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第2课时 原子的基态与激发态、电子云与原子轨道[目标定位] 1.知道原子的基态、激发态与光谱之间的关系。
2.了解核外电子运动、电子云轮廓图和核外电子运动的状态。
一、能量最低原理和原子的基态与激发态1．原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
(1)处于最低能量的原子叫做基态原子。
(2)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。
(3)基态、激发态相互间转化的能量变化基态原子 吸收能量释放能量，主要形式为光激发态原子 2．不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素的原子，这些光谱总称原子光谱。
(1)玻尔原子结构模型证明氢原子光谱为线状光谱。
(2)氢原子光谱为线状光谱，多电子原子光谱比较复杂。
3．可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
(1)基态原子电子按照构造原理排布(即电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里)，会使整个原子的能量处于最低状态，此时为基态原子。
(2)光谱分析不同元素的原子光谱都是特定的，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
1．下列说法正确的是( )A ．自然界中的所有原子都处于基态B ．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性答案 B解析处于最低能量的原子叫做基态原子。
电子由较低能级向较高能级跃迁，叫激发。
激发态原子的能量只是比原来基态原子的能量高。
如果电子仅在内层激发，电子未获得足够的能量，不会失去。
2．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。
产生这一现象的主要原因是() A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应答案 A解析解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。
第2课时能量最低原理、基态与激发态、光谱电子云与原子轨道学业要求素养对接1.知道处于不同能级的电子，在一定条件下会发生激发与跃迁。
2.知道电子的运动状态(空间分布及能量)，可通过原子轨道和电子云模型来描述。
3.能结合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则书写1～36号元素基态原子的轨道表示式，并说明含义。
模型认知：建立新的原子结构模型，并能说明建构思维模型在人类认识原子结构过程中的重要作用。
微观探析：能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异。
[知识梳理]一、基态与激发态、光谱1.能量最低原理原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
2.基态原子与激发态原子(1)基态原子：处于最低能量的原子。
(2)激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁到较高能级，变成激发态原子。
(3)基态、激发态相互转化的能量变化基态原子吸收能量释放能量主要形式为光激发态原子3.光谱与光谱分析(1)光谱形成原因不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。
(2)光谱分类(3)光谱分析在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。
【自主思考】1.为什么原子的核外电子排布要遵循能量最低原理呢？提示能量最低原理是自然界普遍遵循的规律。
能量越低，物质越稳定，物质都有从高能量状态转化到低能量状态的趋势。
二、电子云与原子轨道1.电子云用小黑点来描述电子在原子核外空间出现的概率密度分布图，被形象地称为电子云。
2.电子云轮廓图为了表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间状态有一个形象化的简便描述，把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，即为电子云轮廓图。
3.原子轨道(1)定义：电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
(2)形状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。
(3)各能级所含有原子轨道数目能级符号n s n p n d n f轨道数目 1 3 5 74.泡利原理和洪特规则(1)泡利原理：一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且自旋状态相反。
第2课时能量最低原理、基态与激发态、光谱电子云与原子轨道课程目标核心素养建构1.了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。
2.了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道，掌握泡利原理和洪特规则。
核外电子⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧运动状态⎩⎪⎨⎪⎧基态激发态光谱电子云原子轨道排布规则⎩⎪⎨⎪⎧泡利原理洪特规则洪特规则特例[知识梳理]一、基态与激发态、光谱1.能量最低原理原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。
