2．能量最低原理

現(xiàn)代物質結構理論證實，原子的電子排布遵循構造原理能使整個原子的能量處于最低狀態(tài)，簡稱能量最低原理。

構造原理和能量最低原理是從整體角度考慮原子的能量高低，而不局限于某個能級。

1．構造原理

⑴構造原理：隨著核電荷數(shù)遞增，大多數(shù)元素的電中性基態(tài)原子的電子按右圖順序填入核外電子運動軌道(能級)，叫做構造原理。

⑵能級交錯：由構造原理可知，電子先進入4s軌道，后進入3d軌道，這種現(xiàn)象叫能級交錯。

⑶說明：構造原理并不是說4s能級比3d能級能量低(實際上4s能級比3d能級能量高)，而是指這樣順序填充電子可以使整個原子的能量最低。也就是說，整個原子的能量不能機械地看做是各電子所處軌道的能量之和。

5．核外電子運動狀態(tài)的具體化描述

⑴核外電子的運動狀態(tài)，由能層、能級、電子云的空間伸展方向、電子的自旋狀態(tài)四個方面來描述，換言之，用原子軌道(或軌道)和電子的自旋狀態(tài)來描述。

⑵能層(電子層、用主量子數(shù)n表示)：按核外電子能量的高低及離核平均距離的遠近，把核外電子的運動區(qū)域分為不同的能層(電子層)。目前n的取值為1、2、3、4、5、6、7，對應的符號是英文字母K、L、M、N、O、P、Q。一般地說：n值越大，電子離核的平均距離越遠、能量越高，即E(n=1)＜E(n=2)＜E(n=3)＜E(n=4)＜……。

⑶能級(電子亞層、用角量子數(shù)l表示)：在多電子原子中，同一能層(電子層)的電子，能量也可能不同，還可以把它們分為不同的能級或電子亞層(因為這些不同的能量狀態(tài)的能量是不連續(xù)的，像樓梯的臺階一樣，因為稱為能級)。用角量子數(shù)l來描述這些不同的能量狀態(tài)。對于確定的n值，角量子數(shù)l的取值有n個：0、1、2、3、(n-1)，分別用s、p、d、f……表示。E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf) ＜……。

⑷電子云的空間伸展方向(用磁量子數(shù)m表示)：對于確定的能層和能級(n、l已知)，能級的能量相同，但電子云在空間的伸展方向不一定相同，每一個空間伸展方向稱為一個軌道，用磁量子數(shù)m來描述。不同能層的相同能級，其空間伸展方向數(shù)相同，即軌道數(shù)相同。

S能級(亞層)是球形，只有1個伸展方向；p能級(亞層)是亞鈴形，有3個伸展方向(三維坐標的三個方向)；d、f能級(亞層)形狀比較復雜，分別有5、7個伸展方向。

⑸原子軌道(或軌道)：電子在原子核外出現(xiàn)的空間區(qū)域，稱為原子軌道。在量子力學中，由能層(電子層、主量子數(shù)n)、能級(電子亞層、角量子數(shù)l)和電子云的空間伸展方向(磁量子數(shù)m)來共同描述。

由于原子軌道由n、l、m決定，由此可以推算出：s、p、d、f能級(亞層)分別有1、3、5、7個軌道；n=1、2、3、4、…時，其對應電子層包含的軌道數(shù)分別為1、4、9、16…，即對于主量子數(shù)為n的電子層，其軌道數(shù)為n²。

⑹電子的自旋狀態(tài)：電子只有順時針和逆時針兩種自旋方向，用自旋量子數(shù)m_s表示。

[例1](2010江蘇卷，2)水是最寶貴的資源之一。下列表述正確的是

A．H₂O的電子式為

B．4℃時，純水的pH=7

C．中，質量數(shù)之和是質子數(shù)之和的兩倍

D．273K、101kPa，水分子間的平均距離：(氣態(tài))＞(液態(tài))＞(固態(tài))

