學(xué)案原子結(jié)構(gòu)模型

11/11原子結(jié)構(gòu)模型【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過了解有關(guān)核外電子運動模型的歷史發(fā)展過程，認(rèn)識核外電子的運動特點?！緦W(xué)習(xí)重點】知道電子運動的能量狀態(tài)具有量子化的特征（能量不連續(xù)），電子可以處于不同的能級，在一定條件下會發(fā)生躍遷。【學(xué)習(xí)難點】知道電子的運動狀態(tài)（空間分布及能量）可通過原子軌道和電子云模型來描述?！緦W(xué)習(xí)過程】必備知識自主預(yù)習(xí)【預(yù)習(xí)導(dǎo)航】一、氫原子光譜和玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型1．原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展史2．光譜和氫原子光譜（1）光譜①概念：利用原子光譜儀將物質(zhì)吸收的光或發(fā)射的光的頻率（或波長）和強度分布記錄下來的譜線。②形成原因：電子在不同軌道間躍遷時，會輻射或吸收能量。（2）氫原子光譜：屬于線狀光譜。微思考?xì)湓油鈬挥?個電子，故氫原子光譜只有一條譜線，對嗎？提示：不對。3．玻爾原子結(jié)構(gòu)模型（1）基本觀點運動軌跡原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞原子核運動，并且不輻射能量能量分布在不同軌道上運動的電子具有不同的能量，而且能量是量子化的。軌道能量依n（量子數(shù)）值（1、2、3、…）的增大而升高對氫原子而言，電子處在n＝1的軌道時能量最低，稱為基態(tài)；能量高于基態(tài)能量的狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)電子躍遷電子在能量不同的軌道之間躍遷時，輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)出來并被記錄下來，就形成了光譜（2）貢獻(xiàn)①成功地解釋了氫原子光譜是線狀光譜的實驗事實。②闡明了原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷，指出了電子所處的軌道的能量是量子化的。二、量子力學(xué)對原子核外電子運動狀態(tài)的描述1．原子軌道（1）電子層將量子數(shù)n所描述的電子運動狀態(tài)稱為電子層。分層標(biāo)準(zhǔn)電子離核的遠(yuǎn)近取值1234567符號KLMNOPQ能量逐漸升高離核越來越遠(yuǎn)（2）能級：在同一電子層中，電子所具有的能量可能不同，所以同一電子層可分成不同的能級，用s、p、d、f等來表示。微點撥：能級數(shù)＝電子層序數(shù)，如n＝2時，有2個能級。（3）原子軌道概念單個電子在原子核外的空間運動狀態(tài)各能級上對應(yīng)的原子軌道數(shù)nsnpndnf1357微點撥：處于同一能級的原子軌道能量相同；電子層為n的狀態(tài)含有n2個原子軌道。（4）自旋運動：處于同一原子軌道上的電子自旋狀態(tài)只有兩種，分別用符號“↑”和“↓”表示。2．原子軌道的圖形描述3．電子在核外的空間分布（1）電子云圖：描述電子在核外空間某處單位體積內(nèi)的概率分布的圖形。（2）意義：點密集的地方，表示電子在此處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大；點稀疏的地方，表示電子在此處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率小。微點撥：量子力學(xué)中軌道的含義與玻爾軌道的含義不同，它既不是圓周軌道，也不是其他經(jīng)典意義上的固定軌跡。預(yù)習(xí)效果驗收1．判斷正誤（正確的打“√”，錯誤的打“×”）（1）氫原子光譜屬于線狀光譜。 （√）（2）基態(tài)氫原子轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)氫原子時釋放能量。 （×）（3）焰色試驗與電子躍遷有關(guān)，屬于化學(xué)變化。 （×）（4）電子云中的每一個小點就是一個電子。 （×）2．在多電子原子中，決定軌道能量的是（）A．電子層B．電子層和能級C．電子層、能級和原子軌道空間分布D．原子軌道空間分布和電子自旋方向B[多電子原子中，根據(jù)核外電子的能量差異，可將其分成不同的電子層；同一電子層的電子，能量也可能不同，還可以把它們分成不同的能級，同一能級的軌道能量相同，故決定軌道能量的是電子層和能級，B項正確。]