高二化學選修3 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表(第一、二課時)

高二化學選修3 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表(第一、二課時)

知識與技能：

1. 理解能量最低原則、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，能用以上規(guī)則解釋1~36號元素基態(tài)原

子的核外電子排布；

2. 能根據(jù)基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則和基態(tài)原子的核外電子排布順序圖完成1~36號元素

基態(tài)原子的核外電子排布和價電子排布；

3. 知道元素周期表中元素按周期劃分的原因，族的劃分與原子中價電子數(shù)目和價電子排布的

密切關(guān)系。

4. 了解原子半徑的周期性變化，能用原子結(jié)構(gòu)的知識解釋主族元素原子半徑周期性變化的原

因；

5. 明確原子結(jié)構(gòu)的量子力學模型的建立使元素周期表的建立有了理論依據(jù)。

過程與方法：

通過書寫1~18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖進行聯(lián)想質(zhì)疑，從而嘗試總結(jié)排布原則，理解能

量最低原則、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，在活動探究中學會1~36號原子的核外電子排布式

書寫。第2、3課時也通過聯(lián)想質(zhì)疑、交流研討、觀察思考等欄目理清核外電子排布與元素周

期表，與原子半徑等的關(guān)系。

情感、態(tài)度與價值觀：

樹立發(fā)展的認識觀，積極參與活動探究培養(yǎng)個人處理事情的能力。

教學重難點：

認識能量最低原則、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，了解核外電子排布與元素周期表的周期、

族劃分的關(guān)系。

課 型：新課

課時安排：3課時

（第一課時）

教學過程：

[基礎(chǔ)梳理]

1 我們以前知道的原子核外電子的排布規(guī)律內(nèi)容有：

（1）原子核外電子總是盡先排布在能量最低的電子層理，然后由里向外逐步排布在能量逐漸升高的電

子層里，即先排滿K層再排L層，排滿L層再排M層 ┅┅┅

（2） 每一層上最多容納的電子數(shù)為 個；

（3） 最外層電子數(shù)不超過 個（K層為最外層不超過 個）；

（4） 次外層電子數(shù)不超過 個，倒數(shù)第三層電子數(shù)不超過 個。

2 請畫出 1 ～ 20號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

[聯(lián)想質(zhì)疑]