[答案]C

[解析]本題主要考查的是有關水的化學基本用語。A項，水是共價化合物，其分子的電子式為；B項，溫度升高，水的電離程度增大，C項，一個分子中，其質量數(shù)為20，質子數(shù)為10，D項，在溫度壓強一定時，它只能呈一種狀態(tài)。綜上分析可知，本題選C項

[例2](河南省方城五高2010屆高三上學期期中考試)下列敘述正確的　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　(　　 )

　　 A． ¹⁴N和¹⁵N具有相同的質量數(shù)　　　 B． ¹⁴N和¹⁵N所含的電子數(shù)不同

　　 C．N₄和N₂是同素異形體　　　　　　 D. ¹⁴N和N₄互為同位素　

答案 C

基礎過關

第2課時 原子核外電子排布規(guī)律

4．核外電子運動狀態(tài)的形象化描述--電子云：電子在原子核外高速運動，像帶負電的“云霧”籠罩在原子核的周圍，人們形象地把它叫做電子云。電子云實際上是對電子在原子核外空間某處出現(xiàn)的概率多少的形象化描述，圖中的小黑點不表示電子的個數(shù)，而是表示電子在該空間出現(xiàn)的機會多少。參見上頁“氫原子基態(tài)電子云圖”。

3．電子運動與宏觀物體運動的描述方法的區(qū)別

描述宏觀物質的運動：計算某時刻的位置、畫出運動軌跡等。

描述電子的運動：指出它在空間某區(qū)域出現(xiàn)的機會的多少。

2．核外電子運動特征：在很小的空間內作高速運動，沒有確定的軌道。

1．原子結構理論的發(fā)展。經(jīng)歷了以下五個發(fā)展階段：

①1803年英國化學家道爾頓家建立了原子學說；

②1903年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子建立了“葡萄干布丁”模型；

③1911年英國物理學家盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出原子結構的核式模型；

④1913年丹麥科學家玻爾建立了核外電子分層排布的原子結構模型；

⑤20世紀20年代建立了現(xiàn)代量子力學模型。

3．核外電子

核外電子的運動狀態(tài)

2. 對于公式：質量數(shù)(A)=質子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N)，無論原子還是離子，該公式均適應。

原子可用表示，質量數(shù)A寫在原子的右上角，質子數(shù)Z寫在原子的左下角，上下兩數(shù)值的差值即為中子數(shù)。原子周圍右上角以及右下角或上面均可出現(xiàn)標注，注意不同位置標注的含義，右上角為離子的電性和電荷數(shù)，寫作n；右下角為微粒中所含X原子的個數(shù)，上面標注的是化合價，寫作n形式，注意與電荷的標注進行正確區(qū)分，如由氧的一種同位素形成的過氧根離子，可寫作O(-1)。

原子結構及離子結構中各種基本微粒間的關系

原子種類	微粒之間的關系
中性原子	A 　 Z	原子序數(shù)=核電荷數(shù)=核內質子數(shù)= 核外電子數(shù)	質量數(shù)=質子數(shù)+中子數(shù)
陽離子	A　　　 n+	原子序數(shù)=核電荷數(shù)=核內質子數(shù)=核外電子數(shù)+n
陰離子	A　　　　 m- 　 Z	原子序數(shù)=核電荷數(shù)=核內質子數(shù)=核外電子數(shù)-m

1. 三個基本關系

(1)數(shù)量關系：質子數(shù) = 　核電荷數(shù) = 核外電子數(shù)(原子中)

(2)電性關系：

①原子中：質子數(shù)=核電荷數(shù)=核外電子數(shù)

②陽離子中：質子數(shù)>核外電子數(shù) 或 質子數(shù)=核外電子數(shù)+電荷數(shù)

③陰離子中：質子數(shù)<核外電子數(shù) 或 質子數(shù)=核外電子數(shù)-電荷數(shù)

(3)質量關系：質量數(shù) = 　質子數(shù) + 中子數(shù)