2.基态原子与激发态原子（1）基态原子：处于最低能量的原子。
（2）激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁到较高能级，变成激发态原子。
（3）基态、激发态相互转化的能量变化3.光谱与光谱分析（1）光谱形成原因不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。
（2）光谱分类（3）光谱分析在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。
【自主思考】在国庆节、元旦、春节，我们经常放焰火来庆祝，请你思考这与原子结构有什么关系呢？答案这与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
二、电子云与原子轨道1.电子云用小黑点来描述电子在原子核外空间出现的概率密度分布图，被形象地称为电子云。
2.电子云轮廓图为了表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间状态有一个形象化的简便描述，把电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来，即为电子云轮廓图。
3.原子轨道（1）定义：电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
（2）形状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。
（3）各能级所含有原子轨道数目能级符号n s n p n d n f轨道数目 1 3 5 74.泡利原理和洪特规则（1）泡利原理：一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且自旋状态相反。
电子自旋有顺时针和逆时针两种状态。
第2课时能量最低原理基态与激发态光谱电子云与原子轨道【例1】气态中性基态原子的原子核外电子排布发生如下变化，吸收能量最多的是( )A.1s22s22p63s23p2→1s22s22p63s23p1B.1s22s22p63s23p3→1s22s22p63s23p2C.1s22s22p63s23p4→1s22s22p63s23p3D.1s22s22p63s23p63d104s24p2→1s22s22p63s23p63d104s24p1解析：气态中性基态原子失去电子时要吸收能量，吸收能量的多少既与基态原子的电子排布有关，又与生成的离子的电子排布有关，D选项中的原子有四个电子层，A、B、C选项中的原子都有3个电子层，有四个电子层的原子较容易失去电子，失去一个电子时吸收能量最少；A、B、C选项中的原子分别为Si、P、S，都具有3p轨道，其中P原子基态时3p轨道处于半充满状态，较稳定，较难失去电子，失去一个电子时吸收能量最多。
答案：B【迁移训练1—1】当硅原子由1s22s22p63s23p2→1s22s22p63s13p3时，以下认识正确的是( ) A．硅原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量B．硅原子由基态转化成激发态，这一过程中释放能量C．转化后位于p能级上有两个电子处于同一轨道，且自旋方向相反D．转化后硅原子与磷原子电子层结构相同，化学性质相似解析：由电子排布式可以看出，硅原子是由基态转化成激发态，该过程要吸收能量，A 正确而B错；转化后P能级上的三个电子分别处于三个轨道，且自旋方向相同，C错；由于硅原子和磷原子核电荷数不同，化学性质肯定不同，D错。
答案：A【迁移训练1—2】判断下列有关碳原子的轨道表示式中能量最低的是( )解析：根据洪特规则，原子核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。
A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋方向相反，均与洪特规则相违背。
第一章原子结构与性质第一节原子结构第二课时电子云与原子轨道泡利原理、洪特规则、能量最低原理【必备知识基础练】1.下列原子或离子核外电子排布式不属于基态排布的是()A．Na：1s22s22p53s2B．S2－：1s22s22p63s23p6C．N：1s22s22p3D．P：1s22s22p63s23p3【答案】A【解析】根据能量最低原理，基态Na原子的电子排布式应为1s22s22p63s1，故A项不是基态Na原子的电子排布式，故选A。
2.下列说法正确的是()A．每个能层s能级的原子轨道的形状均相同，能层序数越大，轨道半径越大，电子能量越高B．原子核外电子云是核外电子运动后留下的痕迹C．教材中说“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”，这说明原子核外电子云是实际存在的D．每个能层都有p能级，p能级都有3个原子轨道【答案】A【解析】s能级的原子轨道的形状都是球形的，且能层序数越大，轨道半径也越大，电子能量越高，A正确；电子云是用小点的疏密来表示空间电子出现的概率密度大小的一种图形，B错误；“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”，但电子云不是实际存在的，C错误；第一能层没有p能级，D错误。
3.将n d能级中的电子排布成,而不排布成,其最直接的根据是()A.能量最低原理B.泡利原理C.构造原理D.洪特规则【答案】D【解析】洪特规则表明,基态原子中,填入简并轨道的电子总是先单独分占,且自旋方向相同。
4.下列说法中正确的是()A．1s电子云呈球形，表示电子绕原子核做圆周运动B．基态氢原子的电子云是圆形的C．n s能级的原子轨道图可表示为D．3d3表示3d能级有3个原子轨道【答案】C【解析】电子云是用小点表示电子在原子核外空间出现的概率，小点不代表电子，小点的疏密表示电子出现概率的大小，A项错误；基态氢原子的电子云是球形而不是圆形的，B项错误；3d3表示第三能层d能级有3个电子，d能级有5个原子轨道，D项错误。
