高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計
原子結(jié)構(gòu)(也可稱為原子模型)是指原子的組成以及部分的搭配和安排。接下來是小編為大家整理的高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計，希望大家喜歡!
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計一
●教學(xué)目標(biāo)
1.復(fù)習(xí)原子構(gòu)成的初步知識，使學(xué)生懂得質(zhì)量數(shù)和 X的含義，掌握構(gòu)成原子的粒子間的關(guān)系.
2.使學(xué)生了解關(guān)于原子核外電子運(yùn)動特征的常識.
3.了解核外電子排布的初步知識，能畫出1~18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖.
4.培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、抽象思維能力、科學(xué)的分析推理能力及對所學(xué)知識的應(yīng)用能力.
5.使學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì).
●教學(xué)重點(diǎn)
原子核外電子的排布規(guī)律
●教學(xué)難點(diǎn)
1.原子核外電子運(yùn)動的特征
2.原子核外電子的排布規(guī)律
●課時安排
2課時
啟發(fā)、誘導(dǎo)、設(shè)問、激疑、形象比喻、討論、練習(xí)、講述
●教學(xué)用具
投影儀、膠片、畫面一樣的音樂賀卡和普通賀卡、鐵鎖、電腦
●教學(xué)過程
第一課時
[引言]
[教師舉起兩張外表一樣的生日賀卡]
[師]同學(xué)們，我這兒有兩張生日賀卡，現(xiàn)在我把它們打開，請大家說出它們最明顯的不同點(diǎn)在哪里?
[教師打開賀卡]
[生]一個會響，一個不會響.
[師]如果你想要知道這張音樂賀卡為什么會發(fā)出美妙動聽的聲音，你首先想要做的是什么?
[生]拆開看看!
[師]對!也就是說首先要了解它的結(jié)構(gòu).我們知道，一種物質(zhì)之所以區(qū)別于另一種物質(zhì)，是由于它們具有不同的性質(zhì).而它們的性質(zhì)又決定于它們各自的結(jié)構(gòu).因此，我們很有必要掌握有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識.然而，自然界的物質(zhì)太多太多，如果我們不假思索地去一個一個地進(jìn)行認(rèn)識的話，既耗時間又費(fèi)精力，這顯然是不切合實(shí)際的.這就需要我們在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一些規(guī)律，并以此來指導(dǎo)我們的實(shí)踐.
本章我們就來學(xué)習(xí)這方面的內(nèi)容.
[板書]第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律
[師]研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)首先要解剖物質(zhì).我們知道，化學(xué)變化中的最小粒子是原子，化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是原子的重新組合，那么，是不是任何兩個或多個原子的接觸都能生成新物質(zhì)呢?舉例說明.
[引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面學(xué)過的知識來進(jìn)行分析，如H2與F2在冷暗處就能反應(yīng)，而H2和I2在常溫下卻不反應(yīng);Na與O2常溫下迅速反應(yīng)生成Na2O，而真金卻不怕火煉;再如稀有氣體等等……]
[師]為什么常溫下氫原子與氟原子“一拍即合”，而氫原子與氖原子卻“老死不相往來”呢?
要知其究竟，必須揭開原子內(nèi)部的秘密，即認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu).
[板書]第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第一課時)
[師]關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，我們在初中就已熟悉.請大家說出構(gòu)成原子的粒子有哪些?它們怎樣構(gòu)成原子的?
[生]構(gòu)成原子的粒子有質(zhì)子、中子、電子三種;其中，質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子的原子核，居于原子中心，電子在核外做高速運(yùn)動.
[師]很好，下面我們用如下形式把它表示出來.
[板書]一、原子結(jié)構(gòu)
[師]下面，我們通過下表來認(rèn)識一下構(gòu)成原子的粒子及其性質(zhì).
[投影展示表5-1]
表5-1 構(gòu)成原子的粒子及其性質(zhì)
構(gòu)成原子的粒子 電子 質(zhì)子 中子 電性和電量 1個電子帶1個單位負(fù)電荷 1個質(zhì)子帶1個單位正電荷 不顯電性 質(zhì)量/kg 9.109×10-31 1.673×10-27 1.675×10-27 相對質(zhì)量① 1/1836(電子與質(zhì)子質(zhì)量之比) 1.007 1.008 注①是指對12C原子質(zhì)量的1/12(1.661×10-27 kg)相比較所得的數(shù)值.
[師]通過上表我們知道，構(gòu)成原子的粒子中，中子不顯電性，質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電.
我這兒有一把鐵鎖，(舉起鐵鎖)接觸它是否會有觸電的感覺?
[生]不會.
[問題探究]金屬均由原子構(gòu)成，而原子中又含有帶電粒子，那它為什么不顯電性呢?
[生]可能是正負(fù)電荷互相抵消的緣故吧!
[師]對，因?yàn)樵觾?nèi)部，質(zhì)子所帶正電荷和電子所帶負(fù)電荷電量相等、電性相反，因此原子作為一個整體不顯電性.從原子的結(jié)構(gòu)我們可知，原子核帶正電，它所帶的電荷數(shù)——核電荷數(shù)決定于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，我們用Z來表示核電荷數(shù)，便有如下關(guān)系：
[板書]核電荷數(shù)(Z)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù).
