高二化學(xué)選修3 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表(第一、二課時(shí))

高二化學(xué)選修3 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表(第一、二課時(shí))

知識(shí)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(hào)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(hào)元素

基態(tài)原子的核外電子排布和價(jià)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(jià)電子數(shù)目和價(jià)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(shí)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(xué)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(hào)元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)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(dòng)探究中學(xué)會(huì)1~36號(hào)原子的核外電子排布式

書寫。第2、3課時(shí)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(jià)值觀：

樹立發(fā)展的認(rèn)識(shí)觀，積極參與活動(dòng)探究培養(yǎng)個(gè)人處理事情的能力。

教學(xué)重難點(diǎn)：

認(rèn)識(shí)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(shí)安排：3課時(shí)

（第一課時(shí)）

教學(xué)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(gè)；

（3） 最外層電子數(shù)不超過 個(gè)（K層為最外層不超過 個(gè)）；

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

2 請(qǐng)畫出 1 ～ 20號(hào)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(gè)電子，第二層最多只能容納八個(gè)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(gè)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(xué)習(xí)，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(gè)能層的電子，能量也可能不同，還可以把它們分成能級(jí)(S、P、d、f)，就好比能層是樓層，

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

布，在化學(xué)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(xué)習(xí)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(shuō)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(shuō)用軌道符號(hào)前的數(shù)字表示該軌道屬于第幾電子層，用軌道

符號(hào)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(shí)整個(gè)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(dāng)這些軌道占滿后，

電子才依次進(jìn)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(gè)原

子的能量處于最低狀態(tài)，簡(jiǎn)稱能量最低原則。打個(gè)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(dòng)。

[練習(xí)]請(qǐng)按能量由低到高的順序?qū)懗龈髟榆壍馈?/span>

22

x

1

[學(xué)生] 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g6s

[講解]但從實(shí)驗(yàn)中得到的一般規(guī)律，卻跟大家書寫的不同，順序?yàn)?/span>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(gè)原子，按照能量最低原則，兩電子都應(yīng)當(dāng)排布在1s軌道上，電子排布式

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

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

??????

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

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

一個(gè)原子中不會(huì)存在四個(gè)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(gè)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(shí)針方向和逆時(shí)針方向。在一個(gè)原子中沒有兩個(gè)電子具有完全相同的四

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

理，可得出第n電子層能容納的電子總數(shù)為2n個(gè)

［板書］一個(gè)原子軌道最多容納２個(gè)電子且自旋方向必須相反

［交流研討］C：最外層的p能級(jí)上有三個(gè)規(guī)道

可能寫出的基態(tài)C原子最外層p能級(jí)上兩個(gè)電子的可能排布：

①2p：

②2p:

2

2

③2p:

④2p

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

原子最外層p能級(jí)上兩個(gè)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(gè)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(gè)原則并不是孤立的，而是相互聯(lián)系，相互制約的。也就是說(shuō)核外電子在原子規(guī)

道上排布要同時(shí)遵循這三個(gè)原則。

［閱讀解釋表１－２－１］電子排布式可以簡(jiǎn)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(jià)電子排布式

［過渡］活動(dòng) 探究

嘗試寫出19～36號(hào)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(duì)于構(gòu)造原理有一個(gè)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(jí)順序，應(yīng)為

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

226261226261

226261025226261026

226269222626102

22626622262672

2262612262622262642

1

+19 2 8 9 +19 2 8 8 1

事實(shí)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(hào)鉻Cr：1s2s2p3s3p3d4s；

29號(hào)銅Cu：1s2s2p3s3p3d4s；

這是因?yàn)槟芰肯嗤脑榆壍涝谌錆M（如p和d）、半充滿（如p和d）、和全空（如

p和d）狀態(tài)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)表明，在內(nèi)層原子軌道上運(yùn)動(dòng)的電子能量較低，在外層原子軌道上運(yùn)動(dòng)的電

子能量較高，因此一般化學(xué)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(jià)電子。元

素的化學(xué)性質(zhì)與價(jià)電子的數(shù)目密切相關(guān)，為了便于研究元素化學(xué)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(jià)電子排布。例如，原子C的電子排布式為1s2s2p，還可進(jìn)一步寫出

其價(jià)電子構(gòu)型：2s2p。圖１－２－５所示鐵的價(jià)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(hào)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(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布和價(jià)電子排布。

一個(gè)原子軌道里最多只能容納2個(gè)電子，而且自旋方向相反，這個(gè)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(dāng)電子排布在同一能級(jí)的不同軌道時(shí)，總是優(yōu)先單

