2017-2018學(xué)年高中化學(xué)第1章原子結(jié)構(gòu)1.1原子結(jié)構(gòu)模型學(xué)案魯科版選修3

1、第1節(jié) 原子結(jié)構(gòu)模型名師導(dǎo)航知識梳理一、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（1）公元前400多年，古希臘哲學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小單位叫做_。（2）1803年，英國化學(xué)家道爾頓把原子這一哲學(xué)名詞變?yōu)榛瘜W(xué)中具有確定意義的實在微粒，并建立了_學(xué)說。（3）1903年，湯姆遜在發(fā)現(xiàn)_的基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)的“_”模型，開始涉及原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。（4）1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)粒子散射實驗提出了原子結(jié)構(gòu)的_模型。（5）1913年，丹麥科學(xué)家玻爾進(jìn)一步建立起_的原子結(jié)構(gòu)模型。（6）20世紀(jì)20年代中期建立的_理論，使人們對原子結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識，從而建立了原子結(jié)構(gòu)的_模型。2.氫原子

2、光譜（1）通常所說的光是指人的視覺所能感覺到的在真空中波長介于_之間的電磁波。不同波長的光在人的視覺中表現(xiàn)出不同的顏色，按波長由長到短依次為_。實際上，廣義的光即電磁波，除了可見光外，還包括_等。（2）人們在放電管內(nèi)充入低壓氫氣，并在放電管兩端的電極間加上高壓電時，氫氣會放電發(fā)光，經(jīng)光譜儀記錄得到的光譜是由具有特定波長，彼此分立的譜線所組成，即為_。3.玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型（1）為揭示氫原子光譜是線狀光譜這一實驗事實，玻爾在盧瑟福原子模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子排布的原子結(jié)構(gòu)模型。（2）玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點(diǎn)：原子中的電子在具有_軌道上繞原子核運(yùn)動，并不輻射能量。在不同軌道上運(yùn)動的電子具有不同

3、的能量（E），而且能量是_的，即能量是“一份一份”的，不能任意連續(xù)變化而只能取某些_的數(shù)值，軌道能量依n值（1,2，3）的增大而升高，n稱為_。對氫原子而言，電子處在n=1的軌道時能量最低，稱為_；能量高于基態(tài)的狀態(tài)，稱為_。只有當(dāng)電子從一個軌道（能量為Ei）躍遷到另一個軌道（能量為Ej）時，才會_能量。如果_的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來，就形成了_。（3）玻爾的核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型成功地解釋了氫原子光譜是_的實驗事實。玻爾的重大貢獻(xiàn)在于指出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_的。二、量子力學(xué)對原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述1.原子軌道與四個量子

4、數(shù)（1）根據(jù)量子力學(xué)理論，原子中的單個電子的空間運(yùn)動狀態(tài)可以用_來描述，而每個原子軌道由三個只能取整數(shù)的量子數(shù)_共同描述。（2）量子數(shù)n稱為_，n的取值為正整數(shù)1，2，3，4，5，6對應(yīng)的符號為_等。一般而言，n越大，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)，_越高，因此將n值所表示的電子運(yùn)動狀態(tài)稱為_。（3）量子數(shù)l稱為_。對于確定的n值，l共有_個值：0、1、2、3（_），對應(yīng)的符號分別為_等。若兩個電子所取的n、l值均相同，就表明這兩個電子具有相同的_。我們用_來表示具有相同_值的電子運(yùn)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_。（4）科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，在沒有外磁場時，量子數(shù)n、l相同的

5、狀態(tài)的能量是相同的；有外磁場時，這些狀態(tài)的能量就_，我們用_m來標(biāo)記這些狀態(tài)，對于每一個確定的l，m值可取0，1，2，_，共_個值。（5）高分辨光譜實驗事實揭示電子還存在著一種奇特的量子化運(yùn)動，人們稱其為_。人們用_ms來描述電子的自旋運(yùn)動，處于同一原子軌道上的電子自旋運(yùn)動狀態(tài)，只能有_種，分別用自旋磁量子數(shù)ms=_和ms=_來描述。（6）主量子數(shù)n對應(yīng)著_；主量子數(shù)n和角量子數(shù)l對應(yīng)著n電子層中的_；主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m對應(yīng)著n電子層中l(wèi)能級中的_；自旋磁量子數(shù)ms描述的是電子的_。這樣，原子中的電子運(yùn)動狀態(tài)可用由量子數(shù)_確定的原子軌道來描述，并取兩種_狀態(tài)中的一種。2.原子軌

