高中化学人教版 (2019)选择性必修2第一章 原子结构与性质第一节 原子结构第1课时导学案

第1课时　能层与能级　基态与激发态　原子光谱

必备知识·自主学习

一、能层与能级

1．能层

根据多电子原子的核外电子的能量差异，将核外电子分成不同的能层，能层用n表示。n值越大，能量越高。

2．能级

(1)根据多电子原子中同一能层电子能量的不同，将它们分成不同能级。

(2)能级用相应能层的序数和字母s、p、d、f……组合在一起来表示，如n能层的能级按能量由低到高的顺序排列为ns、np、nd、nf等。

(3)能层序数等于该能层所包含的能级数，如第三能层有能级3s、3p、3d。

(4)s、p、d、f能级可容纳的电子数为1、3、5、7的二倍。

3．能层、能级与其容纳的最多电子数之间的关系

(1)同一原子中不同能层的电子最根本的区别是什么？

提示：将电子划分为不同能层的依据是能量大小。

(2)同一原子中同一能层不同能级的电子最根本的区别是什么？

提示：将同一能层中的电子划分为不同能级的依据是能量大小。

(3)理论上第8能层有几个能级？该能层最多能容纳多少个电子？

提示：能级数＝能层序数；每一能层最多容纳的电子数为2n2。

二、基态与激发态　原子光谱

1．基态与激发态

(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。

2．原子光谱

(1)光谱的成因与分类：

(2)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。

(3)光谱分析的应用：鉴定元素。

(1)金属元素的焰色试验属于吸收光谱还是发射光谱？

提示：光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式，焰色试验属于发射光谱。

(2)(情境思考)每到夜幕降临的时候，大街上的霓虹灯就会渐渐亮起来，整个城市也变得那么迷人，霓虹灯内因为充有稀薄氖气或其他稀有气体才会发出颜色各异的光，你知道霓虹灯为什么能发出颜色各异的光吗？

提示：当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，霓虹灯管内的带电粒子电子就会发生跃迁，发出五颜六色的光。

关键能力·合作学习

知识点一　能层与能级的组成及能量关系

1．能层、能级再认识

(1)能层：按照电子能量的差异，将核外电子分成不同的能层(即电子层)。

(2)能级：同一能层中能量不同的电子，分成不同的能级。

2.能层与能级中的数量关系

(1)一至七能层的符号分别为K、L、M、N、O、P、Q，各能层容纳的最多电子数为2n2。

(2)s、p、d、f能级中最多容纳的电子数分别为2、6、10、14。

(3)能级数等于能层序数，不同能层的能级中所能容纳的最多电子数不同。

(1)根据初中所学知识，写出Cl元素的原子结构示意图：

提示：Cl原子序数为17，原子结构示意图为。

(2)(前后串联)Cl原子的L层填有的电子数有几个？Cl原子的M层最多能容纳的电子数有几个？

提示：根据原子结构示意图可知Cl原子的L层填有的电子数有8个，而任何一个原子的M层最多能容纳的电子数均为18个。

(3)(教材二次开发)教材P6“N能层有4s、4p、4d、4f四个能级”，那么Cl原子的N能层没有电子，还存在4s、4p、4d、4f四个能级吗？

提示：原子的每个能层的能级数以及所能容纳的电子数目与该能层是否有电子没有关系。

【典例1】下列关于能层与能级的说法中不正确的是(　　)

A．原子核外电子的每一个能层最多可容纳的电子数为2n2

B．能层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该能层序数

C．同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是相同的

D．同一能层中的不同能级的能量高低相同

【解析】选D。各电子层最多容纳电子数2n2(n为电子层数)，故A正确；能层的能级总是从s能级开始，而且能级数等于该能层序数，故B正确；同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是相同的，故C正确；同一能层的不同能级能量不同，且按s、p、d…规律依次增大，故D错误。

