【教學(xué)課件】第1節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 第4課時 示范課件

第4課時原子結(jié)構(gòu)第一章原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)溫故知新在學(xué)習(xí)構(gòu)造原理時，我們說它是一條以“以光譜學(xué)事實(shí)為基礎(chǔ)”，總結(jié)歸納出的規(guī)律。那這個填充順序的背后是否有原因呢？在學(xué)習(xí)洪特規(guī)則時，你是否思考過為什么電子在可選擇的情況下要優(yōu)先占據(jù)不同的軌道，而不是待在一起呢？電子分占軌道時，為什么要保持自旋平行？五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理4.能量最低原理在構(gòu)建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低，這就是能量最低原理。能量越低越穩(wěn)定，它是自然界的一個普遍規(guī)律。基態(tài)是能量最低的狀態(tài)，所以基態(tài)原子的電子排布是能量最低的原子軌道原子軌道組合。（1）運(yùn)用能量最低原理，說明構(gòu)造原理的填充順序是1s、2s、2p、3s、3p【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定。相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量低的能級即可使整個原子能量最低，1s、2s、2p、3s、3p依次填入電子即遵循該規(guī)律。（2）運(yùn)用能量最低原理，說明構(gòu)造原理的填充順序是3p、4s、3d、4p……【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理相鄰能級能量相差不太大時，有1~2個電子占據(jù)能量稍高的能級可能反而降低了電子排斥而使整個原子能量最低。若3p填滿6個電子后，再進(jìn)入的電子填入3d能級，此時第三能層電子數(shù)超過8個，電子彼此間的排斥加劇，致使整個原子能量升高。為了降低整體能量，會優(yōu)先在4s上排布。4s排滿后，不會進(jìn)入4p而進(jìn)入3d，因?yàn)?p軌道的能量比3d高，相差較大。（3）運(yùn)用能量最低原理，說明洪特規(guī)則中在簡并軌道上填充電子為何優(yōu)先分占不同軌道，而不是成對?！旧疃人伎肌课?、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理簡并軌道本身是能量相等的軌道，但是由于電子是帶負(fù)電的粒子，兩個電子進(jìn)入同一個軌道時，它們在空間上彼此靠近，相互的排斥使得整個原子的能量升高了一部分。而在分占不同軌道的情況下，這種排斥得到了有效緩解，故能量更低。所以電子在可選的情況下會優(yōu)先分占不同軌道。**自旋平行是通過量子力學(xué)的計算得到的“交換能”進(jìn)行說明的，不作要求（4）在學(xué)習(xí)構(gòu)造原理時，Cr和Cu的電子排布式?jīng)]有嚴(yán)格遵循構(gòu)造原理。Cr的電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1而非1s22s22p63s23p63d44s2Cu的電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1而非1s22s22p63s23p63d94s2【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理請依據(jù)電子排布式，結(jié)合洪特規(guī)則寫出Cr和Cu的價電子的軌道表示式Cu和Cr的價電子是3d和4s的全部電子五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理Cr和Cu的價電子軌道表示式CrCu在Cr和Cu的電子排布中，4s軌道只填充了一個電子，其他電子都填入3d軌道，此時3d軌道恰好為半充滿（d5）和全充滿（d10）的狀態(tài)。研究表明，簡并軌道中，電子排布為半充滿、全充滿或全空狀態(tài)是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況稱為洪特規(guī)則的特例。因此，Cu和Cr看似不遵循構(gòu)造原理，但其遵循的能量最低的本質(zhì)未變?！究偨Y(jié)】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理（5）下面是幾種元素的基態(tài)原子的價電子排布：鈮Nb4d45s1

