原子的基态与激发态、电子云与原子轨道

第2课时 原子的基态与激发态、电子云与原子轨道

[目标定位] 1.知道原子的基态、激发态与光谱之间的关系。2.了解核外电子运动、电子云轮廓图和核外电子运动的状态。

一、能量最低原理和原子的基态与激发态

1．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。

(1)处于最低能量的原子叫做基态原子。

(2)当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。

(3)基态、激发态相互间转化的能量变化

基态原子 吸收能量释放能量，主要形式为光

激发态原子 2．不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素的原子，这些光谱总称原子光谱。

(1)玻尔原子结构模型证明氢原子光谱为线状光谱。

(2)氢原子光谱为线状光谱，多电子原子光谱比较复杂。

3．可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。

(1)基态原子

电子按照构造原理排布(即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里)，会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。

(2)光谱分析

不同元素的原子光谱都是特定的，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。

1．下列说法正确的是( )

A ．自然界中的所有原子都处于基态

B ．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量

C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量

D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性

答案 B

解析处于最低能量的原子叫做基态原子。电子由较低能级向较高能级跃迁，叫激发。激发态原子的能量只是比原来基态原子的能量高。如果电子仅在内层激发，电子未获得足够的能量，不会失去。

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

答案 A

解析解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，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时，将释放能量，从而产生红光，故A项正确。

理解感悟光是电子释放能量的重要形式之一，日常生活中的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。

易错提醒电子云图与电子云轮廓图不是同一个概念，电子云轮廓图实际上是电子云图的大部分区域；量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道，电子云轮廓图就是我们通常所说的原子轨道图。

二、电子云与原子轨道

1．原子核外电子的运动特点。

(1)电子的质量很小(9.1095×10－31kg)，带负电荷。

(2)相对于原子和电子的体积而言，电子运动的空间很大。

(3)电子运动的速度很快，接近光速(3.0×108m·s－1)。

2．电子在核外空间做高速运动，不能确定具有一定运动状态的核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，只能确定它在原子核外各处出现的概率，得到的概率分布图看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。

(1)制作电子云轮廓图是为了表达电子云轮廓的形状，对核外电子的空间状态有一个形象化的简单描述。如1s电子云轮廓图的绘制：

(2)电子云轮廓图的形状：s能级的电子云轮廓图是球形，p能级的电子云轮廓图是哑铃形。3．量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。

(1)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。

(2)各能级所含有原子轨道数目

原子轨道与能层序数的关系

(1)不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。如：

(2)s能级只有1个原子轨道。p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以p x、p y、p z表示。在同一能层中p x、p y、p z的能量相同。

(3)原子轨道数与能层序数(n)的关系是原子轨道为n2个。

3．如图甲是氢原子的1s电子云图(即概率密度分布图)，图乙、丙分别表示s、p能级的电子云轮廓图。下列有关说法正确的是()

丙

A．电子云图(即概率密度分布图)就是原子轨道图

B．3p2表示3p能级中有两个原子轨道

C．由图乙可知，s能级的电子云轮廓图呈圆形，有无数条对称轴

D．由图丙可知，p能级的原子轨道图呈哑铃形，且有3个伸展方向

答案 D

解析电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述，图甲就是电子云图(即概率密度分布图)。由于电子云图难以绘制，所以通常把电子出现概率约为90%的空间圈出来，称为电子云轮廓图，实际上这种电子云轮廓图就是我们常说的原子轨道图，故A错误；3p2表示3p能级中容纳了两个电子，故B错误；s能级的电子云轮廓图呈球形而不是圆形，故C错误；p能级的原子轨道图呈哑铃形，有p x(沿x轴方向)、p y(沿y轴方向)、p z(沿z轴方向)三个伸展方向，并且互相垂直，D正确。

4．下列说法正确的是()

A．因为p轨道是“8”字形，所以p电子是“8”字形

B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f4个轨道

C．氢原子中只有1个电子，故氢原子核外只有1个轨道

D．原子轨道与电子云都是用来形象描述电子运动状态的

答案 D

解析p轨道呈哑铃形，是指电子出现概率高的区域，而不是电子的形状，A项错误；能层数为3时，有3s、3p、3d三个能级，共有9个轨道，B项错误；氢原子中确实只有1个电子，但轨道是人为规定的，可以是空轨道，故C项错误。