(1)每一个能层最多可容纳的电子数＝2n2(其中n为能层序数)。

(2)不同的能层的能级数＝能层序数n。

(3)各能级(s、p、d、f……)上所能容纳的电子数依次为1、3、5、7……的二倍。

【典例2】(2021·成都高二检测)下列能级符号书写错误的是(　　)

A．4f  B．2d  C．5s  D．3p

【解析】选B。s能级在每一层上都有，p能级至少在第二层及以上，d能级至少在第三层及以上，f能级至少在第四层及以上。

【母题追问】不同的能层分别有多少个能级？与能层的序数(n)之间有什么关系？

提示：K能层有1个能级，L能层有2个能级，M能层有3个能级，N能层有4个能级。n＝能级数。

【典例3】(2021·武汉高二检测)总共含有6个能级的能层符号为(　　)

A．M      B．N      C．P      D．Q

【解题指南】解答本题需要掌握的是

(1)熟悉不同能层的标识符号。

(2)记住每一能层所含能级数目。

【解析】选C。每一能层所含的能级数目＝能层序数，所以总共含有6个能级的能层是第6能层，第6能层符号为P。

【母题追问】(1)第6能层中能量最低的是哪个能级？该能级最多能容纳的电子数为多少？

提示：每一能层按s、p、d、f……的顺序能量升高，所以第6能层中能量最低的是6s；能级s、p、d、f……所能容纳的电子数为2、6、10、14……

(2)含有f能级的能层序数最小值为多少？

提示：从第四能层起开始出现f能级。

1．(2021·郑州高二检测)原子中的某一能层，最多能容纳的电子数目大于32，该能层可能会是(　　)

A．L能层　　 B．M能层　　 C．N能层　　 D．P能层

【解析】选D。每一能层最多能容纳的电子数目为2n2，所以最多能容纳的电子数目大于32的能层，至少是第五能层。

2．(2021·沈阳高二检测)下列有关原子结构的说法中不正确的是(　　)

A．第五能层有5个能级，最多能容纳50个电子

B．同一原子中，不同能层均含有的能级是s能级

C．同一原子中，3d能级实际容纳的电子数一定为10个

D．能层和能级的划分，均以电子的能量高低为依据

【解析】选C。第五能层含有5个能级，最多能容纳的电子数为2×52＝50，A正确；同一原子中，由于K层只有s能级，故不同能层均含有的能级为s能级，B正确；3d能级最多可容纳10个电子，但实际容纳的电子数不一定为10个，C错误；核外电子分成不同能层和能级，其依据为电子的能量高低，D正确。

知识点二　基态与激发态　电子跃迁

1．基态与激发态再认识

(1)基态原子：处于最低能量的原子(稳定)。

(2)激发态原子：基态原子的电子吸收能量后电子会跃迁到较高的能级，变为激发态原子(不稳定)。

基态原子激发态原子

2．光(辐射)是电子释放能量的重要形式

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，将以光的形式释放能量。日常生活中看到的灯光、激光、焰火等可见光，都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。

(1)电子跃迁是如何完成的？是物理变化还是化学变化？

提示：电子跃迁是通过吸收能量或者释放能量而完成的；电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移)，而原子得失电子时发生的是化学变化。一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。如1s22s22p6(基态) 1s22s22p53s1(激发态)。

(2)许多金属盐都可以发生焰色试验，请用原子结构的知识解释其原因？

提示：金属原子吸收能量从基态跃迁到激发态后，电子从高能级轨道跃迁回到低能级轨道时，将能量以光能的形式释放出来。

【典例】(2021·福州高二检测)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

【解题指南】解答本题注意两点

(1)发光是释放能量；

(2)原子的能量：基态<激发态。

【解析】选A。霓虹灯发红光是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，能量较高轨道上的电子会跃迁回能量较低的轨道而以光的形式释放能量。