[師]下面，我們再來深入了解一下原子核與原子的關(guān)系.
[問]誰能形象地比喻一下原子核和原子的體積的相對大小?
[生]甲回答：如果把原子比作一座十層大樓，原子核就像放置在這所大樓中央的一個櫻桃.
乙回答：如果假設(shè)原子是一座龐大的體育場，而原子核只相當(dāng)于體育場中央的一只螞蟻.
[師]回答得很好，甲比喻說明對初中的知識掌握很牢固;乙比喻說明大家對新課的預(yù)習(xí)很到位.
確切地講，原子核的體積只占原子體積的幾千萬億分之一.原子核雖小，但并不簡單，它是由質(zhì)子和中子兩種粒子構(gòu)成的，幾乎集中了原子的所有質(zhì)量，且其密度很大.
[投影展示有關(guān)原子核密度的資料]原子核密度很大，假如在1cm3的容器里裝滿原子核，則它的質(zhì)量就相當(dāng)于1.2×108t，形象地可以比喻為需要3000輛載重4 t的卡車來運(yùn)載.
[師]其實(shí)，從表5-1中所示電子、質(zhì)子、中子的相對質(zhì)量也可得出原子的質(zhì)量主要集中在原子核上的結(jié)論.從表中可看出，質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量均近似等于1，而電子的質(zhì)量只有質(zhì)子質(zhì)量的1/1836，如果忽略電子的質(zhì)量，將原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量取近似值加起來，所得數(shù)值便近似等于該原子的相對原子質(zhì)量，我們把其稱為質(zhì)量數(shù)，用符號A表示.中子數(shù)規(guī)定用符號N表示.則得出以下關(guān)系：
[板書]質(zhì)量數(shù)(A)=質(zhì)子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N)
[師]這樣，只要知道上述三個數(shù)值中的任意兩個，就可推算出另一個數(shù)值來.
在化學(xué)上，我們用符號 X來表示一個質(zhì)量數(shù)為A、質(zhì)子數(shù)為Z的具體的X原子.比如 C表示質(zhì)量數(shù)為12，原子核內(nèi)有6個質(zhì)子和6個中子的碳原子.
[問題探究]“ O”與“O”所表示的意義是否相同?
[生] O表示原子核內(nèi)有8個中子的氧原子，而O除表示一個氧原子外，還可表示氧元素.
[師]為了熟記 X所表示意義及A、Z、N之間的關(guān)系，請同學(xué)填寫下表：
[投影練習(xí)]
粒子符號 質(zhì)子數(shù)(Z) 中子數(shù)(N) 質(zhì)量數(shù)(A) 用 X表示為 ①O 8 ? 18 ? ②Al ? 14 27 ? ③Ar 18 22 ? ? ④Cl ? ? ? Cl ⑤H ? ? ? H [答案]①10 O?、?3 Al?、?0 Ar?、?7 18 35?、? 0 1
[師]由以上計算我們可得出，組成原子的各粒子之間的關(guān)系可以表示如下：
[板書] 原子 X
[問題探究]是不是任何原子核都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的?
[生]不是，如上述練習(xí)中 H原子，核內(nèi)無中子，僅有一個質(zhì)子.
[問題探究]假如原子在化學(xué)反應(yīng)中得到或失去電子，它還會顯電中性嗎?
[生]不會，原子失去或得到電子后，成為帶電的原子——離子，不顯電中性;形成的帶正電荷的粒子叫陽離子，帶負(fù)電荷的粒子叫陰離子.
[問題探究]離子所帶電荷數(shù)與原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或得到的電子數(shù)之間有什么聯(lián)系?
[生]離子所帶電荷數(shù)與原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或得到的電子數(shù)相等，失去幾個電子，陽離子就帶幾個單位的正電荷，得到幾個電子，陰離子就帶幾個單位的負(fù)電荷.
[師]回答得很好.即：
[講解并板書]離子所帶電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)-核外電子數(shù)
[師]這樣，我們就可根據(jù)粒子的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與核外電子數(shù)的關(guān)系，來判斷出一些粒子是陽離子還是陰離子.
請大家口答下列問題：
[投影]1.當(dāng)質(zhì)子數(shù)(核電荷數(shù))>核外電子數(shù)時，該粒子是________離子，帶________電荷.
2.當(dāng)質(zhì)子數(shù)(核電荷數(shù))________核外電子數(shù)時，該粒子是陰離子，帶________電荷.
[答案]1.陽 正 2.< 負(fù)
[師]根據(jù)以上結(jié)論，請大家做如下練習(xí).
[投影練習(xí)]填寫表中空白.