為什么第一層最多只能容納兩個電子，第二層最多只能容納八個電子而不能容納更多的電

子呢？第三、四、五層及其他電子層最多可以容納多少個電子？原子核外電子的排布與原子軌

道有什么關(guān)系？

[引入新課] 通過上一節(jié)的學習，我們知道：電子在原子核外是按能量高低分層排布的，同一

個能層的電子，能量也可能不同，還可以把它們分成能級(S、P、d、f)，就好比能層是樓層，

能級是樓梯的階級。各能層上的能級是不一樣的。原子中的電子在各原子軌道上按能級分層排

布，在化學上我們稱為構(gòu)造原理。下面我們要通過探究知道基態(tài)原子的核外電子的排布。

[板書]一、基態(tài)原子的核外電子排布

[講授]通過前面的學習我們知道了核外電子在原子軌道上的排布是從能量最低開始的，然后到

能量較高的電子層，逐層遞增的。也就是說要遵循能量最低原則的。比如氫原子的原子軌道有

1s、2s、2p、2p、2p等，其核外的惟一電子在通常情況下只能分布在能量最低的1s原子軌

xyz

道上，電子排布式為1s。也就是說用軌道符號前的數(shù)字表示該軌道屬于第幾電子層，用軌道

符號右上角的數(shù)字表示該軌道中的電子數(shù)（通式為：nl）。例如，原子C的電子排布式為

1s2s2p。基態(tài)原子就是所有原子軌道中的電子還沒有發(fā)生躍遷的原子，此時整個原子能量處

于最低．

[板書]1.能量最低原則

[講解]原則內(nèi)容：通常情況下，電子總是盡先占有能量最低的軌道，只有當這些軌道占滿后，

電子才依次進入能量較高的軌道，這就是構(gòu)造原理。原子的電子排布遵循構(gòu)造原理能使整個原

子的能量處于最低狀態(tài)，簡稱能量最低原則。打個比方，我們把地球比作原子核，把能力高的

大雁、老鷹等鳥比作能量高的電子，把能力低的麻雀、小燕子等鳥比作能量低的電子。能力高

的鳥常在離地面較高的天空飛翔，能力低的鳥常在離地面很低的地方活動。

[練習]請按能量由低到高的順序?qū)懗龈髟榆壍馈?/span>

22

x

1

[學生] 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g6s

[講解]但從實驗中得到的一般規(guī)律，卻跟大家書寫的不同，順序為1s→2s→2p→3s→3p→4s

→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s…………大家可以看圖1-2-2。

[板書]能量由低到高順序：1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p

→7s……

[過渡]氦原子有兩個原子，按照能量最低原則，兩電子都應(yīng)當排布在1s軌道上，電子排布式

為1s。如果用個圓圈（或方框、短線）表示滿意一個給定量子數(shù)的原子軌道，這兩個電子就

有兩種狀態(tài)：自旋相同 或自旋相反。事實確定，基態(tài)氦原子的電子排布是，這

??????

也是我們對電子在原子軌道上進行排布必須要遵循的另一個原則――泡利不相容原理。原理內(nèi)

容：一個原子軌道中最多只能容納兩個電子，并且這兩個電子的自旋方向必須相反；或者說，

一個原子中不會存在四個量子數(shù)完全相同的電子。

［板書］2.泡利不相容原理

［講解］在同一個原子軌道里的電子的自旋方向是不同的，電子自旋可以比喻成地球的自轉(zhuǎn)，

自旋只有兩種方向：順時針方向和逆時針方向。在一個原子中沒有兩個電子具有完全相同的四

個量子數(shù)。因此一個s軌道最多只能有2個電子，p軌道最多可以容納6個電子。按照這個原

理，可得出第n電子層能容納的電子總數(shù)為2n個

［板書］一個原子軌道最多容納２個電子且自旋方向必須相反

［交流研討］C：最外層的p能級上有三個規(guī)道

可能寫出的基態(tài)C原子最外層p能級上兩個電子的可能排布：

①2p：

②2p:

2

2

③2p:

④2p

p有3個軌道，而碳原子2p能層上只有兩個電子，電子應(yīng)優(yōu)先分占，而不是擠入一個軌道，C

原子最外層p能級上兩個電子的排布應(yīng)如①所示，這就是洪特規(guī)則。

［板書］３.洪特規(guī)則

在能量相同的軌道上排布，盡可能分占不同的軌道并切自旋方向平行

［小結(jié)］核外電子在原子規(guī)道上排布要遵循三個原則：即能量最低原則、泡利不相容原理和洪

特規(guī)則。這三個原則并不是孤立的，而是相互聯(lián)系，相互制約的。也就是說核外電子在原子規(guī)

