高中化学新教材教案：构造原理与电子排布式 电子云与原子轨

第一章原子结构与性质
第一节原子结构
1.1.2 构造原理与电子排布式电子云与原子轨道
【教材分析】
本节从介绍原子的诞生，原子结构的发现历程入手，首先介绍能层、能级的概念，在原子的基态与激发态概念的基础上介绍电子的跃迁和光谱分析；然后给出构造原理并根据构造原理书写原子的核外电子排布；根据电子云与原子轨道等概念，进一步介绍核外电子的运动状态，并介绍了泡利原理、洪特规则、能量最低原理。

本节内容比较抽象，教学过程中应注意培养学生的空间想象能力、分析推理能力及抽象概括能力。

【课程目标】
教学重点：构造原理与电子排布式电子云与原子轨道
教学难点：电子排布式原子轨道
【教学过程】
[复习回顾]
上节课，我们研究了原子核外电子的排布，核外电子分层排布，同一能层有不同的能级，同时研究基态与激发态、原子光谱，这节课研究以原子光谱事实为依据的构造原理。

[思考交流］
（1）核外电子在能级中依据什么规律排布？
（2）核外电子在能级中的排布又可以如何表示？
[学生活动一］
请画出1～18号元素的原子结构示意图。

结合已有的能级知识，分析核外电子在能级中的排布规律。

[学生活动二］
根据核外电子在能层中的排布规律，画出K的原子结构示意图。

分析K中电子填入的能量最高的能级，并说明判断的依据。

[归纳小结］
电子在能级中的排布规律--能级交错
核外电子在能级中的排布顺序：3p → 4s → 3d
随核电荷数增大，电子并不总是填满一个能层后再填入下一个能层，这种现象称为能级交错。

K、Ca的光谱学实验均表明，二者最外层填充的电子均在4s能级。

这种能级交错在核外电子排布中非常普遍：ns → (n-2)f → (n-1)d → np
[投影］构造原理：
［讲］构造原理是以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序。

在多电子原子中，电子在能级上的排布顺序：电子最先排布在能量低的能级上，然后依次排布在能量较高的能级上。

［板书］1．构造原理：
(1)绝大多数基态原子核外电子的排布的能级顺序都遵循下列顺序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s……，
(2)构造原理规律： ns (n-2)f (n-1)d np。

[小试牛刀]
请根据构造原理分析25Mn的核外电子在能级中的排布。

[补充]构造原理的补充说明：
作为一个理论模型，构造原理具有一定的局限性。

对于个别特殊的过渡元素核外电子的排布并不适用
[过渡] 按照构造原理，元素核电荷数每递增一个，同时增加一个核电荷和核外电子，就得到一个基态原子的电子排布。

电子填满一个能级，就开始填入下一个能级，由此构建了元素周期系中各元素基态原子的电子排布。

从氢到碳的基态原子电子排布式如下：
1s1→1s2→1s22s1→1s22s2→1s22s22p1→1s22s22p2
[板书]2.电子排布式
电子排布式是用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子
[练一练]
请根据构造原理，写出1～36号元素原子的电子排布式。