粒子符號 質(zhì)子數(shù) 電子數(shù) ①S2- ? ? ②Xn+ x ? ③Ym- ? y ④NH ? ? ⑤OH- ? ? [學(xué)生活動，教師巡視，并指正錯誤]
[答案]①16 18?、趚-n?、踶-m ④11 10?、? 10
[小結(jié)]本節(jié)課我們重點(diǎn)講了原子結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原子的各粒子之間的關(guān)系及其性質(zhì)，它是幾代科學(xué)家經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力才得出來的結(jié)論.
[作業(yè)]1.用 X符號的形式表示出10種原子.
2.課本第94頁，二、1、2.
●參考練習(xí)
1.某粒子用 Rn-表示，下列關(guān)于該粒子的敘述正確的是( )
A.所含質(zhì)子數(shù)=A-n B.所含中子數(shù)=A-Z
C.所含電子數(shù)=Z+n D.所帶電荷數(shù)=n
2.某元素Mn+核外有a個電子，該元素的某種原子的質(zhì)量數(shù)為A，則該原子的核內(nèi)中子數(shù)為( )
A.A-a+n B.A-a-n
C.A+a-n D.A+a+n
參考答案：1.BC(D選項(xiàng)所帶電荷數(shù)應(yīng)標(biāo)明正負(fù))
2.B
●板書設(shè)計
第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律
第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第一課時)
一、原子結(jié)構(gòu)
原子 X
核電荷數(shù)(Z)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)
質(zhì)量數(shù)(A)=質(zhì)子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N)
離子所帶電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)-核外電子數(shù)
●教學(xué)說明
本節(jié)教材是在學(xué)生初中學(xué)習(xí)過的《原子》的基礎(chǔ)上來進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)原子結(jié)構(gòu)知識的.由于本節(jié)教學(xué)內(nèi)容無演示實(shí)驗(yàn)，理論性較強(qiáng)，學(xué)生對此處的內(nèi)容容易產(chǎn)生枯燥感.為此，采用了舊中引新、設(shè)問激疑的方法，對學(xué)生進(jìn)行精心的引導(dǎo)，并結(jié)合形象的比喻，讓學(xué)生親自參與到學(xué)習(xí)新知識的過程中來，最后通過對所學(xué)知識的應(yīng)用——練習(xí)，使本節(jié)課的知識得以鞏固.
另外，本節(jié)教材的第一部分內(nèi)容，用原子結(jié)構(gòu)或構(gòu)成原子的粒子的相互關(guān)系做標(biāo)題更為合適.此處，采取了前者.
第二課時
[引言]從上一節(jié)課我們所學(xué)的知識可以知道：原子核相對于原子很小，即在原子內(nèi)部，原子核外，有一個偌大的空間供電子運(yùn)動，那么，電子在核外的運(yùn)動與宏觀物體是否相同?我們又怎樣來描述核外電子的運(yùn)動呢?下面我們就來探討這個問題.
[板書]第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第二課時)
二、原子核外電子運(yùn)動的特征
[師]請大家觀察以下物體運(yùn)動的特點(diǎn)，并注意它們的運(yùn)行軌跡是否確定.
[電腦演示以下運(yùn)動]1.物質(zhì)的自由落體運(yùn)動;2.火車的運(yùn)動;3.炮彈的拋物線運(yùn)動;4.天體的運(yùn)行;5.氫原子的一個電子在核外閃爍運(yùn)動.
[討論]核外電子的運(yùn)動規(guī)律跟宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律有什么不同?
[生]1.宏觀物體的運(yùn)動有固定的方向，電子沒有.
2.宏觀物體的運(yùn)動有確定的路線，電子沒有.
[講述]正如大家所述，宏觀物體的運(yùn)動，如天體的運(yùn)行、導(dǎo)彈的發(fā)射、車輛的行駛等，它們都有確定的軌道，我們可用宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律準(zhǔn)確地測出它們某一時刻所處的位置和運(yùn)動速度，可以描畫出它們的運(yùn)動軌跡.
當(dāng)電子在原子核外很小的空間內(nèi)作高速運(yùn)動時，其運(yùn)動規(guī)律跟普通物體不同.它們沒有確定的軌道，因此，我們不能準(zhǔn)確地測定電子在某一時刻所處的位置和運(yùn)動速度，也不能描畫出它的運(yùn)動軌跡.
那么，我們應(yīng)該如何去描述核外電子的運(yùn)動呢?讓我們先來研究氫原子核外唯一的一個電子的運(yùn)動特點(diǎn).
[電腦顯示]氫原子核外一個電子的運(yùn)動示意圖(由慢到快)
[師]我們看到，當(dāng)電子的運(yùn)動速度加快時，在原子核周圍有一團(tuán)云霧，我們形象地稱它為“電子云”——電子形成的云霧之意.
[問]氫原子核外只有一個電子，它怎么能形成一團(tuán)云霧呢?
[啟發(fā)]這是由于電子在核外的運(yùn)動速度太快(2.2×106 m·s-1)，使我們眼花繚亂的結(jié)果.
[問]大家有沒有在什么地方見過類似的現(xiàn)象?
[引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行聯(lián)想]
[生]1.快速進(jìn)退錄像帶時，與此情景有點(diǎn)相似.