3．下列關(guān)于電子云的敘述不正確的是（）A．電子云是用單位體積內(nèi)小點的疏密程度來表示電子在原子核外某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率大小的圖形B．電子云實際上是電子運動形成的類似云一樣的圖形C．電子云圖說明電子離核越近，單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率越大；電子離核越遠(yuǎn)，單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率越小D．相同電子層不同能級的原子軌道，其電子云的形狀不同B[為了形象地表示電子在原子核外空間的分布狀況，人們常用單位體積內(nèi)小點的疏密程度來表示電子在原子核外單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的大小。點密集的地方，表示在那里電子在單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大；點稀疏的地方，表示在那里電子在單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率小。]關(guān)鍵能力核心突破重難點1光譜與光譜分析（素養(yǎng)養(yǎng)成——宏觀辨識與微觀探析）情境探究氫原子光譜氫原子光譜實驗表明：氫原子在一般情況下并不輻射電磁波；氫原子光譜不是連續(xù)光譜，而是線狀光譜。1．電子躍遷是不是僅指電子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)？提示：不是。電子在不同能級中的躍遷均屬于電子躍遷，可由高能量的能級躍遷至低能量的能級，也可以由低能量的能級躍遷至高能量的能級。2．氫原子光譜為什么是線狀光譜？提示：電子在不同軌道上運動時能量不同，且能量值是不連續(xù)的，氫原子的電子從一個能級躍遷到另一個能級時，吸收或釋放一定的能量，就會吸收或釋放具有一定頻率的光，并被光譜分析儀記錄下來，得到線狀光譜。核心突破1．基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子（1）基態(tài)：最低能量狀態(tài)。處于最低能量狀態(tài)的原子稱為基態(tài)原子。（2）激發(fā)態(tài)：較高能量狀態(tài)（相對基態(tài)而言）。如基態(tài)原子的電子吸收能量后，電子躍遷至較高能級成為激發(fā)態(tài)原子。（3）基態(tài)、激發(fā)態(tài)相互轉(zhuǎn)化與能量的關(guān)系：基態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子。2．光譜與光譜分析光譜：不同元素的原子發(fā)生躍遷時會吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素原子的電子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱原子光譜。光譜分析：在現(xiàn)代化學(xué)中常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析。發(fā)射光譜形成示意圖吸收光譜形成示意圖3．基態(tài)、激發(fā)態(tài)與光譜的聯(lián)系當(dāng)基態(tài)原子的電子吸收能量，電子會躍遷到能量較高的軌道上，變成激發(fā)態(tài)原子。例如，電子可以從1s躍遷到2s、2p……相反，電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)，將釋放能量。光是電子釋放能量的重要形式之一。在日常生活中，我們看到的許多可見光，如燈光、霓虹燈光、激光，還包括燃放的焰火等都與原子核外電子發(fā)生躍遷釋放能量有關(guān)?！纠?】為揭示氫原子光譜是線性光譜這一事實，玻爾提出了核外電子的分層排布理論。下列說法中，不符合這一理論的是（）A．電子繞核運動具有特定的半徑和能量B．電子在特定半徑的軌道上運動時不輻射能量C．電子躍遷時，會吸收或放出特定的能量D．揭示了氫原子光譜存在多條譜線D[D項的內(nèi)容無法用玻爾理論解釋。玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型只能解釋氫原子光譜是線狀光譜。要解釋氫原子光譜的多條譜線，需用量子力學(xué)理論來描述核外電子的運動狀態(tài)。]