道上排布要同時遵循這三個原則。

［閱讀解釋表１－２－１］電子排布式可以簡化，如可以把鈉的電子排布式寫成[Ne]3S。

［板書］４.核外電子排布和價電子排布式

［過渡］活動 探究

嘗試寫出19～36號元素K～Kr的原子的核外電子排布式。

［小結(jié)］鉀K：1s2s2p3s3p4s； 鈣Ca：1s2s2p3s3p4s；鉻Cr：1s2s2p3s3p3d4s；

鐵Fe：1s2s2p3s3p3d4s；鈷Co：1s2s2p3s3p3d4s；

銅Cu：1s2s2p3s3p3d4s；鋅Zn：1s2s2p3s3p3d4s；

溴Br：1s2s2p3s3p3d4s4p； 氪Kr：1s2s2p3s3p3d4s4p；

注意：大多數(shù)元素的原子核外電子排布符合構(gòu)造原理，有少數(shù)元素的基態(tài)原子的電子排布

對于構(gòu)造原理有一個電子的偏差，如：K原子的可能電子排布式與原子結(jié)構(gòu)示意圖，按能層能

級順序，應(yīng)為

1s2s2p3s3p3d；，但按初中已有知識，應(yīng)為1s2s2p3s3p4s；

226261226261

226261025226261026

226269222626102

22626622262672

2262612262622262642

1

+19 2 8 9 +19 2 8 8 1

事實上，在多電子原子中，原子的核外電子并不完全按能層次序排布。再如：

24號鉻Cr：1s2s2p3s3p3d4s；

29號銅Cu：1s2s2p3s3p3d4s；

這是因為能量相同的原子軌道在全充滿（如p和d）、半充滿（如p和d）、和全空（如

p和d）狀態(tài)時，體系的能量較低，原子較穩(wěn)定。

［例題］基態(tài)鉻原子的電子排布式是（ ）

A.1S2S2p3S3p4S4p

B.1S2S2p3S3p3d

C.1S2S2p3S3p4S3d

D.1S2S2p3S3p3d4S

［解析］核外電子排布式書寫必須符合能量最低原理、洪特規(guī)則、泡利不相容原理，三者相互

制約，相互聯(lián)系。另外還要注意洪特通過分析光譜實驗的結(jié)果指出，能量相同的原子軌道在全

充滿（如P和d）半充滿（如P和d）和全空（P和d）狀態(tài)時，體系的能量最低;原子較穩(wěn)

定。答案：D

6103500

2262651

2262624

226266

2262615

00

61035

22626101

2262651

［講授］大量事實表明，在內(nèi)層原子軌道上運動的電子能量較低，在外層原子軌道上運動的電

子能量較高，因此一般化學反應(yīng)只涉及外層原子軌道上的電子，我們稱這些電子為價電子。元

素的化學性質(zhì)與價電子的數(shù)目密切相關(guān)，為了便于研究元素化學性質(zhì)與核外電子間的關(guān)系，人

們常常只表示出原子的價電子排布。例如，原子C的電子排布式為1s2s2p，還可進一步寫出

其價電子構(gòu)型：2s2p。圖１－２－５所示鐵的價電子排布式為3d4s。

［總結(jié)］本節(jié)課理解能量最低原則、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，能用以上規(guī)則解釋1～36

號元素基態(tài)原子的核外電子排布；能根據(jù)基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則和基態(tài)原子的核外電

子排布順序圖完成1~36號元素基態(tài)原子的核外電子排布和價電子排布。

一個原子軌道里最多只能容納2個電子，而且自旋方向相反，這個原理成為泡利原理。

推理各電子層的軌道數(shù)和容納的電子數(shù)。當電子排布在同一能級的不同軌道時，總是優(yōu)先單

獨占據(jù)一個軌道，而且自旋方向相同，這個規(guī)則是洪特規(guī)則。

［作業(yè)］簡寫19～36號元素K～Kr的原子的核外電子排布式。

主板書

一、基態(tài)原子的核外電子排布

1.能量最低原則

能量由低到高順序：1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→

7s……

2.泡利不相容原理

一個原子軌道最多容納２個電子且自旋方向必須相反

３.洪特規(guī)則

在能量相同的軌道上排布，盡可能分占不同的軌道并切自旋方向平行

４.核外電子排布和價電子排布式

(第二課時)

[昨日回放]學生像過電影一樣回憶上一課時學習到的內(nèi)容，進一步規(guī)范學生的學習習慣。

[學生活動，教師可適當引導(dǎo)]

22 62

22

能量由低到高順序：1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p

→7s……泡利不相容原理指出一個原子軌道最多容納２個電子且自旋方向必須相反。洪特規(guī)則

要求在能量相同的軌道上排布，盡可能分占不同的軌道并切自旋方向平行。能量相同的原子軌

道在全充滿（如P和d）半充滿（如P和d）和全空（P和d）狀態(tài)時，體系的能量最低，

原子較穩(wěn)定。還學習了1~36號原子的核外電子排布式書寫。

[聯(lián)想質(zhì)疑]圖1-2-6是元素周期表的輪廓圖。觀察此圖后，你是否想過，原子的核外電子排布

與元素周期表中周期、族的劃分有什么內(nèi)在聯(lián)系？

[復(fù)習回顧]元素周期表的知識

1.