2.武打影片里，形容劍舞得快時，舞劍人的周圍常是一團(tuán)劍影.
3.科幻動畫片里，飛牒的運(yùn)行及爭斗場面.
4.風(fēng)車快速旋轉(zhuǎn)時的現(xiàn)象.
[師]好，大家的聯(lián)想很豐富.以上場面，都有一個共同的特點(diǎn)——快.電子的運(yùn)動速度更快得多.因此，在核的周圍形成帶負(fù)電的電子云便好理解了.由于電子難以捕捉，又沒有確定的軌道，我們在描述核外電子的運(yùn)動時，只能指出它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會的多少.
[投影展示](在通常狀況下氫原子電子云示意圖)
[講述]圖中的每一個小黑點(diǎn)表示電子曾在那里出現(xiàn)過一次.黑點(diǎn)多的地方——也即電子云密度大的地方，表明電子在核外空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)機(jī)會多，反之，出現(xiàn)的機(jī)會少.從這張圖中，我們可以看出，氫原子的核外電子在離核遠(yuǎn)的地方單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會少，在離核近的地方單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會多.
因此，原子核外電子運(yùn)動的特征是：
[板書并講述]運(yùn)動速度快，沒有確定的軌道，可用電子云形象地表示.
[問題探究]A.電子云是籠罩在原子核外的云霧;B.小黑點(diǎn)多的區(qū)域表示電子多;C.小黑點(diǎn)疏的區(qū)域表示電子出現(xiàn)的機(jī)會少;D.電子云是用高速照相機(jī)拍攝的照片.
[生]這是從不同角度考查對電子云的理解的.核外電子的運(yùn)動規(guī)律可用電子云來描述，小黑點(diǎn)的疏密程度與電子出現(xiàn)機(jī)會多少相對應(yīng)，C是正確的，而B是錯誤的.電子云是一種形象的描述形式，并非真有帶負(fù)電的云霧包圍著原子核，因此，不可能用高速照相機(jī)拍攝下來，因而A和D都錯.
[過渡]在氫原子的核外，只有一個電子，運(yùn)動情況比較簡單.對于多電子原子來講，電子運(yùn)動時是否會在原子內(nèi)打架?它們有沒有一定的組織性和紀(jì)律性呢?下面我們就來學(xué)習(xí)有關(guān)的知識.
[板書]三、原子核外電子的排布
[講解]科學(xué)研究證明，多電子原子中的電子排布并不是雜亂無章的，而是遵循一定規(guī)律.通常，能量高的電子在離核較遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動，能量低的電子在離核較近的區(qū)域運(yùn)動.這相當(dāng)于看足球比賽，觀眾中坐在最外面的人往往是活動余地最大的(能量高)，而里面的人往往是活動余地較小的(相當(dāng)于能量低的電子);我們可以把他們的座位分為甲、乙、丙、丁等不同的區(qū)域.同樣，我們可以把核外電子運(yùn)動的不同區(qū)域按能量由低到高，分為1、2、3、4……等不同的電子層，并分別用符號K、L、M、N……來表示.
[講解并板書]1.電子層的劃分
電子層(用n表示)1、2、3、4……
電子層符號 K、L、M、N……
離核距離 近 遠(yuǎn)
能量高低 低 高
[師]核外電子的分層運(yùn)動，又叫核外電子的分層排布.科學(xué)研究證明，電子一般總是盡先排布在能量最低的電子層里，即最先排布K層，當(dāng)K層排滿后，再排布L層，等等.那么，每個電子層最多可以排布多少個電子呢?電子的分層排布遵循什么規(guī)律呢?
為了解決這個問題，我們首先研究一下稀有氣體元素原子電子層排布的情況.
[投影]稀有氣體元素原子電子層排布
核電荷數(shù) 元素名稱 元素符號 各電子層的電子數(shù) K L M N O P 2 氦 He 2 ? ? ? ? ? 10 氖 Ne 2 8 ? ? ? ? 18 氬 Ar 2 8 8 ? ? ? 36 氪 Kr 2 8 18 8 ? ? 54 氙 Xe 2 8 18 18 8 ? 86 氡 Rn 2 8 18 32 18 8 [師]請同學(xué)們仔細(xì)觀察表中數(shù)據(jù)，能找出一些什么規(guī)律呢?
[學(xué)生甲]K層、L層、M層最多能排布的電子數(shù)目是2、8、18.
[學(xué)生乙]不論原子有幾個電子層，其最外層中的電子數(shù)目最多只有8個(氦原子是2個).
[學(xué)生丙]原子最外電子層中有8個電子(最外層為K層時，最多只有2個電子)的結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).
[師]很好.下面請同學(xué)們根據(jù)以上規(guī)律和在初中學(xué)習(xí)的部分元素原子結(jié)構(gòu)示意圖的知識，討論并填寫課本91頁表5-3.
[學(xué)生活動，教師巡視，并指正錯誤]
[問題探究]核外電子的分層排布，所遵循的規(guī)律是什么?