1．基态原子的核外电子排布遵循构造原理。

2．电子及其运动特点可概括为体积小、质量轻、带负电；绕核转、运动快、测不准(某时刻

的位置和速度)；(离核的)距离不同、能量相异、描述概率(电子在核外空间某处出现的概率，即电子云)。

3．原子轨道：同一能层，不同能级其原子轨道形状不同，数目不同；不同能层，同种能级其原子轨道形状相同，半径不同，能量不同。

1．下列关于同一种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

答案 C

解析同一原子处于激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确；电子从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。

2．当镁原子由1s22s22p63s2跃迁到1s22s22p63p2时，以下认识正确的是()

A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收热量

B．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中释放热量

C．转化后位于p能级上的两个电子的能量没有发生任何变化

D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似

答案 A

解析由原子核外电子排布可知，内层电子没有变化，只有最外层电子由3s2变为3p2，在同一能层中，E(s)

3．以下现象与原子核外电子的跃迁有关的是()

①冷却结晶②棱镜分光③激光器产生激光④石油蒸馏⑤凹透镜聚光⑥日光灯通电发光

A．③⑥B．②④⑤

C．①③⑤⑥D．①②③⑤⑥

答案 A

解析激光器、日光灯等工作过程中产生的光，都是基态原子吸收能量后核外电子跃迁到较高能级，然后电子从较高能级跃迁到较低能级的过程中释放出的光能。石油蒸馏、冷却结晶的过程都是物质发生物理变化的过程，其中伴随的能量变化是热能的变化，棱镜分光、凹透镜聚光都是光的折射现象，而不是光的产生。

4．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取()

A．电子的运动轨迹图像B．原子的吸收光谱

C．电子体积大小的图像D．原子的发射光谱

答案 B

解析能量E(3d)＜E(4p)，故电子由3d能级跃迁到4p能级时，要吸收能量，形成吸收光谱。5．下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是()

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轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动

C．p轨道呈哑铃形，在空间有两个伸展方向

D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大

答案 D

解析电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹，故选项A错误；原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的机会大，在此区域外出现的机会少，故选项B错误；p轨道在空间有x、y、z3个伸展方向，故选项C错误；由于按2p、3p……的顺序，电子的能量依次增大，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展，原子轨道的平均半径逐渐增大。

6．硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础。基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为________，该能层具有的原子轨道数为________，电子数为________。

答案M9 4

解析基态Si原子核外共有3个电子层，最高能层是M层，有4个电子。M能层具有1个s轨道、3个p轨道和5个d轨道，共9个原子轨道。

[基础过关]

题组一基态、激发态的判断

1．图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是()

答案 D

解析燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得的光能都是电子跃迁时能量以光的形式释放出来

导致的，而平面镜成像则是光线反射的结果。

2．以下电子排布式表示基态原子电子排布的是()

A．1s22s22p63s13p3

B．1s22s22p63s23p63d104s14p1

C．1s22s22p63s23p63d24s1

D．1s22s22p63s23p63d104s24p1

答案 D

解析基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p2，A错误；基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d104s2，B错误；基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d14s2，C错误；1s22s22p63s23p63d104s24p1符合原子核外电子排布规律，D正确。

3．下列说法正确的是()

A．处于最低能量的原子叫作基态原子

B．基态镁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s13p1

C．焰色反应是金属原子从基态跃迁到激发态时，将能量以光能的形式释放出来

D．甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱

答案 A

解析基态镁原子的核外电子排布式应为1s22s22p63s2，B项错误；焰色反应是金属原子从激发态跃迁到基态时，能量以光能的形式释放出来，C项错误；甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气后，得到的是乙物质的吸收光谱，D项错误。

题组二核外电子的运动特点及规律

4．对原子核外的电子运动描述方法正确的是()

A．根据一定的数据计算出它们某一时刻所在的位置

B．用一定仪器测定或描述出它们的运动轨道

C．核外电子的运动有确定的轨道

D．核外电子的运动根本不具有宏观物体运动规律，只能用统计规律来描述

答案 D

解析核外电子的运动根本不具有宏观物体运动规律，只能用统计规律来描述。我们不能测定或计算出它在某一时刻所在的位置，也不能描画它的运动轨迹。

5．玻尔理论、量子力学理论都是对核外电子运动的描述方法，根据对它们的理解，下列叙述中正确的是()