題后歸納原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷，而電子所處的軌道的能量是量子化的。對點訓(xùn)練1．下列說法正確的是（）A．自然界中的所有原子都處于基態(tài)B．同一種原子處于激發(fā)態(tài)時的能量一定高于基態(tài)時的能量C．無論原子種類是否相同，基態(tài)原子的能量總是低于激發(fā)態(tài)原子的能量D．激發(fā)態(tài)原子的能量較高，極易失去電子，表現(xiàn)出較強的還原性B[自然界中的原子有的處于基態(tài)，有的處于激發(fā)態(tài)，A項錯誤；同一種原子處于激發(fā)態(tài)時的能量一定高于基態(tài)時的能量，若原子種類不同，則不一定如此，所以B項正確，C項錯誤；激發(fā)態(tài)原子的能量較高，容易轉(zhuǎn)換成能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，能量降低，該過程為物理變化，與還原性無關(guān)，故D項錯誤。]2．對充有氖氣的霓虹燈管通電，燈管發(fā)出紅色光。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因為（）A．電子由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時以光的形式釋放能量B．電子由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時吸收除紅光以外的光線C．氖原子獲得電子后轉(zhuǎn)變成發(fā)出紅光的物質(zhì)D．在電流作用下，氖原子與構(gòu)成燈管的物質(zhì)反應(yīng)A[通電后基態(tài)氖原子的電子吸收能量，躍遷到較高能級，由于處于激發(fā)態(tài)的氖原子不穩(wěn)定，則電子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)時，多余的能量以光的形式釋放出來，光的波長對應(yīng)一定的顏色，則A正確，B錯誤；霓虹燈發(fā)光過程中沒有新物質(zhì)生成，則C、D錯誤。]重難點2核外電子運動狀態(tài)的描述（素養(yǎng)養(yǎng)成——宏觀辨識與微觀探析）情境探究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(fù)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1．為什么在通常條件下，鈉原子中處于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？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(biāo)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。2．如何比較原子中電子的能量高低？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）相同電子層形狀相同的原子軌道能量的高低：2px＝2py＝2pz。核心突破1．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。2．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。3．電子層、能級和原子軌道之間的關(guān)系量子數(shù)（電子層）1234…n電子層符號KLMN…能級符號1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f…能級中軌道數(shù)1131351357…電子層中軌道數(shù)14916…n2電子運動狀態(tài)種數(shù)281832…2n24．不同原子軌道能量大小的關(guān)系【例2】下列有關(guān)原子軌道的敘述中正確的是（）A．氫原子的2s軌道能量較3p能級高B．鋰原子的2s與5s軌道皆為球形分布C．p能級的原子軌道呈啞鈴形，隨著電子層序數(shù)的增加，p能級原子軌道也在增多D．電子層n＝4的原子軌道最多可容納16個電子B[氫原子的2s軌道能量較3p能級低，故A錯誤；s能級的原子軌道都是球形的，故B正確；p能級的原子軌道呈啞鈴形，每個p能級有3個原子軌道，故C錯誤；電子層最多容納的電子數(shù)為2n2，電子層n＝4的原子軌道最多可容納32個電子，故D錯誤。]對點訓(xùn)練1．量子力學(xué)原子結(jié)構(gòu)模型中的原子軌道是用來描述核外電子空間運動狀態(tài)的。下列關(guān)于原子軌道的敘述正確的是（）A．原子軌道就是原子核外電子運動的軌道，這與宏觀物體運動軌道的含義相同B．