1、121.原子轨道与四个量子数根据量子力学理论,原子中的单个电子的空间运动状态可以用原子轨道来描述,而每个原子轨道由三个只能取整数的量子数n、l、m共同描述。(1)主量子数n:n的取值为正整数1,2,3,4,5,6对应的符号为K,L,M,N,O,P等。一般而言,n越大,电子离核的平均距离越远,能量越高,因此,将n值所表示的电子运动状态称为电子层。自主思考1.引入主量子数n解决了什么问题?提示：引入主量子数n解决了氢原子光谱为线状光谱而不是连续光谱的问题。12(2)角量子数l:对于确定的n值,l共有 n个值:0,1,2,3,(n-1),对应的符号分别为s、p、d、f 等。若两个电子所占据的原子轨道
2、的n、l均相同,就表明这两个电子具有相同的能量。我们用能级来表示具有相同n、l的电子运动状态,在一个电子层中,l有多少个取值,就表示该电子层有多少个不同的能级。可见,同一电子层内的电子根据能量的不同,可以分成不同的能级,第n电子层内有 n个能级,如在K层中只有 1个s能级;在L层中有 1个s能级和 1个p能级;在M层中有 1个s能级、1个p能级和 1个d能级;等等。自主思考2.引入角量子数l解决了什么问题?提示：引入角量子数l解决了多电子原子多条谱线的问题,例如钠原子,处于n=4状态的电子跃迁到n=3的状态时,会产生多条谱线的问题。12(3)磁量子数m:在没有外磁场时,量子数n、l相同的状态的
3、能量是相同的;有外磁场时,这些状态的能量就不同,我们用磁量子数m来标记这些状态,对于确定的l,m值可取0,1,2,l,共(2l+1)个值。磁量子数用来描述核外电子的空间运动方向。自主思考3.引入磁量子数m解决了什么问题?提示：引入磁量子数m解决了在外磁场的作用下,某一特定跃迁原来产生的一条谱线都可能分裂为多条的问题。(4)自旋磁量子数ms:高分辨光谱实验事实揭示核外电子还存在着一种奇特的量子化运动,人们称其为自旋运动。人们用自旋磁量子数ms来标记电子的自旋运动状态,处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只能有两种,分别用“”和“”来表示。12(5)原子轨道:我们通常把n、l和m共同确定的原子核外
4、电子的空间运动状态称为原子轨道。若l=0,表示s能级,m=0,即s能级中有1个原子轨道。若l=1,表示p能级,m=0,+1,-1,代表在空间有3个伸展方向,即p能级中有 3个能量相同的原子轨道。若l=2,表示d能级,m=0,+1,-1,+2,-2,代表在空间有5个伸展方向,即d能级中有 5个能量相同的原子轨道。若l=3,表示f能级,f能级有 7个伸展方向不同的轨道。对于第n层的s轨道,记作ns;对于第n层的3个p轨道,分别记作npx、npy、npz。12小结：主量子数n对应着电子层;主量子数n和角量子数l对应着n电子层中的能级;主量子数n,角量子数l和磁量子数m对应着n电子层中l能级中的原子轨
5、道;自旋磁量子数ms描述的是电子的自旋性质。这样,原子中的单电子运动状态可用由量子数n、l、m确定的原子轨道来描述,并取两种自旋状态中的一种。所以,描述一个电子的运动状态,要用四个量子数:n,l,m 和ms。122.原子轨道的图形描述和电子云(1)原子轨道的图形描述。s轨道在三维空间分布的图形为球形,即该原子轨道具有球对称性;p轨道空间分布的特点是分别相对于x、y、z轴对称,因此,p原子轨道在空间的分布分别沿x、y、z方向。(2)电子云。由于电子的质量非常小、运行速度极快,人们不能同时准确地测定它的位置和速度。但原子核外的电子运动状态表现出按概率分布的统计规律,可以形象地用电子云描述原子中电子
6、的运动状态。这种形象地描述电子在空间单位体积内出现的概率大小的图形称为电子云图。12注意：量子力学中的轨道的含义是电子在核外空间经常出现的区域轮廓,与玻尔轨道的含义完全不同,它既不是圆周轨道,也不是其他经典意义上的固定轨迹。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测探究一 原子轨道1.玻尔只引入一个量子数n,能比较好地解释了氢原子线状光谱产生的原因;但复杂的光谱解释不了。实验事实:在氢原子中n=2 n=1时,得到两条靠得很近的谱线,与此类比,在钠原子中n=4 n=3得到两条靠得很近的谱线。钠原子的部分光谱为什么在通常条件下,钠原子中的处于n=4的电子跃迁到n=3的状态时,在高分辨光谱仪上看到的不是一
7、条谱线,而是两条谱线?探究一探究二问题引导名师精讲即时检测提示：原子的线状光谱产生于原子核外的电子在不同的、能量量子化的轨道之间的跃迁。多电子原子光谱中原有的谱线之所以能分裂为多条谱线,可能是量子数n标记的核外电子运动状态包含多个能量不同的“轨道”,电子在不同能量的“轨道”之间跃迁时产生的谱线就会增多。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测2.如何比较电子的能量高低?提示：在多电子原子中,电子填充原子轨道时,原子轨道能量的高低存在如下规律。(1)相同电子层上原子轨道能量的高低:nsnpnd。(2)不同电子层上形状相同的原子轨道能量的高低:1s2s3s;2p3p4p。(3)相同电子层上形状相同的原
