高中化學 1.1.2 量子力學對原子核外電子運動狀態(tài)的描述課件 魯科版選修3.ppt

1 2 1 原子軌道與四個量子數(shù)根據(jù)量子力學理論 原子中的單個電子的空間運動狀態(tài)可以用原子軌道來描述 而每個原子軌道由三個只能取整數(shù)的量子數(shù)n l m共同描述 1 主量子數(shù)n n的取值為正整數(shù)1 2 3 4 5 6 對應的符號為k l m n o p等 一般而言 n越大 電子離核的平均距離越遠 能量越高 因此 將n值所表示的電子運動狀態(tài)稱為電子層 自主思考1 引入主量子數(shù)n解決了什么問題 提示 引入主量子數(shù)n解決了氫原子光譜為線狀光譜而不是連續(xù)光譜的問題 1 2 2 角量子數(shù)l 對于確定的n值 l共有n個值 0 1 2 3 n 1 對應的符號分別為s p d f等 若兩個電子所占據(jù)的原子軌道的n l均相同 就表明這兩個電子具有相同的能量 我們用能級來表示具有相同n l的電子運動狀態(tài) 在一個電子層中 l有多少個取值 就表示該電子層有多少個不同的能級 可見 同一電子層內(nèi)的電子根據(jù)能量的不同 可以分成不同的能級 第n電子層內(nèi)有n個能級 如在k層中只有1個s能級 在l層中有1個s能級和1個p能級 在m層中有1個s能級 1個p能級和1個d能級 等等 自主思考2 引入角量子數(shù)l解決了什么問題 提示 引入角量子數(shù)l解決了多電子原子多條譜線的問題 例如鈉原子 處于n 4狀態(tài)的電子躍遷到n 3的狀態(tài)時 會產(chǎn)生多條譜線的問題 1 2 3 磁量子數(shù)m 在沒有外磁場時 量子數(shù)n l相同的狀態(tài)的能量是相同的 有外磁場時 這些狀態(tài)的能量就不同 我們用磁量子數(shù)m來標記這些狀態(tài) 對于確定的l m值可取0 1 2 l 共 2l 1 個值 磁量子數(shù)用來描述核外電子的空間運動方向 自主思考3 引入磁量子數(shù)m解決了什么問題 提示 引入磁量子數(shù)m解決了在外磁場的作用下 某一特定躍遷原來產(chǎn)生的一條譜線都可能分裂為多條的問題 4 自旋磁量子數(shù)ms 高分辨光譜實驗事實揭示核外電子還存在著一種奇特的量子化運動 人們稱其為自旋運動 人們用自旋磁量子數(shù)ms來標記電子的自旋運動狀態(tài) 處于同一原子軌道上的電子自旋運動狀態(tài)只能有兩種 分別用 和 來表示 1 2 5 原子軌道 我們通常把n l和m共同確定的原子核外電子的空間運動狀態(tài)稱為原子軌道 若l 0 表示s能級 m 0 即s能級中有1個原子軌道 若l 1 表示p能級 m 0 1 1 代表在空間有3個伸展方向 即p能級中有3個能量相同的原子軌道 若l 2 表示d能級 m 0 1 1 2 2 代表在空間有5個伸展方向 即d能級中有5個能量相同的原子軌道 若l 3 表示f能級 f能級有7個伸展方向不同的軌道 對于第n層的s軌道 記作ns 對于第n層的3個p軌道 分別記作npx npy npz 1 2 小結 主量子數(shù)n對應著電子層 主量子數(shù)n和角量子數(shù)l對應著n電子層中的能級 主量子數(shù)n 角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m對應著n電子層中l(wèi)能級中的原子軌道 自旋磁量子數(shù)ms描述的是電子的自旋性質(zhì) 這樣 原子中的單電子運動狀態(tài)可用由量子數(shù)n l m確定的原子軌道來描述 并取兩種自旋狀態(tài)中的一種 所以 描述一個電子的運動狀態(tài) 要用四個量子數(shù) n l m和ms 1 2 2 原子軌道的圖形描述和電子云 1 原子軌道的圖形描述 s軌道在三維空間分布的圖形為球形 即該原子軌道具有球?qū)ΨQ性 p軌道空間分布的特點是分別相對于x y z軸對稱 因此 p原子軌道在空間的分布分別沿x y z方向 2 電子云 由于電子的質(zhì)量非常小 運行速度極快 人們不能同時準確地測定它的位置和速度 但原子核外的電子運動狀態(tài)表現(xiàn)出按概率分布的統(tǒng)計規(guī)律 可以形象地用電子云描述原子中電子的運動狀態(tài) 這種形象地描述電子在空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小的圖形稱為電子云圖 1 2 注意 量子力學中的軌道的含義是電子在核外空間經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域輪廓 與玻爾軌道的含義完全不同 它既不是圓周軌道 也不是其他經(jīng)典意義上的固定軌跡 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 探究一原子軌道1 玻爾只引入一個量子數(shù)n 能比較好地解釋了氫原子線狀光譜產(chǎn)生的原因 但復雜的光譜解釋不了 實驗事實 在氫原子中n 2n 1時 得到兩條靠得很近的譜線 與此類比 在鈉原子中n 4n 3得到兩條靠得很近的譜線 鈉原子的部分光譜為什么在通常條件下 鈉原子中的處于n 4的電子躍遷到n 3的狀態(tài)時 