第n電子層上共有2n2個原子軌道C．任意電子層上的p能級都有3個伸展方向相互垂直的原子軌道D．處于同一原子軌道上的電子，運動狀態(tài)完全相同C[原子軌道與宏觀物體的運動軌道不同，它是指電子出現(xiàn)的主要區(qū)域，而不是電子運動的實際軌跡，A項錯誤；第n電子層上共有n2個原子軌道，B項錯誤；原子核外每個電子的運動狀態(tài)均不同，D項錯誤。]2．下列關(guān)于核外電子的運動狀態(tài)的說法錯誤的是（）A．核外電子是分層運動的B．只有電子層、能級、電子云的空間伸展方向以及電子的自旋狀態(tài)都確定時，電子運動狀態(tài)才能被確定C．只有電子層、能級、電子云的空間伸展方向以及電子的自旋狀態(tài)都確定時，才能確定每一個電子層的最多軌道數(shù)D．電子云的空間伸展方向與電子的能量大小無關(guān)C[電子所具有的能量不同，會在不同的電子層上運動，A項正確；電子運動狀態(tài)是由電子層、能級、電子云的空間伸展方向以及電子的自旋狀態(tài)共同決定的，B項正確；同一能級的電子具有相同的能量，與電子云的空間伸展方向無關(guān)，D項正確；可由電子層數(shù)確定原子軌道數(shù)，C項錯誤。]學(xué)科素養(yǎng)應(yīng)用養(yǎng)成情境素材宏觀物體的運動核外電子的運動問題探究1．宏觀物體與微觀粒子的運動狀態(tài)有什么區(qū)別？提示：宏觀物體微觀粒子質(zhì)量很大很小速度較小很大（接近光速）位移可測位置、動量不可同時測定能量可測軌跡可描述（畫圖或函數(shù)描述）不可確定2．從量子力學(xué)角度分析核外電子運動有什么特點？量子力學(xué)是如何描述電子運動的？提示：量子力學(xué)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(biāo)記為npx、npy、npz，同一能級中的原子軌道能量相同。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電子云的輪廓圖是啞鈴形。素養(yǎng)養(yǎng)成通過本情境素材中對宏觀物體與微觀粒子的運動狀態(tài)的比較及量子力學(xué)對電子運動狀態(tài)描述，提升了“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。雙基達(dá)標(biāo)隨堂檢測1．（素養(yǎng)題）如圖為原子結(jié)構(gòu)模型的演變圖，其中①為道爾頓原子模型，④為近代量子力學(xué)原子模型。下列排列符合歷史演變順序的一組是（）①②③④⑤A．①③②⑤④ B．①②③④⑤C．①⑤③②④ D．①③⑤④②A[①為道爾頓提出的“實心球”模型，②為1911年英國物理學(xué)家盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)的核式模型，③為英國科學(xué)家湯姆孫1904年提出的“葡萄干布丁”原子結(jié)構(gòu)模型，④為近代量子力學(xué)原子模型，⑤為1913年丹麥物理學(xué)家玻爾提出的核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型，故正確的歷史演變順序為①③②⑤④，A項正確。]2．下列說法正確的是（）A．氫原子光譜是元素的所有光譜中最簡單的光譜之一B．“量子化”就是不連續(xù)的意思，微觀粒子運動均有此特點C．玻爾理論不但成功地解釋了氫原子光譜，而且還能推廣到其他原子光譜D．原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上像火車一樣高速運轉(zhuǎn)著B[氫原子光譜是元素的所有光譜中最簡單的光譜，A項錯誤；B項正確；玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，但對于解釋多電子原子的光譜卻遇到了困難，C項錯誤；電子運動沒有確定的軌道，電子的運動特點決定了只能用統(tǒng)計的方法來描述電子在空間出現(xiàn)的概率，不能同時準(zhǔn)確測定電子的位置和速度，D項錯誤。]3．圖甲和圖乙分別是1s電子的概率密度分布圖和原子軌道圖。下列有關(guān)認(rèn)識正確的是（）甲乙A．圖甲中的每個小黑點表示1個電子B．圖甲中的小黑點表示某一時刻，電子在核外所處的位置C．圖乙表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)D．圖乙表明1s軌道呈球形，有無數(shù)對稱軸D[圖甲中每個小黑點并不代表一個電子，而是代表電子出現(xiàn)的概率密度，不是電子在核外所處的位置，故A、B錯誤；“軌道”是指電子在