[學(xué)生回答，教師補(bǔ)充并板書]2.核外電子的排布規(guī)律
(1)各電子層最多容納的電子數(shù)是2n2(n表示電子層)
(2)最外層電子數(shù)不超過8個(K層是最外層時，最多不超過2個);次外層電子數(shù)目不超過18個;倒數(shù)第三層不超過32個.
(3)核外電子總是盡先排布在能量最低的電子層，然后由里向外從能量低的電子層逐步向能量高的電子層排布.
[師]以上規(guī)律是相互聯(lián)系的，不能孤立地機(jī)械地套用.
知道了原子的核電荷數(shù)和電子層的排布規(guī)律以后，我們就可以畫出原子結(jié)構(gòu)示意圖.
如鈉原子的結(jié)構(gòu)示意圖可表示為 ，請大家說出各部分所表示的含義.
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計二
學(xué)習(xí)目標(biāo)
【知識與技能】
1、通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會了解原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展史。
2、通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會知道原子的行星模型結(jié)構(gòu)。
【過程與方法】
1、通過本節(jié)課的活動——(粒子散射實(shí)驗(yàn)的探究過程，你將會初步學(xué)會“提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論”的探究途徑和建立模型研究微觀結(jié)構(gòu)的方法。
2、通過學(xué)習(xí)化學(xué)史和化學(xué)哲學(xué)思想，你將會學(xué)會信息處理的方法，并通過思考、合作與交流，理性認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)。
【情感、態(tài)度與價值觀】
1、通過這節(jié)課感知宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)的差異，你會建立基本的物質(zhì)觀、微粒觀和原子觀。
2、通過科學(xué)探究和科學(xué)建模體驗(yàn)科學(xué)家科學(xué)研究的方法，你將會感受到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不斷突破的思想。
3、通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會體驗(yàn)到科學(xué)探究的樂趣。
4、通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，了解古代莊子的思想，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。
學(xué)習(xí)重點(diǎn) 原子的行星模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
學(xué)習(xí)難點(diǎn) 建立物質(zhì)觀、微粒觀、原子觀;理解(粒子散射實(shí)驗(yàn)并認(rèn)識原子的行星模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
教學(xué)過程
[新課引入]播放PPT兩個和尚的對話，創(chuàng)設(shè)物質(zhì)是由微粒組成的化學(xué)情景。
[思考與交流] 活動一
1、聆聽老和尚和小和尚的對話，他們的對話中包含哪些觀點(diǎn)?
2、原子是構(gòu)成物質(zhì)的一種基本微粒，原子還可以再分嗎?
[投影]觀看視頻，了解西方從德國哲學(xué)家德謨克利特到道爾頓，再到湯姆生對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程。
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計三
一、教學(xué)基本要求
1.氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念
了解微觀粒子運(yùn)動特征;了解原子軌道(波函數(shù))、幾率密度和電子云等核外電子運(yùn)動的近代的概念;熟悉四個量子數(shù)對核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述;熟悉s、p、d原子軌道的形狀和伸展方向。
電子原子結(jié)構(gòu)
掌握原子核外電子分布原理，會由原子序數(shù)寫出元素原子的電子分布式和外層電子構(gòu)型;掌握元素周期系和各區(qū)元素原子或離子的電子層結(jié)構(gòu)的特征;根據(jù)元素原子的電子分布式能確定元素在周期表中的位置。了解有效核電荷、屏蔽效應(yīng)的概念;熟悉原子半徑、有效核電荷、電離能、電子親合能、電負(fù)性、主要氧化值等周期性變化規(guī)律，以了解元素的有關(guān)性質(zhì)。
二、學(xué)時分配：
講 授 內(nèi) 容 學(xué)時數(shù)(6.0) 1.氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念 2.0 2.多電子原子結(jié)構(gòu) 4.0
三、教學(xué)內(nèi)容
§8.1引言
從19世紀(jì)末，隨著科學(xué)的進(jìn)步和科學(xué)手段的加強(qiáng)，在電子、放射性和x射線等發(fā)現(xiàn)后，人們對原子內(nèi)部的較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識越來越清楚。1911年盧瑟福(Rutherford E)建立了有核原子模型，指出原子是由原子核和核外電子組成的，原子核是由中子和質(zhì)子等微觀粒子組成的，質(zhì)子帶正電荷，核外電子帶負(fù)電荷。
在一般化學(xué)反應(yīng)中，原子核并不發(fā)生變化，只是核外電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變。因此原子核外電子層的結(jié)構(gòu)和電子運(yùn)動的規(guī)律，特別是原子外電子層結(jié)構(gòu)，就成為化學(xué)領(lǐng)域中重要問題之一。