在高分辨光譜儀上看到的不是一條譜線 而是兩條譜線 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 提示 原子的線狀光譜產(chǎn)生于原子核外的電子在不同的 能量量子化的軌道之間的躍遷 多電子原子光譜中原有的譜線之所以能分裂為多條譜線 可能是量子數(shù)n標記的核外電子運動狀態(tài)包含多個能量不同的 軌道 電子在不同能量的 軌道 之間躍遷時產(chǎn)生的譜線就會增多 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 2 如何比較電子的能量高低 提示 在多電子原子中 電子填充原子軌道時 原子軌道能量的高低存在如下規(guī)律 1 相同電子層上原子軌道能量的高低 ns np nd 2 不同電子層上形狀相同的原子軌道能量的高低 1s 2s 3s 2p 3p 4p 3 相同電子層上形狀相同的原子軌道能量的高低 2px 2py 2pz 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 核外電子運動狀態(tài)的描述1 電子層 在含有多個核外電子的原子中 電子的能量往往是不同的 人們根據(jù)電子的能量差異和主要運動區(qū)域的不同 認為核外電子分別處于不同的電子層 或能層 上 原子中由里向外的電子層數(shù)n可取1 2 3 4 5等正整數(shù) 對應的電子層符號分別為k l m n o等 能量依次升高 2 能級 處于同一電子層的電子 能量也可能不同 還可以把它們分成能級 并用s p d f等符號表示 每一電子層的能級數(shù)等于該層的層序數(shù) n 第一層只有1個能級 1s 第二層有2個能級 2s和2p 第三層有3個能級 3s 3p 3d 依次類推 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 3 原子軌道 處于同一能級的電子可以在不同類型的原子軌道上運動 不同的軌道有不同的形狀和不同的伸展方向 例如 s能級是球形對稱的 s能級中只有1個原子軌道 p能級呈紡錘形 或啞鈴形 有3個原子軌道 在空間分別向x y z三個方向伸展 每個p能級的3個原子軌道相互垂直 記作px py pz d能級有5個伸展方向不同的軌道 f能級有7個伸展方向不同的軌道 4 電子的自旋 每一個原子同一軌道上的電子有不同的自旋狀態(tài) 分別用向上和向下的箭頭 和 表示 以s p d f 排序的各能級可容納的最多電子數(shù)依次為1 3 5 7 的2倍 總之 核外電子可看作是在某一電子層的某一能級中的某一軌道上運動的 并有一定的自旋方向 這也就決定了每一個電子層 能級中的原子軌道數(shù) 以及所容納的電子總數(shù) 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 例題1 下列說法是否正確 如不正確 應如何改正 1 s電子繞核旋轉(zhuǎn) 其軌道為一圓圈 而p電子是走 字形 2 主量子數(shù)為1時 有自旋相反的兩條軌道 3 主量子數(shù)為3時 有3s 3p 3d 3f四條軌道 解析 1 不正確 因為電子運動并無固定軌道 應改為 s電子在核外運動電子云圖像或概率分布呈球形對稱 其剖面圖是個圓 而p電子云圖像或概率分布呈紡錘形 其剖面圖是 形 2 不正確 因為n 1 l 0 只有一個1s原子軌道 應改為主量子數(shù)為1時 在1s原子軌道中可能有兩個自旋相反的電子 3 不正確 因為n 3時 l只能取0 1 2 所以沒有3f 另外3s 3p 3d的電子云形狀不同 3p有三種空間取向不同的運動狀態(tài) 有3個原子軌道 3d有五種空間取向 有5個原子軌道 因此應改為 主量子數(shù)為3時 有9個原子軌道 答案 見解析 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 方法技巧要明確描述電子運動狀態(tài)的電子層 電子層中的能級和能級中的原子軌道的遞進關系和分別對應的量子數(shù) 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 變式訓練1下列有關認識正確的是 a 各電子層的原子軌道數(shù)按s p d的順序分別為1 3 5b 各電子層的能級都是從s能級開始至f能級結束c 各電子層含有的能級數(shù)為n 1d 各電子層含有的原子軌道數(shù)為2n2解析 各能級的原子軌道數(shù)目取決于原子軌道在三維空間的分布情況 s能級有1個原子軌道 p能級有3個原子軌道 d能級有5個原子軌道 a項正確 各電子層的能級都是從s能級開始 但能級數(shù)等于電子層序數(shù) 不一定到f能級結束 故b c兩項錯誤 各電子層含有的原子軌道數(shù)為n2 d項錯誤 答案 a 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 探究二電子云1 宏觀物體與微觀粒子 電子 的運動有什么區(qū)別 提示 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 2 電子在一定區(qū)域內(nèi)如何運動呢 如何描述電子的運動 提示 核外電子運動特征 電子質(zhì)量小 