6103500

短周期（一、二、三行）（元素有2、8、8種）

周期 長周期（四、五、六行）（元素有18、18、32種）

不完全周期（七行）（元素有26種）

元素周期表結(jié)構(gòu)

主族（1、2、13、14、15、16、17列） A族

族 副族（3、4、5、6、7、11、12列）B族

零族（18列）

第VIII族（8、9、10列）

2. 隨著原子序數(shù)的遞增，元素的原子最外層電子排布呈現(xiàn)周期性變化。元素周期律：元素的

性質(zhì)隨著元素原子序數(shù)的遞增，而呈現(xiàn)出周期性的變化。同一周期：電子層數(shù)相同，原子序數(shù)

遞增的元素從左到右為同一周期；同一族：最外層電子數(shù)相同，原子序數(shù)逐漸增大的元素從上

到下為同一族。

[過渡]那大家知道核外電子排布與周期的劃分的原因么？二者是否存在聯(lián)系？

[板書]二、核外電子排布與元素周期表

[講解]請大家看圖1-2-7鮑林近似能級圖，這是美國化學家鮑林根據(jù)大量光譜實驗數(shù)據(jù)及理論

計算總結(jié)出的，并用圖來表示的多電子原子中外層能級高低的一般次序。小方塊表示原子軌道，

能量相同的原子軌道連在一起；能量相近的則歸為一組，并用線框框在一起，以表示它們屬于

同一能級組。相鄰能級組之間能量相差比較大，同一能級的則能量相差較小。也就是說原子軌

道的能量與主量子數(shù)n、角量子數(shù)l都有關(guān)，所以21~30號元素的核外電子排布是先排4s能

級上、后排在3d能級上。

[交流研討]請根據(jù)1~36號元素原子的電子排布，參照鮑林近似能級圖，嘗試分析原子中電子

排布與元素周期表中周期劃分的內(nèi)在聯(lián)系。

1. 周期的劃分與什么有關(guān)？

2. 每一周期中所能容納的元素種數(shù)與什么有關(guān)？

3. 周期序數(shù)與什么有關(guān)？

[歸納總結(jié)]

1．周期的劃分與能級組有關(guān)。

2．一個能級組對應(yīng)一個周期，一個能級組所容納的最多電子數(shù)等于一個周期所包含的元素種

數(shù)，每個周期所含元素總數(shù)恰好是原子軌道總數(shù)的2倍，即從第1周期到第7周期所包含元素

數(shù)目分別為2，8，8，18，18，32，第7周期為不完全周期。

3．主量子數(shù)（n）對應(yīng)周期序數(shù)。周期表中的7個周期分別對應(yīng)7個能級組。

[板書]1.周期的劃分

（1）與能級組有關(guān)

（2）每個周期所含元素總數(shù)恰好是原子軌道總數(shù)的2倍

（3）主量子數(shù)（n）對應(yīng)周期序數(shù)

[練習]書寫20號鈣原子、24號鉻原子、29號銅原子和35號溴原子的價電子排布。

[引導(dǎo)學生觀察完成下面的討論]

Ca 4s Cr 3d4s Cu 3d4s Br 4s4p

[討論]

1.主族元素原子的價電子排布與過渡元素原子的價電子排布有什么區(qū)別？

2.同一主族元素原子的價電子排布有什么特點？主族序數(shù)與什么有關(guān)？

3.同一族過渡元素原子的價電子排布有什么特點？其族序數(shù)與什么有關(guān)？

[歸納總結(jié)]