【母题追问】(1)跃迁一定会释放出可见光吗？

提示：跃迁有两种情况：

电子吸收能量→从低能级跃迁至高能级→吸收光谱

电子从高能级跃迁回低能级→释放能量→发射光谱

(2)若Na原子的一个电子，从1s能级跃迁到3p能级，通过光谱仪可观察到发射光谱还是吸收光谱？

提示：从1s→3p能级，要吸收能量，因此可观察到吸收光谱。

1．下列关于同一原子中的基态和激发态说法中，正确的是(　　)

A．基态时的能量比激发态时高

B．激发态时比较稳定

C．由基态转化为激发态过程中吸收能量

D．电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱

【解析】选C。激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确。电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。

2．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取(　　)

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】选B。E(3d)＜E(4p)，故电子由3d能级跃迁至4p能级时，要吸收能量，形成吸收光谱。

三言两语话重点

1．一个标准：决定同一原子的电子所处能层和能级的标准是能量高低。

2．两种跃迁：

3．三个关系：

(1)每一能层所含能级数＝能层序数

(2)每一能层最多能容纳电子数为2n2

(3)不同能级最多能容纳电子数：

课堂检测·素养达标

1．(2021·济南高二检测)排布在下列各电子层上的一个电子，所具有的能量最低的是(　　)

A．K层  B．L层  C．M层  D．N层

【解析】选A。离核最近的电子层称为K层，该层的能量最低，电子层能量由低到高依次为K、L、M、N、O……

2．下列能级符号表示错误的是(　　)

A．6s      B．3d      C．3f      D．5p

【解析】选C。此题考查能层与能级的关系，能层的能级总是从s能级开始，第一能层的能级数等于该能层的序数。第三能层只有3s、3p和3d三个能级，没有3f能级。

3．(2021·湛江高二检测)第O能层所含能级数、最多容纳电子数分别为(　　)

A．3、18    B．4、24    C．5、50     D．4、32

【解析】选C。每一能层包含的能级数目等于该能层的序数，O层为第五能层，包含5个能级；每一能层所容纳的最多电子数为2n2，故第五能层最多所容纳的电子数为2×52＝50个。

4．(2021·衡阳高二检测)下列能层或能级，所含原子轨道数目从小到大排列顺序正确的是(　　)

①7s　　②O层　　③3d　　④4f

A．①②③④    B．③④①②    C．①③④②    D．②④③①

【解析】选C。7s、O层、 3d 、4f 的原子轨道数目分别为1、25、5、7个，所以从小到大正确的顺序为①③④②。

5．下列对焰色试验的描述正确的是(　　)

A．焰色试验是单质的性质

B．焰色试验是化学变化

C．焰色试验是金属原子失去电子时吸收能量产生的现象

D．焰色试验是金属原子或离子中的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，将能量以光的形式释放出来的现象

【解析】选D。焰色试验是金属元素的原子或离子中的电子从高能级跃迁到低能级时释放能量的现象，变化过程中并没有新物质产生，是物理变化。

素养新思维

6.(1)人类对原子的认识史可以大致划分为5个阶段：

①古代原子论；②道尔顿原子论；③汤姆孙原子模型和卢瑟福原子模型；④玻尔原子模型；⑤原子结构(核外电子运动)的量子力学模型。

其中，玻尔原子模型(又称分层模型)是指，当原子只有一个电子时，电子沿特定球形轨道运转；当原子有多个电子时，它们将分布在多个球壳中绕核运动。不同的电子运转轨道是具有一定级差的稳定轨道。根据现代原子模型，电子能否在不同“球壳”中移动？

提示：不同的原子轨道具有不同的能量，原子核外电子可以在能量不同的轨道上发生跃迁。

(2)(教材二次开发)下面是几种元素的光谱图像，根据教材P8 “在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素。” 请分析光谱的类型，以及同一元素的两种不同光谱的谱线关系。

提示：光谱的分类：

发射光谱是暗色背景的明亮谱线，吸收光谱则是明亮背景的暗色谱线，两者一一对应。