课时跟踪训练(二)[基础巩固]1．有人造小太阳美称的氦灯通电，灯泡发出耀眼的白光，产生这一现象的原因是( ) A．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红外线以外的光线B．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量C．在电流的作用下，氦原子与构成灯光的物质发生反应D．氦原子获得电子后转变成发出白光的物质[解析]解决此类问题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化和现象。
在电流的作用下，基态氦原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量不会发出白光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生白光，故B项正确。
[答案] B2．当镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时，以下认识正确的是( )A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量B．镁原子由激发态转化成基态，这一过程中释放能量C．转化后位于p能级上的两个电子处于同一轨道，且自旋状态相同D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似[解析]基态Mg的电子排布式为1s22s22p63s2，由基态转化成激发态，电子能量增大，需要吸收能量，故A正确；镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时，由基态转化成激发态，故B错误；同一轨道不可能有自旋状态相同的两个电子，故C错误；转化后镁原子与硅原子电子层结构不同，化学性质不同，故D错误。
[答案] A3．在下列所示的微粒中，氧化性最强的是( )A．1s22s22p2B．1s22s22p5C．1s22s22p63s1D．1s22s22p6[解析]由电子排布式判断四种微粒分别为C、F、Na、Ne，根据四者在元素周期表中的位置可判断F的非金属性最强、氧化性最强。
[答案] B4．图1和图2分别是1s电子的概率分布图和原子轨道图。
下列有关认识正确的是( )A．图1中的每个小黑点表示1个电子B．图2表示1s电子只能在球体内出现C．图2表明1s轨道呈球形，有无数对称轴D．图1中的小黑点表示某一时刻，电子在核外所处的位置[解析]A、D项，小黑点只表示概率分布；B项，电子在球体内出现机会多，在球体外也出现，但机会较少。
[答案] C5．以下对核外电子运动状态的描述正确的是( )A．电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定的轨道上高速旋转B．能量低的电子只能在s轨道上运动，能量高的电子总是在f轨道上运动C．能层序数越大，s电子云的半径越大D．在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定相同[解析]电子运动是无序的，没有固定轨道。
能量低的电子在离核近的区域运动，能量高的电子在离核远的区域运动。
同一能级上运动的电子，如果是处于不同能层，则运动状态也不相同。
[答案] C6．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B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C．p能级的原子轨道呈哑铃状，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多D．与s原子轨道相同，p原子轨道的平均半径随能层的增大而增大[解析]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，并非原子核真被电子云雾所笼罩，A项错；原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的机会大，在此区域外出现的机会少，B项错；无论能层序数n怎样变化，每个p能级都有3个原子轨道且相互垂直，C项错；电子的能量随着能层序数的增大而增大，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，原子轨道的平均半径逐渐增大，D项对。
[答案] D7.下列有关碳原子的电子排布图中，能量最低的是( )[解析]A项中2p能级上的2个电子挤在同一个轨道上，B项、C项中两个2p轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D项中的排布符合洪特规则，此时整个原子的能量最低。
[答案] D8．下列图像表述的现象与电子的跃迁无关的是( )[解析]电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量的变化，并以光(辐射)的形式体现，故B项、C项、D项所表述的现象均与电子的跃迁有关。
而平面镜成像只是光的反射原理，与电子的跃迁无关，故选A项。
[答案] A9．下列有关光谱的说法中不正确的是( )A．原子中的电子在跃迁时会发生能量的变化，能量的表现形式之一是光(辐射)，这也是原子光谱产生的原因B．原子光谱只有发射光谱C．通过原子光谱可以发现新的元素D．通过光谱分析可以鉴定某些元素[解析]电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量的变化，主要以光(辐射)的形式体现。
电子从基态跃迁到激发态时，会吸收能量，形成吸收光谱；电子从激发态跃迁到基态时，会放出能量，形成发射光谱，B项错。
