存在完全相同的运动状态。
答案 D
4.当碳原子的核外电子排布由1s22s22p2转变为1s22s12p3时，下列说法正确的是（ ）
A.碳原子由基态变为激发态
B.碳原子由激发态变为基态
C.该过程将产生发射光谱
D.碳原子要向外界环境释放能量
解析 从碳原子的核外电子排布变化来看，2s一个电子跃迁到2p，能量升高，产生吸收光谱，A项正确，B、C、D项错误。
答案 A
5.下列对核外电子运动状况的描述正确的是（ ）
A.同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次增多
B.当碳原子的核外电子排布由
转变为
时，这一过程中释放能量
C.3p2表示3p能级有两个轨道
D.在同一能级上运动的电子，其运动状态可能相同
解析 同一原子中，不同能层、相同能级的轨道数相同，故A错误；
为激发态碳原子的核外电子排布，能量较高，
为基态碳原子的核外电子排布，原子由激发态变为基态要放出能量，故B正确；3p2表示3p能级有2个电子，故C错误；在同一能级上运动的电子，其运动状态不同，故D错误。
答案 B
6.以下电子排布式是基态原子的电子排布式的是（ ）
A.1s12s1B.1s22s12p1
C.1s22s22p63s2D.1s12s12p63p1
解析 根据构造原理，基态原子的核外电子的排布总是优先占据能量低的能级，填满后再逐一填充能量高的能级。
低能量的能级没填满就填高能量的能级的原子处于激发态。
A项，1s12s1为激发态；B项1s22s12p1为激发态；D项1s12s12p63p1为激发态；只有C项处于基态。
答案 C
7.下列有关碳原子的电子排布图中，能量最低的是（ ）
解析 根据洪特规则，原子的核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。
A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D中的排布符合洪特规则，能量最低。
答案 D
8.下列有关电子云和原子轨道的说法中，正确的是（ ）
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能级原子轨道呈球形，处于该轨道上的电子只能在球壳内运动
C.p能级原子轨道呈哑铃状，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多
D.p能级原子轨道与s能级原子轨道的平均半径都随能层序数的增大而增大
解析 电子云表示电子在核外某一区域出现的概率密度分布，故A项错误；原子轨道是电子出现概率为90%的电子云空间，这只是表明电子在这一空间区域内出现的机会大，在此空间区域外出现的机会少，故B项错误；无论能层序数n如何变化，每个p能级都有3个原子轨道且相互垂直，故C项错误；同一原子的能层越高，对应能层电子的能量越高，电子在离核更远的区域出现的机会越大，电子云将向更大的空间扩展，原子轨道半径会增大。
答案 D
9.下列关于硅原子的核外电子排布表示方法中，错误的是（ ）
A.1s22s22p63s23p2
B.[Ne]3s23p2
解析 A、B两项是电子排布式，C、D两项是电子排布图，其中C项违背了洪特规则，故错误。
答案 C
10.
（1）处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用________形象化描述。
在基态14C原子中，核外存在________对自旋相反的电子。
（2）N的基态原子核外电子排布式为________；Cu的基态原子最外层有________个电子。
（3）钒（23V）是我国的丰产元素，广泛用于催化及钢铁工业。
钒在元素周期表中的位置为________________，其价层电子排布图为________________。
（4）Na位于元素周期表第________周期第________族；S的基态原子核外有________个未成对电子；Si的基态原子核外电子排布式为________。
（5）Cu＋基态核外电子排布式为________________。
（6）基态Fe原子有________个未成对电子，Fe3＋的电子排布式为________________。
（7）31Ga基态原子的核外电子排布式是________________。
（8）铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向，有________种不同运动状态的电子。
（9）基态Mn2＋的核外电子排布式为________________。
（10）Se原子序数为________，其核外M层电子的排布式为________。
（11）可正确表示原子轨道的是________。
A.2sB.2d
C.3pzD.3f
解析
（1）电子在原子核外出现的概率密度分布通常用电子云来形象化描述。
C的电子排布图为
，所以其基态原子中核外存在2对自旋状态相反的电子。
（2）N元素的原子序数为7，基态原子的核外电子排布为1s22s22p3；Cu元素位于第四周期ⅠB族，基态原
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