族的劃分與原子的價電子數(shù)目和價電子排布密切相關(guān)，同族元素的價電子數(shù)目相同。

主族元素的價電子全都排布在最外層的ns或np軌道上。主族元素所在的族的序數(shù)等于該

元素原子的價電子數(shù)，元素的最外層電子即為價電子。

對于過渡元素的原子，價電子排布為（n－1）dns。雖然同一副族內(nèi)不同元素原子的

52

1～101～2

25110125

電子層數(shù)不同，價電子排布卻基本相同，而且ⅢB～ⅦB副族的價電子的數(shù)目仍然與族序數(shù)相

同。例如，金屬錳的價電子排布為3d4s，價電子數(shù)為7，對應(yīng)的族序數(shù)為ⅦB。價電子排布為

（n－1）dns的三個縱行統(tǒng)稱為Ⅷ族。ⅠB和ⅡB則是根據(jù)ns軌道上是有一個還是有兩個電

6～82

子來劃分的。

[板書]2.族的劃分

（1）與原子的價電子數(shù)目和價電子排布密切相關(guān)

（2）主族元素：族的序數(shù)=價電子數(shù)，最外層電子即為價電子

（3）過渡元素：價電子排布卻基本相同，（n－1）dns

ⅢB～ⅦB副族：價電子數(shù)=族序數(shù)

[指導(dǎo)閱讀]核外電子排布與元素周期表的分區(qū)

1～101～2

1.觀察元素周期表中各族元素的價電子排布

2.嘗試根據(jù)價電子排布的特點將周期表分區(qū)劃分

3.討論s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)、ds區(qū)、f區(qū)元素的價電子排布特點

4.根據(jù)各區(qū)元素的價電子排布特點討論各區(qū)元素的性質(zhì)

[例題]某元素原子共有3個價電子，其中一個價電子的四個量子數(shù)為＝3， ＝2， ＝2，

nlmm

s

＝+1/2。試回答：

（1）寫出該元素原子核外電子排布式。

（2）指出該元素的原子序數(shù)，在周期表中所處的分區(qū)、周期數(shù)和族序數(shù)，是金屬還是非

金屬以及最高正化合價。

[解析]本題關(guān)鍵是根據(jù)量子數(shù)推出價電子排布，由此即可寫出核外電子排布式及回答問題。由

一個價電子的量子數(shù)可知，該電子為3d電子，則其它兩個電子必為4s電子（因為＜＝,

EE

3d4s

所以價電子排布為3d4s，核外電子排布式為1s2s2p3s3p3d4s。從而知原子序數(shù)為21 ，

處于周期表中的d區(qū)第4周期ⅢB族，是金屬元素，最高正價為＋3。

答案: 核外電子排布式為1s2s2p3s3p3d4s

原子序數(shù)為21, 處于周期表中的d區(qū)第4周期ⅢB族，是金屬元素，最高正價為＋3.

[小結(jié)]元素的位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

周期序數(shù)由該元素原子中電子的最大主量子數(shù)決定；

族序數(shù)由該元素原子的價電子數(shù)決定；

所在區(qū)由該元素原子價電子對應(yīng)的角量子數(shù)決定。

[作業(yè)]

主板書

二、核外電子排布與元素周期表

1.周期的劃分

（1）與能級組有關(guān)

（2）每個周期所含元素總數(shù)恰好是原子軌道總數(shù)的2倍

（3）主量子數(shù)（n）對應(yīng)周期序數(shù)

2.族的劃分

（1）與原子的價電子數(shù)目和價電子排布密切相關(guān)

（2）主族元素：族的序數(shù)=價電子數(shù)，最外層電子即為價電子

2262612

122262612

（3）過渡元素：價電子排布卻基本相同，（n－1）dns

ⅢB～ⅦB副族：價電子數(shù)=族序數(shù)

作業(yè)：

1～101～2