高二化学-知识讲解——原子结构模型（基础）.doc

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1、原子结构模型（基础）编稿：房鑫 审稿：张灿丽【学习目标】1、了解氢原子光谱和波尔的原子结构模型；2、了解量子力学对原子核外电子运动状态的描述。【要点梳理】要点一、原子结构模型的建立与发展 恩格斯曾说过：“化学就是关于原子运动的科学”。因此，学习和研究化学就必须从研究原子的运动入手。原子的运动与原子结构密切相关。认识原子的结构成为人们揭开微观世界之面纱的基础。对原子结构的认识，人类经历了一个漫长的、不断深化、不断完善、逐步接近真实的过程。 原子一词，最初是由古希腊哲学家德漠克利特提出的。其涵义是构成物质的最小单位。1803年英国化学家道尔顿(J.Dalton)把原子从一个扑朔迷离的哲学名词变为化

2、学中具有确定意义的实在微粒。认为：(1)原子是构成物质的最小微粒；(2)同种元素的原子各种性质完全相同；(3)原子是一个不可分割的坚实的实心球体。这就是最初的原子结构模型，可称为实心球体模型。道尔顿的这种原子论对物质结构理论的发展起了巨大的推动作用。但用现代结构理论分析其观点都是不符合实际情况的。1897年，汤姆逊(J.J.Thomson)在研究中发现，所有原子都含有带负电荷的微粒电子，于是在1903年提出了汤姆逊的原子结构模型：原子就像带正电的“蛋糕”里镶嵌着许多带负电的“葡萄干”，因而被称作“葡萄干面包模型”。为了解释物质的一些光学性质，该模型假定电子可以在各自的平衡位置附近振动，电子的振

3、动伴随着电磁波的辐射。虽然这种模型在对原子组成的认识比道尔顿模型深入了一步，但不久人们发现该模型与事实不符，因而被摒弃。1907年，英国科学家卢瑟福(ERutherford)做了著名的粒子散射实验。发现原子中的正电荷不是均匀分布在整个原子上而是集中在原子的核心部分，负电荷(电子)是在正电荷周围运动。就像飞蛾在灯泡四周乱飞一样。原子的大部分空间是空空洞洞的。这种原子结构的核式模型为一系列事实所证实，很快为人们接受。根据这种模型和经典的电磁理论，围绕原子核高速运动的电子会自动连续不断的辐射能量，其光谱应该是连续光谱。但实验证明原子光谱是线状光谱，为了解释这种事实，近代原子理论从研究氢原子的光谱实验

4、开始，逐步建立了更合理的原子结构模型。 要点二、氢原子光谱 1光谱 许多物质都能够吸收光或发射光。为了研究物质的这种性质，人们利用仪器将物质吸收光或发射光的波长和强度分布记录下来，就得到所谓的光谱。若由光谱仪获得的光谱是由各种波长的光所组成，且相近的波长差别极小而不能分辩，则所得光谱为连续光谱。例如，阳光形成的光谱即为连续光谱。若由光谱仪获得的光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的，则所得到的光谱为线状光谱。 2氢原子光谱 氢原子光谱是线状光谱，其光谱是由具有特定波长的彼此分立的谱线组成的。 要点三、玻尔的原子结构模型理论要点 1原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐

5、射能量。 2在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量是量子化的，即能量是“一份一份”的，不能任意连续变化，而只能取某些不连续的数值。 3只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会辐射或吸收能量。 要点四、氢原子光谱呈线状光谱的原因 根据玻尔理论，氢原子的一个电子通常在能量最低的轨道（基态）上运动，不释放能量。但当氢原子受到激发（加热或氢在放电管放电）时，核外电子获得能量，即由基态跃迁至激发态。而处于激发态的电子极不稳定，它会迅速再跃迁至基态。在此跃迁过程中以光子的形式放出辐射能，发射出光子的频率取决于电子跃迁的两轨道能量之差。由于各轨道的能量是不连续的

6、（即量子化的），所以由电子的跃迁而发射出的光的频率也是不连续的，这便是氢原子光谱呈线状光谱的原因。 要点五、基态、激发态与原子光谱 处于最低能量的原子叫做基态原子，基态原子是稳定的，此时电子尽可能地在离核最近的轨道上运动，这时原子的能量最低，若不加外界条件，则电子既不吸收，也不释放能量。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，此时的原子处于不稳定状态；相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量，吸收或释放的能量都是以光子的形式进行的。因此，我们日常生活中看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁吸收或释放能量