釕Ru4d75s1銠Rh4d85s1

鎢W5d46s2這些排布可以用構(gòu)造原理或洪特規(guī)則的特例來進(jìn)行解釋么？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理隨著原子核核電荷數(shù)和核外電子數(shù)目的增多，原子核與電子、電子與電子之間的相互作用更加復(fù)雜，基態(tài)原子的電子排布不符合構(gòu)造原理的情況更多，原因也更復(fù)雜。有些基態(tài)原子的價電子排布既不遵循構(gòu)造原理，也不能用洪特規(guī)則特例來解釋。但其本質(zhì)仍是整個原子能量最低。構(gòu)造原理、洪特規(guī)則是人們歸納大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出的核外電子排布規(guī)律。遵循這兩個原則多數(shù)情況下可使得“整個原子能量最低”。部分原子形式上沒有滿足構(gòu)造原理、洪特規(guī)則及其特例，但仍遵循能量最低原理。1-36號元素中，Cr和Cu屬洪特規(guī)則特例，其他元素的基態(tài)原子均滿足構(gòu)造原理和洪特規(guī)則。據(jù)此，可以寫出1-36號元素的電子排布式和軌道表示式?！究偨Y(jié)】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理5.基態(tài)原子失去電子的順序基態(tài)Fe原子的價電子軌道表示式如下圖所示FeFe在表現(xiàn)還原性的過程中可能會失去2個電子或3個電子，變?yōu)镕e2+或Fe3+那失去的電子是哪個軌道上的電子？基態(tài)Fe2+或Fe3+的軌道表示式又怎樣表達(dá)呢？【思維啟迪】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理Fe失去2個電子變?yōu)镕e2+后，剩余的6個電子在軌道中可能有哪幾種排布？①⑤②④③2個電子可能都是4s能級，可能是1個3d、1個4s，也可能是2個3d，實(shí)際測定如何呢？五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，基態(tài)Fe2+的價電子排布實(shí)際為下面這種：即：Fe優(yōu)先失去4s上的兩個電子。類似的，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，基態(tài)Fe3+的價電子排布為：即：Fe失去4s上的兩個電子和3d上的一個電子?！舅季S啟迪】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理通過Fe的例子，我們可以得出如下結(jié)論：Fe的基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡單陽離子的時候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去4s電子，再失去3d電子。這個順序適用于其他元素么？通過大量的實(shí)驗(yàn)測定，人們發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律具有普遍性：基態(tài)原子失去電子轉(zhuǎn)化成簡單陽離子的時候，失去電子順序是由外到內(nèi)：先失去ns電子，再失去(n-1)d電子。如何書寫一個離子的電子排布式或軌道表示式？步驟一：依照構(gòu)造原理、洪特規(guī)則書寫出基態(tài)原子的電子排布式或軌道表示式（注意Cr和Cu是洪特規(guī)則特例）步驟二：按照失去電子的數(shù)量由外層到內(nèi)層依次減去電子注意：在基態(tài)離子的簡并軌道中，電子的排布仍遵循洪特規(guī)則【總結(jié)】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理寫出Cr、Cu、Zn基態(tài)原子的價電子軌道表示式，以及Cr3+、Cu2+、Zn2+離子的價電子軌道表示式。課堂練習(xí)CrCr3+CuCu2+ZnZn2+（1）書寫基態(tài)離子的電子排布式和軌道表示式為什么不能直接使用構(gòu)造原理？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理首先，構(gòu)造原理的適用對象是原子。整個原子或離子的能量是由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定。離子中核電荷數(shù)與電子數(shù)不相等，此時核對電子的吸引和電子之間的排斥與電中性中的原子情況不同。對離子而言，這種未遵循構(gòu)造原理的排布才是能量最低的排布方式，符合能量最低原理。（2）前面只討論了失去電子變?yōu)殛栯x子的情況，你認(rèn)為基態(tài)原子得到電子變?yōu)楹唵侮庪x子的情況是怎么樣的？得到的電子應(yīng)填在哪個軌道？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理基態(tài)原子得電子變?yōu)楹唵侮庪x子的元素應(yīng)是非金屬元素，它們的價電子數(shù)一般≥4，變?yōu)楹唵侮庪x子后，形成了最外層8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的最外層電子排布為ns2np6。因此得到的電子一定是填入最外層的p軌道。在書寫基態(tài)陰離子時，把原子中最外層3條p軌道填滿即可。（3）先失去ns，再失去(n-1)d的順序，表明了d電子參與了化學(xué)反應(yīng)，因此這個順序是針對過渡元素適用的，如果是主族金屬元素，是怎樣的呢？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理主族金屬元素的價電子只有ns和np電子，與d電子無關(guān)。第IA和IIA族的元素，他們ns能級上只有1或2個電子，失去全部的ns后就變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如Na、Mg、K、Ca。故與d電子無關(guān)。IIIA族的Al，價電子排布為3s23p1，失去3個電子后變?yōu)樽钔鈱?e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。IIIA族的其他元素，如Ga，價電子排布為4s24p1，失去3個電子后變?yōu)樽钔鈱?8e-結(jié)構(gòu)（3s、3p、3d均全滿），也同樣穩(wěn)定。（4）從Fe2+和Fe3+的價電子的軌道表示式分析，為何它易失去1個電子變?yōu)镕e3+？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理Fe2+失去一個電子變?yōu)镕e3+后，3d恰好為半充滿的狀態(tài)，此時能量低較穩(wěn)定，故Fe2+易表現(xiàn)出還原性。Fe2+Fe3+（5）之前的學(xué)習(xí)中我們見過Cu可以失去2個電子變?yōu)镃u2+，從Cu的價電子的軌道表示式分析，它除了+2價，還容易形成幾價的陽離子？【深度思考】五、泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理Cu失去一個電子變?yōu)镃u+后，3d恰好為全充滿的狀態(tài)，此時能量低較穩(wěn)定，Cu也可形成+1價的Cu+，例如Cu2O，CuCl，CuI等。在有機(jī)化學(xué)中用新制Cu(OH)2鑒定醛基的反應(yīng)中，Cu(OH)2被還原為Cu2OCuCu+通過基態(tài)原子的價電子排布式和軌道表示式，我們能