[答案] B10．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取到( )A．电子的运动轨迹图像B．原子的吸收光谱C．电子体积大小的图像D．原子的发射光谱[解析]由于4p能级的能量要高于3d能级的，电子由3d能级跃迁至4p能级时需要吸收能量，故得到的是原子的吸收光谱。
[答案] B11．第4层所含有的原子轨道种类数、原子轨道数目和最多容纳电子数分别为( ) A．3、9、18 B．4、12、24C．5、16、32 D．4、16、32[解析]第四能层含s、p、d、f四种原子轨道，原子轨道数为1＋3＋5＋7＝16，每个轨道最多容纳2个电子且自旋状态相反，即最多共容纳电子数为16×2＝32个。
[答案] D12．下列说法正确的是( )A．因为p轨道是“8”字形的，所以p电子是“8”字形B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道D．原子轨道与电子云都是用来形象描述电子运动状态的[解析]A项p轨道是哑铃形，说的是电子出现频率高的“区域”的形状；B项能层数为3时，共有9条轨道；C项氢原子中有一个电子，但轨道是人们规定的，可以是空轨道。
[答案] D13．下列说法中正确的是( )A．s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形状B．p电子云的形状是对顶双球C．L电子层有d轨道D．2p轨道有一个未成对电子的基态原子和价电子排布为2s22p5的原子是同种元素的原子[解析]s电子云是球形对称的；p电子云是哑铃形；L电子层只有2s、2p两个能级，故无d轨道；2p轨道上有一个未成对电子的基态原子为B或F。
[答案] A14．下列这些粒子：O2－、S2－、Cl－、Al3＋、F－、Na＋、Mg2＋、Ca2＋、K＋。
(1)与氖原子电子排布相同的粒子有_________________。
(2)与氩原子电子排布相同的粒子有________________。
[解析]氖原子电子排布式为1s22s22p6，氩原子电子排布式为1s22s22p63s23p6。
在元素周期表中，第二周期的元素可形成阴离子(O2－、F－)，与氖原子电子排布相同，第三周期的元素可形成阳离子(Na＋、Mg2＋、Al3＋)，与氖原子电子排布相同；第三周期的元素可形成阴离子(S2－、Cl－)，与氩原子电子排布相同，第四周期的元素可形成阳离子(Ca2＋、K＋)与氩原子电子排布相同。
[答案](1)O2－、Al3＋、F－、Na＋、Mg2＋(2)S2－、Cl－、Ca2＋、K＋15．某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半。
请回答下列问题：(1)该元素原子的电子排布式(基态)为________，原子结构示意图为________，价电子排布式为________。
(2)该元素的单质能与NaOH溶液反应产生H2，有关反应的化学方程式为______________________。
(3)对该元素单质及化合物性质的描述正确的是( )A．在自然界中只以化合态的形式存在B．单质常用作半导体材料和光导纤维C．最高价氧化物不与酸反应D．气态氢化物比甲烷稳定[解析]本题主要考查Si元素的单质及其化合物的性质，同时应注意电子排布式、价电子排布式、原子结构示意图三种化学用语的区别与联系。
[答案](1)1s22s22p63s23p23s23p2(2)Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)A16．不看元素周期表，填写下表：[答案]17．下图①—⑥是锂、氦、汞的吸收光谱和发射光谱。
其中图________是原子由基态转化为激发态时的光谱，图________是原子由激发态转化为基态时的光谱。
不同元素的原子光谱上的特征谱线不同，请在下图中用线段将同种元素的吸收光谱和发射光谱连接。
[答案]①③⑤②④⑥[能力提升]18．科学研究证明核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关，还与核外电子数及核电荷数有关。
氩原子与硫离子的核外电子排布相同，核外电子排布式都是1s22s22p63s23p6。
下列说法正确的是( )A．两粒子1s能级上电子的能量相同B．两粒子3p能级上的电子离核的距离相同C．两粒子的电子发生跃迁时，释放出的能量不同D．两粒子都达到8电子稳定结构，化学性质相同[解析]核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关，还与核外电子数及核电荷数有关。
核电荷数不同，原子核对电子的吸引能力就不同，电子离原子核的距离以及电子所具有的能量也就不同。
氩原子与硫离子的核外电子排布相同，即核外电子数相同，但两者的核电荷数不同，所以核外相同能级上电子的能量不同，电子发生跃迁时，释放出的能量不同。
氩和硫是不同的元素，故两粒子的化学性质不同。
[答案] C19．如图是s能级和p能级的电子云轮廓图，试回答问题。
(1)s电子云轮廓图呈________形，每个s能级有________个原子轨道；p电子云轮廓图呈________状，每个p能级有________个原子轨道，其能量关系为________(填“相同”或“不相同”)。
(2)元素X的原子最外层的电子排布式为n s n n p n＋1，原子中能量最高的是________电子；元素X的名称是________，它的氢化物的电子式是______________。
(3)若元素Y的原子最外层的电子排布式为n s n－1n p n＋1，那么Y的元素符号应为________，原子的电子排布图为________。
[解析](1)n s能级均有1个轨道，n p能级均有3个轨道，s电子的原子轨道都是球形的，p电子的原子轨道都是哑铃状的，每个p能级有3个原子轨道，它们相互垂直，分别以p x、p y、p z表示，能量关系为p x＝p y＝p z，即能量相同。
(2)因为元素X的原子最外层的电子排布式为n s n np n＋1，n p能级已排布电子，说明n s能级上已排满电子，即n＝2，则元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，元素X是氮。