7、有关。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱，每种原子都有自己特征的光谱。要点六、原子轨道与四个量子数对原子核外三维空间运动的电子，用三个量子数表征的波函数（n、m）就可以描述电子的轨道运动状态。电子除做轨道运动外，还做自旋运动，其自旋角动量由ms（自旋量子数）决定。因此要完整地描述一个核外电子运动状态需要四个量子数n、m、ms，这四个量子数的物理意义和取值关系如下。 1主量子数n 决定轨道能量的高低。取值为除零以外的正整数：1，2，3，4n，z越大，电子离核越远，能量越高。n值与电子层相对应，n1表示能量最低、离核最近的

8、第一电子层。主量子数与电子层符号的对应关系是： 主量子数n 1 2 3 4 5 6 7 电子层符号 K L M N O P Q 氢原子核外只有一个电子，不存在电子之间的相互作用，能量只决定于主量子数n。 2角量子数 决定原子轨道或电子云的形状，与电子运动的轨道角动量有关。值可取零和小于n的正整数，即0，1，2，3（n1）。在多电子原子中，它和主量子数一起决定电子轨道运动的能量。若两个电子的n与相同，就表示这两个电子所处轨道半径及形状相同，具有的能量也相同。的每一个值代表轨道的一种形状和能量，有多少个值就表示该层中有多少个形状不同能量不同的能级，例如： n=1，=0。只有一个值，有一个能级（s能

9、级）。n=2，=0，1。有两个值，有两个能级（s能级和p能级）。 n=n，=0，1（n1）。有n个值，有n个能级。 值所代表的能级轨道形状，用符号s，p，d，f，g，h表示，的值与能级符号以及轨道形状的对应关系如下： 0 1 2 3 4 能级符号 s p d f g 轨道形状 球形 哑铃形 花瓣形 3磁量子数m 决定电子运动轨道在空间的不同伸展方向。m值可取0，1，2，3。若=1，表示p能级轨道在空间有三个伸展方向，即有三条不同方向的轨道，用m=0，+1，1代表。 4自旋量子数ms决定电子运动的自旋方向。处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只有两种，分别用“”和“”来表示。要点七、原子轨道的图

10、形描述和电子云 1原子轨道的图形描述（1）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，s轨道在三维空间分布的图形为球形，即原子轨道具有球对称性；p轨道在空间的分布特点是分别相对于x、y、z轴对称，即p原子轨道在空间分布分别沿x、y、z方向。 原子轨道实际上就是对原子中单个电子的空间运动状态的描述。表现在三维坐标系中，它们的形状、大小、空间伸展方向都有区别。如1s轨道球形对称于原子核。2p轨道的空间分布特点则分别对称于x、y、z三个坐标轴。 原子轨道是电子运动的一个空间，而不是经典意义上的某种轨道。 2电子云当电子在原子核外很小的空间内做高速运动时，其运动规律跟

11、普通物体不同，它们没有确定的轨道。因此，它们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能描画出它的运动轨迹。我们在描述核外电子的运动时，只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，所以，人们形象地把它叫做“电子云”。电子云密度大的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会多；电子云密度小的地方，表明电子在核外空间单位体积内出现的机会少，即只能确定它在原子核外各处出现的概率。要点诠释： （1）电子云图中的黑点不代表一个电子，每个黑点表示电子出现过一次。 （2）黑点疏密的程度表示了电子在原子核外出现

12、的概率的大小。点疏的地方表示电子在那里出现的概率小，点密集的地方表示电子在那里出现的概率大。 （3）离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。如1s电子云比2s电子云更密集。 （4）s能级的电子云为球形，只有一种空间伸展方向。p能级的电子云有三种空间伸展方向。【典型例题】类型一、原子结构模型的演变过程 例1、关于原子结构模型的演变过程，正确的是（ ） A汤姆逊原子模型道尔顿原子模型卢瑟福原子模型玻尔原子模型电子云模型 B汤姆逊原子模型卢瑟福原子模型玻尔原子模型电子云模型道尔顿原子模型 C道尔顿原子模型卢瑟福原子模型汤姆逊原子模型玻尔原子模型电子云模型 D道尔顿原子模型汤姆逊原子模型卢瑟福原子

13、模型玻尔原子模型电子云模型 【答案】D【解析】原子结构模型的演变过程是：古代原子学说道尔顿原子模型汤姆逊原子模型卢瑟福原子模型玻尔原子模型电子云模型，D正确。【总结升华】原子结构理论的发展是不断深入的，各个时期的原子结构模型都是为了解释当时出现的某一现实问题或实验现象而提出的，随后可能又会碰到不能解释的实际问题，这些问题的出现又会推动原理论的改进或新理论的创建。解答本题时应了解不同时期原子结构模型的内涵。举一反三：【变式1】第1个提出“葡萄干布丁”原子结构模型的科学家是（ ）A玻尔 B汤姆逊 C卢瑟福 D道尔顿【答案】B【解析】1903年，汤姆逊提出了一个被称为“葡萄干布丁”的原子结构模型，即