6、道的圖像描述和電子云（1）根據(jù)量子力學(xué)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(biāo)系中表示出來，s軌道在三維空間分布的圖形為_，即原子軌道具有_性；p軌道在空間的分布特點(diǎn)是分別相對于_對稱，即p原子軌道在空間分布分別沿x、y、z方向。（2）對于質(zhì)量非常_（電子質(zhì)量僅為9.110-31kg），運(yùn)動速度_（如在1 000 V電壓下加速的電子的速度可高達(dá)1.9107ms-1）的微觀粒子而言，人們不能同時準(zhǔn)確地測定它的_和_。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_來表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小。點(diǎn)密集的地方，表示電子在那里出現(xiàn)的_，這種形象地描述_的圖形稱為電子云圖。疑難突

7、破1.玻爾解決了原子的穩(wěn)定運(yùn)動、光譜類型等問題，提出了著名的玻爾原子結(jié)構(gòu)模型。但是實驗研究表明，在外磁場作用下，氫原子光譜的譜線會分裂成多條，這是玻爾理論所不能解釋的。根據(jù)以上知識，試簡要回答玻爾理論的缺陷是什么？量子力學(xué)是如何解決這一問題的？剖析：根據(jù)玻爾理論，氫原子的一個電子通常在能量最低的軌道（基態(tài)）上運(yùn)動，不釋放能量。但當(dāng)氫原子受到激發(fā)（加熱或氫放電管放電）時，核外電子獲得能量，即由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，它會迅速再躍遷至基態(tài)。在此躍遷過程中以光子的形式放出輻射能，發(fā)射出光子的頻率取決于電子躍遷兩軌道能級之差。由于各軌道的能量是不連續(xù)的（即量子化的），所以由電子的

8、躍遷而發(fā)射出的光的頻率也是不連續(xù)的，這便是氫原子光譜呈線狀光譜的原因。線狀光譜與連續(xù)光譜在譜線特征上有所不同，線狀光譜是不連續(xù)的，連續(xù)光譜是連續(xù)的。 關(guān)系為E 0=h=E=E末-E始。 玻爾理論只能說明在電子發(fā)生特定躍遷時，若可以以光的形式將輻射或吸收的能量記錄下來，其光譜應(yīng)當(dāng)是線狀光譜。而在外磁場的作用下，這一特定躍遷將產(chǎn)生多條譜線，玻爾理論無法解釋這種現(xiàn)象，表現(xiàn)出這一理論存在缺陷，需要有新理論作出科學(xué)說明，于是，產(chǎn)生了量子力學(xué)對原子結(jié)構(gòu)模型的描述。2.如何理解基態(tài)、激發(fā)態(tài)與原子光譜？剖析：處于最低能量的原子叫做基態(tài)原子，基態(tài)原子是穩(wěn)定的，此時電子盡可能地在離核最近的軌道上運(yùn)動，這時原子的能

9、量最低，若不加外界條件，則電子既不吸收，也不釋放能量。當(dāng)基態(tài)原子的電子吸收能量后，電子會躍遷到較高能級，變成激發(fā)態(tài)原子，此時的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)；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)時，將釋放能量，吸收或釋放的能量都是以光子的形式進(jìn)行的。因此，我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降脑S多可見光，如燈光、霓虹燈光、激光、焰火等都與原子核外電子發(fā)生躍遷吸收或釋放能量有關(guān)。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的電子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱原子光譜，每種原子都有自己特征的光譜。3.什么是電子云？電子云表示的意義是什么？剖析：當(dāng)電子在原子核外很小的空間內(nèi)做高速運(yùn)動時

10、，其運(yùn)動規(guī)律跟普通物體不同，它們沒有確定的軌道。因此，它們不能同時準(zhǔn)確地測定電子在某一時刻所處的位置和運(yùn)動的速度，也不能描畫出它的運(yùn)動軌跡。我們在描述核外電子的運(yùn)動時，只能指出它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會的多少。電子在原子核外空間一定范圍內(nèi)出現(xiàn)，可以想象為一團(tuán)帶負(fù)電荷的云霧籠罩在原子核周圍，所以，人們形象地把它叫做“電子云”。電子云密度大的地方，表明電子在核外空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會多；電子云密度小的地方，表明電子在核外空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會少，即只能確定它在原子核各處出現(xiàn)的概率。問題探究問題：小明在學(xué)習(xí)了原子軌道和電子云的知識后，對2pz軌道提出了這樣的觀點(diǎn)：它們都表示電子沿著“”形圍繞原