原子中核外電子的排布規(guī)律和運(yùn)動狀態(tài)的研究以及現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論的建立，是從對微觀粒子的波粒二象性的認(rèn)識開始的。
§8.2氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念
8.2.1微觀粒子的運(yùn)動特征
1.微觀粒子的波粒二象性
光的干涉、衍射現(xiàn)象表現(xiàn)出光的波動性，而光壓、光電效應(yīng)則表現(xiàn)出光的粒子性。稱為光的波粒二象性。光的波粒二象性可表示為λ= h/p= h /mυ
式中，m是粒子的質(zhì)量，υ是粒子運(yùn)動速度 p是粒子的動量。
1924年，法國理論物理學(xué)家德布羅依(de Broglie L V)在光的波粒二象性的啟發(fā)下，大膽假設(shè)微觀粒子的波粒二象性是具有普遍意義的一種現(xiàn)象。他認(rèn)為不僅光具有波粒二象性，所有微觀粒子，如電子、原子等也具有波粒二象性。
1927年，德布羅依的大膽假設(shè)就由戴維遜(Davisson C J)和蓋革(Geiger H)的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。圖8-1是電子衍射實(shí)驗(yàn)的示意圖。當(dāng)經(jīng)過電位差加速的電子束A入射到鎳單晶B上，觀察散射電子束的強(qiáng)度和散射角的關(guān)系，結(jié)果得到完全類似于單色光通過小圓孔那樣得到的衍射圖像，如圖所示。這表明電子確實(shí)具有波動性。電子衍射實(shí)驗(yàn)證明德布羅依關(guān)于微觀粒子波粒二象性的假設(shè)是正確的。
圖8-1電子衍射實(shí)驗(yàn)
電子的粒子性只需通過下面實(shí)驗(yàn)即可證實(shí)：陰極射線管內(nèi)兩極之間裝一個可旋轉(zhuǎn)的小飛輪，當(dāng)陰極射線打在小飛輪上，小飛輪即可旋轉(zhuǎn)，說明電子是有質(zhì)量、有動量的粒子，亦即具有粒子性。
2.微觀離子運(yùn)動的統(tǒng)計性
在經(jīng)典力學(xué)中，一個宏觀粒子在任一瞬間的位置和動量是可以同時準(zhǔn)確測定的。例如發(fā)出一顆炮彈，若知道它的質(zhì)量、初速及起始位置，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，就能準(zhǔn)確地知道某一時刻炮彈的位置、速度(或動量)。換言之，它的運(yùn)動軌道是可測知的。而對具有波粒二象性的微觀粒子則不同，現(xiàn)在已證明：由于它們運(yùn)動規(guī)律的統(tǒng)計性.我們不能像在經(jīng)典力學(xué)中那樣來描述它們的運(yùn)動狀態(tài)，即不能同時準(zhǔn)確地測定它們的速度和空間位置。
1927年海森伯(Heisenberg W)提出了測不準(zhǔn)原理(uncertainty principle)，ΔxΔP=h
Δx為粒子位置的不確定度， ΔP 為粒子動量的不確定度。
由此可見，對于宏觀物體可同時準(zhǔn)確測定位置和動量(或速度)，即不確定原理對宏觀物體實(shí)際上不起作用，而該原理卻很好地反映了微觀粒子的運(yùn)動特征。表明具有波動性的微觀粒子與服從經(jīng)典力學(xué)的宏觀粒子有完全不同的特點(diǎn)。
8.2.2 核外電子運(yùn)動狀態(tài)描述
一、 波函數(shù)?和電子云
1.波函數(shù)
1926年，薛定諤根據(jù)波粒二象性的概念提出了一個描述微觀粒子運(yùn)動的基本方程—薛定諤方程。薛定諤方程是一個二階微分方程：
當(dāng)將這個方程用于氫原子時，求解這個方程，就能把氫原子系統(tǒng)的波函數(shù)?和能量E求出來。r是核與電子的距離，代入上式，得到原子軌道和電子云的分布圖——波函數(shù)的空間圖像。但求解過程很復(fù)雜，下面只介紹求解得到的一些基本概念。
2.電子云
氫原子核外只有一個電子，設(shè)想核的位置固定，而電子并不是沿固定的軌道運(yùn)動，由于不確定關(guān)系，也不可能同時測定電子的位置和速度。但我們可以用統(tǒng)計的方法來判斷電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(概率)是多少。設(shè)想有一個高速照相機(jī)能攝取電子在某一瞬間的位置。然后在不同瞬間拍攝成千上萬張照片，若分別觀察每一張照片，則它們的位置各不相同，似無規(guī)律可言，但如果把所有的照片疊合在一起看，就明顯地發(fā)現(xiàn)電子的運(yùn)動具有統(tǒng)計規(guī)律性，電子經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域是在核外的一個球形空間。如用小黑點(diǎn)表示一張照片上電子的位置，如疊合起來就如圖8-2所示。
離核愈近處，黑點(diǎn)愈密，它如同帶負(fù)電的云一樣，把原子核包圍起來，這種想像中的圖形就叫做電子云，圖(a)電子在核附近出現(xiàn)的概率密度最大。概率密度隨r的增加而減少。圖(b)是一系列的同心球面，一個球面代表一個等
密度面，在一個等密度面上概率密度相等。圖 中的數(shù)字表示概率密度的相對大小，同樣離核愈近，概率密度愈大，其值規(guī)定為1。圖(c)是電子云的界面圖，它表示在界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率(如95%以上)。
概率密度代表單位體積中電子出現(xiàn)的概率。
二、原子軌道和電子云的圖像
圖8-2 電子云和界面圖
電子運(yùn)動的狀態(tài)由波函數(shù)ψ來描述，|ψ|2則是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度。處于不同運(yùn)動狀態(tài)的電子，它們的ψ各不相同，其|ψ|2 也不同。
在波函數(shù)ψ(r、?、?)=R(r)Θ(?)Φ(?)中，R(r)與r有關(guān)，可以用以討論徑向的分布;其他兩個函數(shù)與電子出現(xiàn)在什么角度(?和?)有關(guān)，將兩個函數(shù)可以合并起來，用以討論角度分布。
即令：Θ(?)Φ(?)=Y(?、?)