8、子轨道能量的高低:2px=2py=2pz。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测核外电子运动状态的描述1.电子层:在含有多个核外电子的原子中,电子的能量往往是不同的。人们根据电子的能量差异和主要运动区域的不同,认为核外电子分别处于不同的电子层(或能层)上。原子中由里向外的电子层数n可取1,2,3,4,5等正整数,对应的电子层符号分别为K,L,M,N,O等,能量依次升高。2.能级:处于同一电子层的电子,能量也可能不同,还可以把它们分成能级,并用s,p,d,f等符号表示。每一电子层的能级数等于该层的层序数(n):第一层只有1个能级(1s),第二层有2个能级(2s和2p),第三层有3个能级(3s,3p
9、,3d),依次类推。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测3.原子轨道:处于同一能级的电子可以在不同类型的原子轨道上运动。不同的轨道有不同的形状和不同的伸展方向。例如,s能级是球形对称的,s能级中只有1个原子轨道;p能级呈纺锤形(或哑铃形),有3个原子轨道,在空间分别向x、y、z三个方向伸展,每个p能级的3个原子轨道相互垂直,记作px、py、pz;d能级有5个伸展方向不同的轨道,f能级有7个伸展方向不同的轨道。4.电子的自旋:每一个原子同一轨道上的电子有不同的自旋状态,分别用向上和向下的箭头(和)表示。以s,p,d,f,排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1,3,5,7,的2倍。总之,核外电子可
10、看作是在某一电子层的某一能级中的某一轨道上运动的,并有一定的自旋方向。这也就决定了每一个电子层、能级中的原子轨道数,以及所容纳的电子总数。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测探究一探究二问题引导名师精讲即时检测【例题1】下列说法是否正确?如不正确,应如何改正?(1)s电子绕核旋转,其轨道为一圆圈,而p电子是走“”字形。(2)主量子数为1时,有自旋相反的两条轨道。(3)主量子数为3时,有3s、3p、3d、3f四条轨道。解析：(1)不正确,因为电子运动并无固定轨道。应改为:s电子在核外运动电子云图像或概率分布呈球形对称,其剖面图是个圆。而p电子云图像或概率分布呈纺锤形,其剖面图是“”形。(2)不正
11、确,因为n=1,l=0,只有一个1s原子轨道。应改为主量子数为1时,在1s原子轨道中可能有两个自旋相反的电子。(3)不正确,因为n=3时,l只能取0、1、2,所以没有3f。另外3s、3p、3d的电子云形状不同,3p有三种空间取向不同的运动状态,有3个原子轨道,3d有五种空间取向,有5个原子轨道。因此应改为:主量子数为3时,有9个原子轨道。答案：见解析。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测方法技巧要明确描述电子运动状态的电子层、电子层中的能级和能级中的原子轨道的递进关系和分别对应的量子数。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测变式训练1下列有关认识正确的是()A.各电子层的原子轨道数按s、p、d的
12、顺序分别为1、3、5B.各电子层的能级都是从s能级开始至f能级结束C.各电子层含有的能级数为n-1D.各电子层含有的原子轨道数为2n2解析：各能级的原子轨道数目取决于原子轨道在三维空间的分布情况,s能级有1个原子轨道,p能级有3个原子轨道,d能级有5个原子轨道,A项正确;各电子层的能级都是从s能级开始,但能级数等于电子层序数,不一定到f能级结束,故B、C两项错误;各电子层含有的原子轨道数为n2,D项错误。答案：A探究一探究二问题引导名师精讲即时检测探究二 电子云1.宏观物体与微观粒子(电子)的运动有什么区别?提示：探究一探究二问题引导名师精讲即时检测2.电子在一定区域内如何运动呢?如何描述电子
13、的运动?提示：核外电子运动特征:电子质量小;运动空间小;运动速度快。对于电子而言,人们不能同时准确地测定它的位置和速度;但能够统计出电子在什么地方出现的概率大、什么地方出现的概率小,并用点的密度大小表示电子在某处出现机会的多少,所得的图形称之为电子云图。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测核外电子运动的一种统计性描述电子云将电子出现的概率约为90%的空间圈出来,制作电子云的轮廓图,便可描绘电子云的形状。s电子云的轮廓图是球形,p电子云的轮廓图是纺锤形(或哑铃形)。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,ns、np、nd、nf能级分别有1、3、5、7个原子轨道。每个p能级有3