11、子核運(yùn)動；電子云上的小黑點(diǎn)表示一個個電子圍繞原子核運(yùn)動。你認(rèn)為上述觀點(diǎn)正確嗎？講講你的觀點(diǎn)。探究：電子繞原子核運(yùn)動是無規(guī)律的，沒有確定的軌道。這里說的軌道形狀表示原子軌道在三維坐標(biāo)系中的分布情況，而不表示電子運(yùn)動的軌跡。電子云上的小黑點(diǎn)是利用統(tǒng)計方法得到的結(jié)果，表示電子出現(xiàn)的幾率，而不表示電子數(shù)目。所以，兩種說法都不正確。典題精講【例1】玻爾理論不能解釋（ ）A.氫原子光譜為線狀光譜B.在一給定的穩(wěn)定軌道上，運(yùn)動的核外電子不輻射能量C.氫原子的可見光區(qū)譜線D.在有外加磁場時氫原子光譜有多條譜線思路解析：玻爾理論是針對原子的穩(wěn)定存在和氫原子光譜為線狀光譜的事實提出的，有外加磁場時氫原子有多條譜線

12、，玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型已無法解釋這一現(xiàn)象，必須借助量子力學(xué)加以解釋。答案：D【例2】下列電子層中，包含有f能級的是（ ）A.K電子層 B.L電子層 C.M電子層 D.N電子層思路解析：K電子層（n=1）中,l的取值只能為0，對應(yīng)的是1s能級；L電子層（n=2）中，l的取值只能為0或1，對應(yīng)的是s、p能級（即2s和2p）；M電子層（n=3）中,l的取值有0、1、2,對應(yīng)的是s、p、d能級（即3s、3p、3d）；N電子層（n=4）中，l的取值有0、1、2、3，對應(yīng)的能級是s、p、d、f（即4s、4p、4d、4f）。而根據(jù)l與n的關(guān)系規(guī)律，l=3時，n的最小取值是l+1=3+1=4。即只有n4的電子層

13、中才有f能級。所以，當(dāng)n的取值分別是1、2、3時對應(yīng)的K電子層、L電子層和M電子層中均無f能級。答案：D【例3】下列有關(guān)n、l、m、ms四個量子數(shù)的說法中，正確的是（ ）A.一般而言，n越大，電子離核平均距離越遠(yuǎn)，能量越低B.l的數(shù)值多少，決定了某電子層不同能級的個數(shù)C.對于確定的n值，m的取值共有2n+1個D.ms可取1/2兩個數(shù)值，數(shù)值表示運(yùn)動狀態(tài)，正負(fù)號表示大小思路解析：隨著n值的增大，電子離核的平均距離越來越遠(yuǎn)，能量越來越高；n值和l值相同的電子，能量相同，故同一電子層（n值相同）中能級個數(shù)取決于l的取值；對于確定的n值，m的取值共有n2個；ms所取的兩個數(shù)值都表示電子自旋這一量子化運(yùn)

14、動的狀態(tài)，正負(fù)號表示自旋方向而不表示大小。答案：B【例4】觀察1s軌道電子云示意圖，判斷下列說法正確的是（ ）圖13A.一個小黑點(diǎn)表示1個自由運(yùn)動的電子B.1s軌道的電子云形狀為圓形的面C.電子在1s軌道上運(yùn)動像地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)D.1s軌道電子云的點(diǎn)的疏密表示電子在某一位置出現(xiàn)機(jī)會的多少思路解析：電子云中的小黑點(diǎn)的疏密程度表示電子在原子核外出現(xiàn)概率的大小。點(diǎn)密集的地方，表示電子在那里出現(xiàn)的概率大；點(diǎn)稀疏的地方，表示電子在那里出現(xiàn)的概率小。由圖可知，處于1s軌道上的電子在空間出現(xiàn)的概率分布呈球形對稱，而且電子在原子核附近出現(xiàn)的概率最大，離核越遠(yuǎn)。出現(xiàn)的概率越小。圖中的小黑點(diǎn)不表示電子，而表現(xiàn)電子