Y(?、?)稱為角度波函數(shù)，于是波函數(shù)ψ可以寫為
ψ(r、?、?)= R(r)Y(?、?)
下面分別討論原子軌道和電子云角度分布圖。波函數(shù)ψ的角度部分是Y(?、?)。若以Y(?、?)對?、? ，作圖則得到波函數(shù)的角度分布圖，若以Y2(?、?)對?、? 作圖，得到電子云的分布圖(即概率密度的分布圖)。
1. ψ的角度分布圖
原子軌道的角度分布圖的具體作法是：從球極坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，引出各條方向?yàn)??、? 的直線，取它們的長度等于相應(yīng)的Y(?、?) 值，將所有這些直線的端點(diǎn)連起來，在空間形成的曲面即為原子軌道的角度分布圖。因?yàn)閅(?、?) 只與l、m有關(guān)，與n無關(guān)。
2. |ψ|2的角度分布圖
如前所述，把|ψ|2在空間中的分布叫做電子云，它形象地表示電子在空間出現(xiàn)的概率密度的大小。
把波函數(shù)的角度部分Y(?、?)取平方后Y2(?、?)對(?、?) 作圖就得到電子云角度分布圖。
電子云的角度分布圖與相應(yīng)的波函數(shù)的角度分布圖是相似的，但有區(qū)別：
波函數(shù)的角度分布圖中Y有正負(fù)，電子云的角度分布圖Y2則無正負(fù)。
而且由于Y(?、?)<1，取平方后其值更小，所以電子云角度分布圖稍“瘦長”些。圖8-3是 s、p、d電子云的角度分布圖。
圖8-3 s、p、d電子云的角度分布圖
三、 四個量子數(shù)
要描述原子中各電子的運(yùn)動狀態(tài)，需用四個參數(shù)確定。
1.主量子數(shù) n
主量子數(shù) (主電子層數(shù)) n=1， 2， 3， 4， 5， 6，7，…
電子層符號： K，L，M，N，O，P….
物理意義：主量子數(shù)n是描述電子離核的遠(yuǎn)近程度的參數(shù)，電子運(yùn)動的能量主要由主量子數(shù)n來決定，n值越大，電子的能量越高。
2.角量子數(shù) l
角量子數(shù) l 的取值為0，1，2，3…，(n-1)，
在光譜學(xué)上分別以 s，p，d，f，…表示。
意義：角量子數(shù) l是描述電子云形狀。
當(dāng)n相同時 ，不同的 l 值(即不同的電子云形狀)對能量值也稍有影響，且與 l值成正比，例如：當(dāng)主量子數(shù)同為n時，有如下的關(guān)系：Ens
3.磁量子數(shù)m
磁量子數(shù)m的量子化條件是取值0，±1，± 2，± 3…±l。
磁量子數(shù)表示原子軌道在空間的一種伸展方向。l=0時，m只取一個值，即m=0，表示亞層只有一個軌道。當(dāng)l=1時，m=0，± 1，px、py和pz這三種不同伸展方向的軌道能量是相同的
4.自旋量子數(shù)ms
電子除繞核運(yùn)動外，其自身還做自旋運(yùn)動。為了描述核外電子自旋狀態(tài)，引入第四個量子數(shù)—自旋量子數(shù)ms，根據(jù)量子力學(xué)的計算規(guī)定：ms只可能取+1/2和-1/2，用以表示兩種不同的自旋狀態(tài)，通常用正反兩個箭頭?和?來表示。
綜上所述，主量子數(shù)和角量子數(shù)決定原子軌道的能量;角量子數(shù)決定原子軌道的形狀;磁量子數(shù)決定原子軌道的空間取向或原子軌道的數(shù)目;自旋量子數(shù)電子運(yùn)動的自旋狀態(tài)。也就是說，電子在核外運(yùn)動的狀態(tài)可以用四個量子數(shù)來描述。
例已知核外某電子的四個量子數(shù)n=2 l=1 m=-1 ms=+1/2
則這是指第二電子層、p亞層2Px 2Py軌道上自旋方向以+1/2為特征的那一個電子。
§8.3多電子原子結(jié)構(gòu)
8.3.1原子結(jié)構(gòu)的周期性
一 、屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)
在原子軌道的能級圖上出現(xiàn)能級交錯的原因，來源于屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)。下面分別介紹。
1.屏蔽效應(yīng)
氫原子核外只有1個電子，這個電子僅受到原子核的作用，氫原子的波動方程可精確求解。但是在多電子原子中，每一個電子不僅受到帶Z個電荷的原子核的吸引，而且還受到(Z-1)個電子的排斥。故至今尚未能對除氫原子或類氫原子以外的微觀粒子運(yùn)動方程精確求解，因此對多電子原子系統(tǒng)是采取近似的方法。