[展示]
1.H 1s1 C 1s22s22p2 O 1s22s22p4
Na 1s22s22p63s1 Mg 1s22s22p63s2 Al 1s22s22p63s23p1
Si 1s22s22p63s23p2 P 1s22s22p63s23p3 S 1s22s22p63s23p4
Cl 1s22s22p63s23p5 K 1s22s22p63s23p64s1 Ca 1s22s22p63s23p64s2
Mn 1s22s22p63s23p63d54s2 Fe 1s22s22p63s23p63d664s2 Co 1s22s22p63s23p63d74s2 Ni 1s22s22p63s23p63d84s2 Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 Zn 1s22s22p63s23p63d104s2 2.阅读课本表1-1，总结电子排布式的书写原则
[讲解]
电子排布式的书写原则
（1）按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中
[学生回顾]
各能级的能量高低顺序
(1)相同能层的不同能级的能量高低顺序： ns＜np＜nd＜nf
(2)英文字母相同的不同能级的能量高低顺序： 1s＜2s＜3s＜4s；2p＜3p＜4p; 3d＜4d
(3) 不同层不同能级可由下面的公式得出: ns＜(n-2)f＜(n-1)d＜np (n为能层序数)
[思考与讨论]
1.按构造原理写出稀有气体氦、氖、氩、氪、氙、氡的基态原子的最外层电子排布；除氦外它们的通式是什么？
2、电子排布式可以简化，如Na的电子排布式可简化为[Ne]3s1，上述方括号的意义是什么？仿照Na的简化电子排布式，写出O、Si、Cu的简化电子排布式。

3.为突出化合价与电子排布式的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层。

Fe 简化电子排布式为[Ar]3d64s2，价电子排布式为3d64s2，通常元素周期表只给出价层电子排布式，请写出Na、Al、Cl、Mn、Br的价层电子排布。

4.通过以上内容，原子的电子排布式的书写方法
[讲解]
原子的电子排布式的书写方法
(1)按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中
(2)一般情况下，能层低的能级要写在左边，而不是按照构造原理顺序写
(3)为了避免电子排布式过于繁琐，我们可以把内层电子达到稀有气体结构的部分，以相应
稀有气体元素符号外加方括号来表示。

(4)当p、d、f能级处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。

例如Cr
[过渡]原子核外电子的运动状态是怎么样的呢？
[讲解]1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行，然而量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布。

[讲解]
1.电子云
(1)概率密度
[获取概念]概念：用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则P
V称为概率密
度，用ρ表示。

[设疑]观察氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图，那么氢原子只有一个电子，为什么会有许多小点，小点是什么呢？
[讲解]小点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。

小点越密，表明概率密度越大。

由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。

换句话说，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。

但是电子云图很难绘制，使用不便，我们常使用电子云轮廓图。

在绘制电子云轮廓图时，把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来。

[展示] 电子云轮廓图绘制
[展示]同一原子的s电子的电子云轮廓图和P y上的电子云轮廓图。

[讲解]同一原子的能层越高，s电子云半径越大，是由于电子的能量依次增高，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。

这就好像宇宙飞船必须提供能量推动才能克服地球引力上天，2s电子比1s电子能量高，克服原子核的吸引在离核更远的空间出现的概率就比1s大，因而2s电子云必然比ls电子云更弥散。

除s电子云外，其他电子云都不是球形的。

除s电子云（轮廓图）是哑铃状的，而且，无论2p、3p还是4p，都有3个相互垂直的电子云，分别是为P x、P y、Pz，右下标x、s、y分别是p电子云在直接坐标系里的取向。

[总结]s能级的电子云轮廓是球形，只有一种空间伸展方向。

p能级的电子云轮廓是哑铃形，......都有3个相互垂直的电子云，分别称为P x、P y、Pz，右下标x、s、y分别是p电子云在直接坐标系里的取向。

[获取概念]原子轨道：量子力学把电子在原子核外的一种空间运动状态称为一个原子轨道。

各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。

[总结]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。

[总结]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。

(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。

[小试牛刀]
2.已知Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1，通常可把内层已达稀有气体原子的电子层结构的部分写成“原子实”，如Na的核外电子排布式可写成[Ne]3s1。

用“原子实”表示的30号元素锌的原子核外电子排布式正确的是()
A．[Ne]3d104s2B．[Ar]3d104s24p2C．[Ar]3d84s24p2D．[Ar]3d104s2
[本节小结]
本节课主要学习构造原理与电子排布式电子云与原子轨道，掌握核外电子排布式的书写方法，并且理解电子云、原子轨道等相关概念，掌握s、p能级的电子云轮廓及取向，原子轨道数目与能层的关系。