運動空間小 運動速度快 對于電子而言 人們不能同時準確地測定它的位置和速度 但能夠統(tǒng)計出電子在什么地方出現(xiàn)的概率大 什么地方出現(xiàn)的概率小 并用點的密度大小表示電子在某處出現(xiàn)機會的多少 所得的圖形稱之為電子云圖 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 核外電子運動的一種統(tǒng)計性描述 電子云將電子出現(xiàn)的概率約為90 的空間圈出來 制作電子云的輪廓圖 便可描繪電子云的形狀 s電子云的輪廓圖是球形 p電子云的輪廓圖是紡錘形 或啞鈴形 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 ns np nd nf能級分別有1 3 5 7個原子軌道 每個p能級有3個相互垂直的原子軌道 分別標記為npx npy npz 同一能層中相同形狀的原子軌道能量相同 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 1 如下圖所示 是電子在1s軌道的電子云示意圖 軌道的電子云示意圖為了形象地表示電子在原子核外空間的分布狀況 人們常用小點的疏密程度來表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 2 下圖中給出了2s和2p的電子云的輪廓圖 2s 2p原子軌道示意圖原子中的單個電子的空間運動狀態(tài)是用原子軌道描述的 根據(jù)量子力學理論 可以將原子軌道在空間的分布以圖像方式在直角坐標系中表示出來 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 例題2 如圖是2pz軌道電子云的示意圖 請觀察圖 并判斷下列說法中不正確的是 導學號52720003 a 2pz軌道上的電子在空間出現(xiàn)的概率分布是z軸對稱b 點密集的地方表明電子出現(xiàn)的機會多c 電子先沿z軸正半軸運動 然后在負半軸運動d 2pz軌道形狀為紡錘形 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 解析 電子云是描述電子在空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率大小的圖形 它并不是電子運動的實際軌跡 或軌道 故c錯 電子云的疏密表示電子在該區(qū)域出現(xiàn)機會的多少 越密集 說明出現(xiàn)機會越多 故b對 觀察該圖可知a對 該p軌道的形狀為紡錘形 或啞鈴形 d對 答案 c易錯警示由于電子在核外運動沒有確定的軌道 且無法準確測定其速度 也不能預測電子在某時刻的位置 人們只能用統(tǒng)計圖示的方法來形象地描繪電子在原子核外空間出現(xiàn)的概率大小 所得圖像并不是電子運動的軌跡圖 探究一 探究二 問題引導 名師精講 即時檢測 變式訓練2符號3px所代表的含義是 a px軌道上有3個電子b 第三個電子層px軌道有3個伸展方向c px電子云有3個伸展方向d 第三個電子層沿x軸方向伸展的p軌道解析 3px中 3表示第三電子層 p原子軌道在三維空間的分布分別沿x y z三個方向 px表示沿x軸方向伸展的p軌道 答案 d 探究一 探究二 即時檢測 1 關于基態(tài)氫原子的電子云圖 下列說法正確的是 a 一個小黑點代表一個電子b 小黑點表示電子曾經(jīng)出現(xiàn)過的位置c 小黑點的疏密表示電子在核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的大小d 基態(tài)氫原子的電子云是圓形的解析 電子云圖中的小黑點是用來統(tǒng)計電子在核外空間某處出現(xiàn)概率大小的 而不是代表一個實實在在的電子 也不是電子曾經(jīng)出現(xiàn)過的位置 小黑點的疏密表示的是電子在核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的多少 基態(tài)氫原子的電子云是球形的而不是圓形的 答案 c 探究一 探究二 即時檢測 2 下列說法中正確的是 導學號52720004 a 處于最低能量的原子叫做基態(tài)原子b 3p表示p能級有3個軌道c 同一原子中 1s 2s 3s電子的能量逐漸減小d 同一原子中 2p 3p 4p能級的軌道數(shù)依次增多解析 b錯 3p表示第三能層的p原子軌道 c錯 同一原子中 1s 2s 3s電子的能量逐漸增大 d錯 同一原子中 2p 3p 4p能級的軌道數(shù)相同 答案 a 探究一 探究二 即時檢測 3 能夠確定核外電子空間運動狀態(tài)的量子數(shù)組合為 a n lb n l msc n l md n l m ms解析 主量子數(shù) n 決定電子的離核遠近 角量子數(shù) l 確定原子軌道的形狀 磁量子數(shù) m 決定原子軌道在空間的取向 故用n l m三個量子數(shù)可以確定一個電子的空間運動狀態(tài) 即一個原子軌道 答案 c 探究一 探究二 即時檢測 4 下列電子層中 包含有f能級的是 a k層b l層c m層d n層解析 能級數(shù)目等于電子層序數(shù) k l m n的電子層序數(shù)依次為1 2 3 4 則分別有1