A．因为s轨道的形状是球形的，所以s电子做的是圆周运动

B．3p x、3p y、3p z的差异之处在于三者中电子(基态)的能量不同

C．钒原子核外有4种形状的原子轨道

D．原子轨道和电子云都是用来形象地描述电子运动状态的

解析s轨道是球形的，这是电子云轮廓图，表示电子在单位体积内出现概率的大小，不是说电子在做圆周运动，A错误；p能级有三个原子轨道，同一能层上的p轨道能量相同，3p x、3p y、3p z能量相同，它们的差异是延伸方向不同，B错误；23号钒，核外电子排布为1s22s22p63s23p63d34s2，能级有s、p、d三种，对应的原子轨道形状有3种，C错误；电子云的轮廓图称为原子轨道，形象地描述电子运动的状态，D正确。

6．下列说法正确的是()

A．s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形状

B．p电子云是平面“8”字形的

C．2p能级有一个未成对电子的基态原子的电子排布式一定为1s22s22p5

D．2d能级包含5个原子轨道，最多容纳10个电子

答案 A

解析p电子云形状是哑铃形，不是平面“8”字形，B项错；2p能级有一个未成对电子的原子有B或F两种元素，C项错；L层没有d能级，D项错。

7．下列说法中正确的是()

A．所有的电子在同一区域里运动

B．在离原子核较近的区域内运动的电子能量较高，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较低

C．处于最低能量的原子叫基态原子

D．同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数越来越多，各能级能量大小相等

答案 C

解析本题综合考查了电子分层排布、原子的基态、激发态以及能级容纳的电子数。在含有多个电子的原子里，电子分别在能量不同的区域内运动，所以A不对；在多个电子的原子中，电子的能量是不相同的，在离原子核较近的区域内运动的电子能量较低，在离原子核较远的区域内运动的电子能量较高，B错误；处于最低能量的原子叫基态原子，当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子，C正确；同一原子中，4s、4p、4d、4f所能容纳的电子数越来越多，但同一能层中，能级的能量大小不同：E(4s)

题组三原子轨道

8．下列关于一定原子轨道上运动的电子的判断正确的是()

A．一个原子轨道上只有一个电子

B．处在同一原子轨道上的电子运动状态完全相同

C．处在同一能级中的电子(基态)能量一定相同

D．处于同一能层上的电子(基态)能量一定不同

解析一个轨道上最多可容纳两个电子，其能量相同。

9．下列说法中正确的是()

A．1s22s12p1表示的是激发态原子的电子排布

B．3p2表示3p能级有两个轨道

C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐减小

D．同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次增多

答案 A

解析A项中，1个2s电子被激发到2p能级上，表示的是激发态原子；B项中3p2表示3p 能级上填充了2个电子；C项中，同一原子中能层数越大，能量也就越高，离核越远，故1s、2s、3s电子的能量逐渐升高；在同一能级中，其轨道数是一定的，而不论它在哪一能层中。10．在1s、2p x、2p y、2p z轨道中，具有球对称性的是()

A．1s B．2p x

C．2p y D．2p z

答案 A

解析1s轨道和2p轨道的图像分别为

由图像可看出，呈球对称性的为1s原子轨道。

[能力提升]

11．X、Y两元素可形成X2Y3型化合物，则X、Y原子基态时最外层的电子排布可能是()

①X：3s23p1Y：3s23p5

②X：2s22p3Y：2s22p4

③X：3s23p1Y：3s23p4

④X：3s2Y：2s22p3

A．①④B．②③C．①③D．②④

答案 B

解析X2Y3型化合物中X显＋3价或者＋6价，Y显－2价或者－4价，①中X原子是Al，Y原子是Cl，可以组成AlCl3；②中X原子是N，Y原子是O，可以组成N2O3；③中X原子是Al，Y原子是S，可以组成Al2S3；④中X原子是Mg，Y原子是N，可以组成Mg3N2，因此答案为B。

12．科学研究证明：核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关，还与核外电子的数目及核电荷数的多少有关。氩原子与硫离子的核外电子排布式相同，都是1s22s22p63s23p6。

下列说法正确的是()