15、曾經(jīng)出現(xiàn)過的位置。答案：D知識導(dǎo)學(xué) 本節(jié)內(nèi)容是沿著原子結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷史脈絡(luò)，以原子光譜事實為線索，介紹了玻爾模型的不足和量子力學(xué)的建立。 由原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識歷史來學(xué)習(xí)原子核外電子的運(yùn)動特征。 古希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為萬物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)成的，并把這些微粒叫原子(希臘文原意是“不可分割”)。 道爾頓是近代原子學(xué)說的創(chuàng)始人，他認(rèn)為物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，這些原子是不可分割的實心球體，同種原子的性質(zhì)和質(zhì)量都相同。 湯姆遜提出的模型認(rèn)為：原子是帶正、負(fù)電荷的微粒均勻分布構(gòu)成的。 核式模型觀點(diǎn)：原子是由居于原子中心占有體積“很小”、質(zhì)量“很大”的帶正電的原子核和占有體積“很大”、質(zhì)量“很小”的帶負(fù)電

16、的電子構(gòu)成的。 玻爾認(rèn)為氫原子的原子核是一個質(zhì)子，原子核帶正電，原子核外有一個電子，帶負(fù)電。 了解原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展簡史，能幫助我們認(rèn)識到科學(xué)認(rèn)識的形成都是循序漸進(jìn)的，科學(xué)家的偉大之處就在已有知識的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出新的思想和方法。 掌握玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型的理論要點(diǎn)，不要求用光譜來推出玻爾模型，但需要用玻爾模型來解釋氫原子的線狀光譜。 為了揭示氫原子光譜是線狀光譜這一實驗事實,玻爾在盧瑟福原子模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。 玻爾提出，電子環(huán)繞原子核運(yùn)動時，只有滿足一定條件時，運(yùn)動才是穩(wěn)定的。這個穩(wěn)定性條件稱為量子化條件。 玻爾假設(shè)，電子在圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)時，只能處于一些“特

17、定的”能量狀態(tài)中。這些能量狀態(tài)是不連續(xù)的，稱為定態(tài)。電子只能處于一個定態(tài)中，兩個定態(tài)之間沒有緩沖地帶，那里是電子的禁區(qū)，電子無法出現(xiàn)在那里。 量子化條件的要求相應(yīng)地導(dǎo)致穩(wěn)定氫原子的能量可取值也不能在一定的范圍內(nèi)從小到大連續(xù)地變化，而只能是某些特定的分立值。 玻爾理論只能說明在電子發(fā)生特定躍遷時，若可以以光的形式將輻射或吸收的能量記錄下來，其光譜應(yīng)當(dāng)是線狀光譜。而在外磁場的作用下，這一特定躍遷將產(chǎn)生多條譜線，玻爾理論無法解釋這種現(xiàn)象，表現(xiàn)出這一理論存在缺陷，需要有新理論作出科學(xué)說明，于是產(chǎn)生了量子力學(xué)對原子結(jié)構(gòu)模型的描述。主量子數(shù)n層決定軌道能量的高低。主量子數(shù)n 1 2 3 4 5 6 7電子

18、層符號K L M N O P Q氫原子核外只有一個電子，不存在電子之間的相互作用，能量只決定于主量子數(shù)n。角量子數(shù)l形決定原子軌道或電子云的形狀，與電子運(yùn)動的軌道角動量有關(guān)。 l 0 1 2 3 4能級符號 s p d f g軌道符號球形啞鈴形花瓣形磁量子數(shù)m伸決定電子運(yùn)動軌道在空間的不同伸展方向。若l=1，表示p能級在空間有三個伸展方向，即有三條不同方向的軌道，用m=0，+1，-1代表。自旋磁量子數(shù)ms旋決定電子運(yùn)動的自旋方向。電子自旋只有順時針和逆時針兩個方向。 ms： + -自旋方向：順時針 逆時針箭頭示意： 電子的運(yùn)動狀態(tài)可以用四個量子數(shù)來規(guī)定。其中n，l和m三個量子數(shù)確定電子在空間運(yùn)