在多電子原子中，核電荷對某個電子的吸引力，因其它電子對該電子的排斥而被削弱的作用稱為屏蔽效應(yīng)
令 Z’=Z - ?i，其中Z’是有效核電荷數(shù)。?i 為屏蔽常數(shù)。
?i 就是電子i受其他電子排斥而在核的吸引上要把核的正電荷扣除的部分。
2.鉆穿效應(yīng)
由圖8-4中可知不同電子在離核r處球面上出現(xiàn)的概率大小不同。對于n較大的電子(例如3s，3p電子)，出現(xiàn)概率最大的地方離核較遠(yuǎn)，但在離核較近的地方有小峰，表明在離核較近的地方電子也有出現(xiàn)的可能.也就是說外層電子可能鉆到內(nèi)層出現(xiàn)在離核較近的地方，這種現(xiàn)象叫做鉆穿效應(yīng)。
圖8-4 4s，3d電子云的徑向分布圖
二. 核外電子排布原理
根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對元素性質(zhì)周期律的分析，歸納出多電子原子中的電子在核外的排布應(yīng)遵從以下三條原則，即泡利(Pauli)不相容原理、能量最低原理和洪特(Hund)規(guī)則。
1.泡利不相容原理
泡利指出：在同一原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的2個電子同時存在，稱為泡利不相容原理。換言之，每一種運(yùn)動狀態(tài)的電于只能有1個，在同一軌道上最多只能容納自旋方向相反的2個電子。由于每個電子層中原子軌道的總數(shù)是n2個，因此各電子層中電子的最大容量是2n2個。
2.能量最低原理
在不違背泡利不相容原理的前提下電子在個軌道上的排布方式應(yīng)使整個原子能量處于最低狀態(tài)，即多電子原子在基態(tài)時核外電子總是盡可能地先占據(jù)能量最低的軌道，稱為能量最低原理。
3.洪特規(guī)則
電子在能量相同的軌道(即等價軌道)上排布時，總是盡可能以自旋相同的方向分占不同的軌道，因?yàn)檫@樣的排布方式總能量最低，稱為洪特規(guī)則。
洪特規(guī)則特例：對于同一電子亞層，當(dāng)電子分布為半充滿(p3、d5、f7)、全充滿(p6、d10、f14)和全空(p0、d0、f0)時，電子云分布呈球狀，原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。
三、多電子原子軌道的能級
1. 近似能級圖
原子軌道的能量主要與主量子數(shù)有關(guān)，對多電子原子來說，原子軌道的能級還和角量子數(shù)及原子序數(shù)有關(guān)。圖8-5為Pauling近似能級圖。該圖反映核外電子填入軌道的最后順序。
近似能級圖是按原子軌道能量高低的順序排列的，能量相近的能級劃為一組放在一個方框中稱為能級組。不同能級組之間的能量差較大，同一能級組內(nèi)各能級之間的能量差別較小。圖中共列出6組，它們依次是：
第一能級組：1s
第二能級組：2s，2p
第三能級組：3s，3p
第四能級組：4s，3d，4p
第五能級組：5s，4d，5p
第六能級組：6s，4f，5d，6p
第七能級組：7s，5f，6d，7p…
圖8-5 原子軌道近似能級圖
每一個小圓圈代表一個原子軌道。s亞層只有一個原子軌道，p亞層中有3個能量相等的原子軌道。在量子力學(xué)中把能量基本相同的狀態(tài)叫做簡并狀態(tài)。所以p軌道是三重簡并的，這3個原子軌道能量基本相同，只是空間取向不同，所以又稱它們是等價軌道。同樣d亞層的5個d軌道是五重簡并的，f亞層的7個f軌道是七重簡并的。圖8-5反映出：
主量子數(shù)n相同，角量子數(shù)l不同者，它們的能量有微小的差別，l 值越大，能量也越大，即Ens
若角量子數(shù)相同，其能級次序則由主量子數(shù)決定 ，n 越大能量越高，例：如E2p
若主量子數(shù)n和角量子數(shù) l 同時變動時，能量次序就比較復(fù)雜。這種情況常發(fā)生在第三層以上的電子層中，如E4s
核外電子的能級次序，直接關(guān)系到核外電子的排布次序，因此引起許多學(xué)者的關(guān)注。我國化學(xué)家徐光憲教授總結(jié)歸納出一個近似公式，利用(n+0.7l)值的大小，來計算各原于軌道的相對次序，并將所得值的整數(shù)部分相同者，作為一個能級組。
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