獨(dú)占據(jù)一個(gè)軌道，而且自旋方向相同，這個(gè)規(guī)則是洪特規(guī)則。

［作業(yè)］簡(jiǎn)寫19～36號(hào)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(gè)原子軌道最多容納２個(gè)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(jià)電子排布式

(第二課時(shí))

[昨日回放]學(xué)生像過電影一樣回憶上一課時(shí)學(xué)習(xí)到的內(nèi)容，進(jìn)一步規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

[學(xué)生活動(dòng)，教師可適當(dāng)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(gè)原子軌道最多容納２個(gè)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(shí)，體系的能量最低，

原子較穩(wěn)定。還學(xué)習(xí)了1~36號(hào)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(xí)回顧]元素周期表的知識(shí)

1.

6103500

短周期（一、二、三行）（元素有2、8、8種）

周期 長(zhǎng)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(qǐng)大家看圖1-2-7鮑林近似能級(jí)圖，這是美國(guó)化學(xué)家鮑林根據(jù)大量光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論

計(jì)算總結(jié)出的，并用圖來(lái)表示的多電子原子中外層能級(jí)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(jí)組。相鄰能級(jí)組之間能量相差比較大，同一能級(jí)的則能量相差較小。也就是說(shuō)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(hào)元素的核外電子排布是先排4s能

級(jí)上、后排在3d能級(jí)上。

[交流研討]請(qǐng)根據(jù)1~36號(hào)元素原子的電子排布，參照鮑林近似能級(jí)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(jí)組有關(guān)。

2．一個(gè)能級(jí)組對(duì)應(yīng)一個(gè)周期，一個(gè)能級(jí)組所容納的最多電子數(shù)等于一個(gè)周期所包含的元素種

數(shù)，每個(gè)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(duì)應(yīng)周期序數(shù)。周期表中的7個(gè)周期分別對(duì)應(yīng)7個(gè)能級(jí)組。

[板書]1.周期的劃分

（1）與能級(jí)組有關(guān)

（2）每個(gè)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(duì)應(yīng)周期序數(shù)

[練習(xí)]書寫20號(hào)鈣原子、24號(hào)鉻原子、29號(hào)銅原子和35號(hào)溴原子的價(jià)電子排布。

[引導(dǎo)學(xué)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(jià)電子排布與過渡元素原子的價(jià)電子排布有什么區(qū)別？

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

3.同一族過渡元素原子的價(jià)電子排布有什么特點(diǎn)？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(jià)電子數(shù)目和價(jià)電子排布密切相關(guān)，同族元素的價(jià)電子數(shù)目相同。

主族元素的價(jià)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(jià)電子數(shù)，元素的最外層電子即為價(jià)電子。

對(duì)于過渡元素的原子，價(jià)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(jià)電子排布卻基本相同，而且ⅢB～ⅦB副族的價(jià)電子的數(shù)目仍然與族序數(shù)相

同。例如，金屬錳的價(jià)電子排布為3d4s，價(jià)電子數(shù)為7，對(duì)應(yīng)的族序數(shù)為ⅦB。價(jià)電子排布為

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

6～82

子來(lái)劃分的。

[板書]2.族的劃分

（1）與原子的價(jià)電子數(shù)目和價(jià)電子排布密切相關(guān)

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

（3）過渡元素：價(jià)電子排布卻基本相同，（n－1）dns

ⅢB～ⅦB副族：價(jià)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(jià)電子排布

2.嘗試根據(jù)價(jià)電子排布的特點(diǎn)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(jià)電子排布特點(diǎn)

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

[例題]某元素原子共有3個(gè)價(jià)電子，其中一個(gè)價(jià)電子的四個(gè)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(jià)。

[解析]本題關(guān)鍵是根據(jù)量子數(shù)推出價(jià)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(gè)價(jià)電子的量子數(shù)可知，該電子為3d電子，則其它兩個(gè)電子必為4s電子（因?yàn)?/span>＜＝,

EE

3d4s

所以價(jià)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(jià)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(jià)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(jià)電子數(shù)決定；

所在區(qū)由該元素原子價(jià)電子對(duì)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(jí)組有關(guān)

（2）每個(gè)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(duì)應(yīng)周期序數(shù)

2.族的劃分

（1）與原子的價(jià)電子數(shù)目和價(jià)電子排布密切相關(guān)

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

2262612

122262612

（3）過渡元素：價(jià)電子排布卻基本相同，（n－1）dns

ⅢB～ⅦB副族：價(jià)電子數(shù)=族序數(shù)

作業(yè)：

1～101～2