14、个相互垂直的原子轨道,分别标记为npx、npy、npz,同一能层中相同形状的原子轨道能量相同。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测1.如下图所示,是电子在1s轨道的电子云示意图:轨道的电子云示意图为了形象地表示电子在原子核外空间的分布状况,人们常用小点的疏密程度来表示电子在原子核外出现概率的大小。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测2.下图中给出了2s和2p的电子云的轮廓图。2s、2p原子轨道示意图原子中的单个电子的空间运动状态是用原子轨道描述的,根据量子力学理论,可以将原子轨道在空间的分布以图像方式在直角坐标系中表示出来。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测【例题2】如图是2pz轨道电子云的
15、示意图,请观察图,并判断下列说法中不正确的是()(导学号52720003)A.2pz轨道上的电子在空间出现的概率分布是z轴对称B.点密集的地方表明电子出现的机会多C.电子先沿z轴正半轴运动,然后在负半轴运动D.2pz轨道形状为纺锤形探究一探究二问题引导名师精讲即时检测解析：电子云是描述电子在空间单位体积内出现概率大小的图形,它并不是电子运动的实际轨迹(或轨道),故C错;电子云的疏密表示电子在该区域出现机会的多少,越密集,说明出现机会越多,故B对;观察该图可知A对;该p轨道的形状为纺锤形(或哑铃形),D对。答案：C易错警示由于电子在核外运动没有确定的轨道,且无法准确测定其速度,也不能预测电子在某
16、时刻的位置,人们只能用统计图示的方法来形象地描绘电子在原子核外空间出现的概率大小,所得图像并不是电子运动的轨迹图。探究一探究二问题引导名师精讲即时检测变式训练2符号3px所代表的含义是()A.px轨道上有3个电子B.第三个电子层px轨道有3个伸展方向C.px电子云有3个伸展方向D.第三个电子层沿x轴方向伸展的p轨道解析：3px中,3表示第三电子层,p原子轨道在三维空间的分布分别沿x、y、z三个方向,px表示沿x轴方向伸展的p轨道。答案：D探究一探究二即时检测1.关于基态氢原子的电子云图,下列说法正确的是()A.一个小黑点代表一个电子B.小黑点表示电子曾经出现过的位置C.小黑点的疏密表示电子在核
17、外空间某处单位体积内出现概率的大小D.基态氢原子的电子云是圆形的解析：电子云图中的小黑点是用来统计电子在核外空间某处出现概率大小的,而不是代表一个实实在在的电子,也不是电子曾经出现过的位置,小黑点的疏密表示的是电子在核外空间某处单位体积内出现概率的多少。基态氢原子的电子云是球形的而不是圆形的。答案：C探究一探究二即时检测2.下列说法中正确的是()(导学号52720004)A.处于最低能量的原子叫做基态原子B.3p表示p能级有3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解析：B错,3p表示第三能层的p原子轨道;C错,同一原子中,1
18、s、2s、3s电子的能量逐渐增大;D错,同一原子中,2p、3p、4p能级的轨道数相同。答案：A探究一探究二即时检测3.能够确定核外电子空间运动状态的量子数组合为()A.n、lB.n、l、msC.n、l、mD.n、l、m、ms解析：主量子数(n)决定电子的离核远近,角量子数(l)确定原子轨道的形状,磁量子数(m)决定原子轨道在空间的取向,故用n、l、m三个量子数可以确定一个电子的空间运动状态,即一个原子轨道。答案：C探究一探究二即时检测4.下列电子层中,包含有f能级的是()A.K层B.L层 C.M层D.N层解析：能级数目等于电子层序数,K、L、M、N的电子层序数依次为1、2、3、4,则分别有1(s)、2(s、p)、3(s、p、d)、4(s、p、d、f)个能级,即K、L、M层不包含f能级。答案：D探究一探究二即时检测5.K层有个能级,用符号表示为;L层有个能级,用符号分别表示为;M层有个能级,用符号分别表示为。由此可推知n电子层最多可能有个能级,能量最低的两个能级其符号分别表示为,它们的原子轨道电子云形状各为、。解析：此题对电子层和能级的关系作了总结,有助于学生理解和掌握以下几个基本内容:(1)第n个电子层有n个能级;(2)核外电子的能量取决于该电子所处的电子层和能级;(3)s能级和p能级电子云的形状。答案：11s22s、2p33s、3p、3dnns、np球形纺锤形