14、原子是一个平均分布着正电荷的粒子、电子镶嵌其中并中和正电荷，使原子呈电中性。 类型二、氢原子光谱 例2 、下列说法错误的是（ ） A人们利用仪器将物质吸收的光或发射的光的波长和强度分布记录下来，即可得到光谱 B光谱分为连续光谱和线状光谱 C炽热的固体、液体或高压气体发出的光形成连续光谱D氢原子的光谱为连续光谱【思路点拨】氢原子光谱是是由具有特定波长的彼此分立的谱线组成的。 【答案】D【解析】氢原子光谱是线状光谱，玻尔的核外电子分层排布的原子结构模型可成功地解释这一事实。D不正确。 【总结升华】根据玻尔理论，电子的处的轨道的能量是量子化的，轨道（能级）的能量差也是确定的，而光的频率与轨道所具有的

15、能量E之间的关系是h=EjEi，据此式计算得到的光的频率（或波长=cv，c为光速）是不连续的，由此也可说明氢原子光谱是线状光谱。举一反三：【变式1】（2015 青岛育贤中学期中）原子的吸收光谱是线状的而不是连续的，主要原因是（ ） A不同轨道上运动的电子具有不同的能量 B外界条件的影响 C仪器设备的工作原理 D原子轨道的能量是量子化的【答案】A【解析】基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱，由于原子核外不同轨道上的电子具有不同的能量，只能吸收特点频率的光，所以形成不连续的线状光谱，故选A。 类型三、原子轨道与四个量子数 例3、能够确定核外电子空间运动状态的量子数的

16、组合为（ ）An、 Bn、ms Cn，、m Dn、m、ms【思路点拨】n表示主量子数，表示角量子数，m表示磁量子数，ms表示自旋量子数。 【答案】C【解析】主量子数（n）决定电子的离核远近，角量子数（）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、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”。ms描述电子的自旋性质。 【总结升华】解答本题要掌握描述核外电子运动状态的4个量子数分别表示的物理意义。举一反三：【变式1】下列有关核外电子运动状态的说法正确的是（ ） A电子自旋就是电子围绕轴“自转” B原子轨道可用来描述核外电子的运动状态 C第二电子层有自旋相反

17、的两个轨道 D原子轨道可用来描述核外电子的运动轨迹【答案】B【解析】电子的自旋表示处于同一原子轨道上电子的量子化运动，自旋不是“自转”，A项不正确；第二电子层有4个轨道，分别为2s、2px、2py、2pz，C项不正确；原子轨道只能描述核外电子高频出现的“区域”，而不能用来描述核外电子的运动轨迹，D项不正确。 类型四、电子云例4、（2015 上海嘉定区一模）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 Bs亚层的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动 Cp亚层的原子轨道呈纺锤形，随着电子层数的增加，p亚层原子轨道也在增多 Ds、p

18、电子原子轨道的平均半径随电子层的增大而增大 【思路点拨】本题考查了电子的运动、原子轨道等知识点，注意电子云不是云雾，为易错点。【答案】D 【解析】A项电子云表示电子出现的概率，电子云是用小黑点疏密来表示空间各电子出现概率大小的一种图形，不代表电子的运动轨迹，故A错误；B项s亚层的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故B错误；C项任何能层的p亚层都有3个原子轨道，与能层的大小无关，故C错误；D项s、p电子原子轨道的平均半径随电子层的增大而增大，故D正确。故选D。【总结升华】对于电子云的理解应注意以下几点：电子云图中的黑点不代表一个电子，每个黑点表示电子出现过一次；黑点疏密的程度表示电子在原子核外出现的概率的大小，点疏的地方表示电子在那里出现的概率小，点密集的地方表示电子在那里出现的概率大；离核越近，电子出现的概率越大，电子云越密集。 举一反三：【变式1】氢原子的电子云图中小黑点表示的意义是 （ ） A1个小黑点表示一个电子 B黑点的多少表示电子个数的多少 C表示电子运动的轨迹 D表示电子在核外空间出现机会的多少【答案】D【解析】在电子云图中，小黑点并不代表电子，小黑点代表电子在核外空间区域内出现的机会，小黑点的疏密与电子在该区域内出现的机会大小成正比。