19、動的軌道，稱為原子軌道。當(dāng)然電子運(yùn)動并不是真有確定的軌道，量子力學(xué)理論認(rèn)為電子在整個原子空間都有可能出現(xiàn)，只是在各處出現(xiàn)的概率密度不同，因而運(yùn)動狀態(tài)也不同。電子不僅在核外空間不停地運(yùn)動，而且還做自旋運(yùn)動，自旋量子數(shù)ms規(guī)定電子自旋運(yùn)動狀態(tài)。所以，電子的運(yùn)動狀態(tài)通常由n、l、m三個量子數(shù)決定軌道運(yùn)動，由ms決定自旋運(yùn)動。 由于電子的運(yùn)動狀態(tài)決定電子的能量（能級），電子在原子軌道上的分布特點(diǎn)決定其反應(yīng)性能，因此了解和掌握各種原子軌道的特點(diǎn)，對于認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及進(jìn)一步了解原子化合為分子的過程都有重要意義。 認(rèn)識原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)，不可能像宏觀運(yùn)動物體那樣有確定的軌道，可以用電子云來形象

20、地描述電子在核外各處出現(xiàn)的概率。 電子云是電子在核外空間各處出現(xiàn)概率密度大小的形象化描述。 注意：電子云是一個形象化描述。 一個小黑點(diǎn)不代表一個電子。 電子云的疏密代表電子在那里出現(xiàn)的概率密度的大小。疑難導(dǎo)析 人們對客觀世界的認(rèn)識是逐步深入的，當(dāng)通過理論推導(dǎo)出的結(jié)論與實驗事實產(chǎn)生矛盾時，我們就要尋求新的理論去解釋新出現(xiàn)的實驗事實。所以，理論是隨著人們對客觀世界認(rèn)識的深入而不斷發(fā)展變化的。 首先明確玻爾模型把電子看成一經(jīng)典粒子，推導(dǎo)中應(yīng)用了經(jīng)典物理學(xué)，使用了軌道的概念，所以玻爾理論不是徹底的量子理論。其次說明量子力學(xué)在玻爾軌道的基礎(chǔ)上提出了用多個量子數(shù)來標(biāo)記的軌道，電子在同一主量子數(shù)的不同軌道間

21、躍遷會產(chǎn)生多條譜線，如圖1-1、圖1-2所示。圖1-1 玻爾理論揭示了線狀光譜圖1-2 量子力學(xué)揭示了多重譜線 從原子中電子能量變化的角度去認(rèn)識光產(chǎn)生的原因。 聯(lián)系原子的電子排布所遵循的構(gòu)造原理，理解原子基態(tài)、激發(fā)態(tài)與電子躍遷等概念，并利用這些概念解釋光譜產(chǎn)生的原因。 對于光譜分析的應(yīng)用可舉例說明，如科學(xué)家們通過太陽光譜的分析發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氦，化學(xué)研究中利用光譜分析檢測一些物質(zhì)的存在含量。 還可以在課后查閱光譜分析方法及應(yīng)用的有關(guān)資料以擴(kuò)展自己的知識面。 把電子運(yùn)動與普通物體運(yùn)動對比來理解電子云。 可以把電子云想象成你手持一架虛擬的高速照相機(jī)拍攝電子，然后把所有照片疊加在一起得到的圖像。 要清

22、楚電子云圖是否為概率分布圖，氫原子的電子云是否呈球形對稱，在離核近的地方電子云密度如何，離核遠(yuǎn)的地方電子云密度如何，在離核近的地方單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會怎樣，在離核遠(yuǎn)的地方單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會怎樣。問題導(dǎo)思 根據(jù)原子軌道和電子云的定義，以及教材中原子軌道圖像和電子云圖進(jìn)行分析。 先要分析電子繞原子核運(yùn)動有無規(guī)律，有無確定的軌道；所說的軌道形狀是表示原子軌道在三維坐標(biāo)系中的分布情況，還是表示電子運(yùn)動的軌跡；電子云上的小黑點(diǎn)是表示電子出現(xiàn)的幾率，還是表示電子數(shù)目。在此基礎(chǔ)上就能找到探究該問題的方法。典題導(dǎo)考綠色通道：氫原子光譜是元素的所有光譜中最簡單的光譜。玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，但對多電子原子的光譜卻遇到困難。另外原子中沒有確定的半徑，原子半徑是電子運(yùn)動出現(xiàn)的“區(qū)域”?！镜漕}變式1】下列說法正確的是（ ）A.氫光譜是元素的所有光譜中最簡單的光譜之一