A．两粒子的1s能级上电子的能量相同

B．两粒子的3p能级上的电子离核的距离相同

C．两粒子的电子发生跃迁时，产生的光谱不同

D．两粒子都达8电子稳定结构，化学性质相同

答案 C

解析虽然氩原子与硫离子的核外电子排布式相同，都是1s22s22p63s23p6，但是氩原子与硫离子的核电荷数不同，对核外电子的吸引力不同，两粒子的1s能级上电子的能量不相同；两粒子的3p能级上的电子离核的距离不相同；两粒子都达8电子稳定结构，但化学性质不相同，氩原子稳定，硫离子具有还原性。

13．下图是s能级和p能级的原子轨道图，试回答下列问题：

(1)s电子的原子轨道呈________形，每个s能级有________个原子轨道；p电子的原子轨道呈________形，每个p能级有________个原子轨道。

(2)元素X的原子最外层电子排布式为n s n n p n＋1，原子中能量最高的是________电子，其电子云在空间有________________方向；元素X的名称是________，它的氢化物的电子式是________________。若元素X的原子最外层电子排布式为n s n－1n p n＋1，那么X的元素符号应为________，核外电子排布式为__________________。

答案(1)球1哑铃 3

(2)2p三个互相垂直的伸展氮S1s22s22p63s23p4

解析(1)n s能级各有1个轨道，n p能级各有3个轨道，s电子的原子轨道都是球形的，p电子的原子轨道都是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以p x、p y、p z表示。

(2)因为元素X的原子最外层电子排布式为n s n n p n＋1，n p轨道已排上电子，说明n s轨道已排满电子，即n＝2，则元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，X是氮元素；当元素X的原子最外层电子排布式为n s n－1n p n＋1时，有n－1＝2，则n＝3，那么X元素的原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，X是硫元素。

14．有A、B、C、D、E五种元素，其核电荷数依次增大，A元素原子的最外层电子数为次外层电子数的两倍，C是地壳中含量最多的元素，C、D原子的最外层电子数相等且两者核电荷数之和为24，E的核电荷数比D多一个。

(1)推断A、B、C、D、E各是什么元素。

(2)写出它们的最外层电子的电子排布式。

答案(1)A是碳元素、B是氮元素、C是氧元素、D是硫元素、E是氯元素。

(2)A：2s22p2；B：2s22p3；C：2s22p4；D：3s23p4；E：3s23p5。

解析A元素原子最外层电子数为次外层的2倍，因此其核外电子排布为1s22s22p2，为碳元素；由C是地壳中含量最多的元素，则C为氧元素；C与D最外层电子数相等且两者核电荷数之和为24，因此D元素为S；B的核电荷数处于A与C之间，因此B元素为N；E的核电荷数比D多一个，因此E元素为Cl。它们的最外层电子排布式分别为A：2s22p2；B：2s22p3；C：2s22p4；D：3s23p4；E：3s23p5。

15．下表列出了核电荷数为21～25的元素的最高正化合价，回答下列问题：

(1)写出下列元素基态原子的核外电子排布式：

Sc________________________________________________________________________；

Ti________________________________________________________________________；

V________________________________________________________________________；

Mn________________________________________________________________________。(2)已知基态铬原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1，并不符合构造原理。人们常常会碰到客观事实与理论不相吻合的问题，当你遇到这样的问题时，你的态度是

________________________________________________________________________。

(3)对比上述五种元素原子的核外电子排布与元素的最高正化合价，你发现的规律是________________________________________________________________________；

出现这一现象的原因是___________________________________________________。

答案(1)1s22s22p63s23p63d14s2或[Ar]3d14s2

1s22s22p63s23p63d24s2或[Ar]3d24s2

1s22s22p63s23p63d34s2或[Ar]3d34s2

1s22s22p63s23p63d54s2或[Ar]3d54s2

(2)尊重客观事实，注重理论适用范围，掌握特例(或其他合理答案)

(3)五种元素的最高正化合价数值等于各元素基态原子的最高能层s电子和次高能层d电子数目之和能级交错使得d电子也参与了化学反应

解析(1)根据构造原理即可解答。(3)过渡元素的最高正化合价与主族元素不同，因为过渡元素在化学反应中，次外层上的电子也可能参与化学反应。