《原子核外電子的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)中有關(guān)問題的探討

周婕

摘 要：《原子核外電子的運(yùn)動(dòng)》（蘇教版選修3）的內(nèi)容純理論部分，十分抽象，盡管教學(xué)的要求有限，讓學(xué)生弄懂和運(yùn)用這些知識決非易事。教學(xué)過程中學(xué)生往往難以理解，似懂非懂，在中學(xué)階段且無法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。怎樣用淺顯易懂的方法幫助學(xué)生理解和掌握這部分知識？筆者在教學(xué)過程中重點(diǎn)對以下幾個(gè)問題進(jìn)行討論和強(qiáng)化，頗有效果，記錄于后，以饗讀者。

關(guān)鍵詞：電子云；能層；能級；構(gòu)造原理；幾種表達(dá)式

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）12-007-2

一、電子云到底是什么？

電子云決不是電子在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的云霧，電子在核外運(yùn)動(dòng)過程中是不產(chǎn)生云霧的。電子是一種微觀粒子，在原子極小的空間（直徑約10-10米）內(nèi)作高速運(yùn)動(dòng)。核外電子的運(yùn)動(dòng)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)不同，沒有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會的大小。

對宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，例如火車在軌道上奔馳，人造衛(wèi)星按一定軌道圍繞地球運(yùn)行，都可以測定或根據(jù)一定的數(shù)據(jù)計(jì)算出它們在某一時(shí)刻所在的位置和速度，并能描繪出它們的運(yùn)動(dòng)軌跡。而核外電子在核外空間所處的位置及其運(yùn)動(dòng)速度不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定，也就是不能描繪出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。在量子力學(xué)中采用統(tǒng)計(jì)的方法，即對一個(gè)電子多次的行為或許多電子的一次行為進(jìn)行總的研究，可以統(tǒng)計(jì)出電子在核外空間某單位體積中出現(xiàn)機(jī)會的多少，這個(gè)機(jī)會在數(shù)學(xué)上稱為概率密度。例如氫原子核外有一個(gè)電子，這個(gè)電子在核外好像是毫無規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，一會兒在這里出現(xiàn)，一會兒在那里出現(xiàn)，但是對這個(gè)電子的千百萬次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)而言，電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，在一個(gè)球形區(qū)域里經(jīng)常出現(xiàn)，如一團(tuán)帶負(fù)電荷的云霧，籠罩在原子核的周圍，人們將其稱之為電子云。倘若有一高速攝像機(jī)跟蹤電子并拍攝運(yùn)動(dòng)過程，將拍攝后的映像重疊便可得到電子云圖像。從圖像可看出，電子總是繞核作高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，且近核區(qū)域出現(xiàn)頻率最大，遠(yuǎn)核區(qū)域出現(xiàn)機(jī)會較少，也可以說，電子云是電子繞核運(yùn)動(dòng)過程中的概率分布圖。有一點(diǎn)須強(qiáng)調(diào)，電子云上的小黑點(diǎn)決不是電子數(shù)，而是電子在核外某個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)中留下的痕跡。

例1.氫原子的電子云圖中，小黑點(diǎn)離原子核近的區(qū)域較密，它表示（ ）

A.該區(qū)域電子較多

B.該區(qū)域電子出現(xiàn)的概率較大

C.電子只在該區(qū)域運(yùn)動(dòng)

D.電子在該區(qū)域運(yùn)動(dòng)速度快

答案：B

二、怎樣理解能層（電子層）？

能層又稱電子層，它是用來描述核外多電子的原子其電子運(yùn)動(dòng)情況的。在含有多個(gè)電子的原子中，各個(gè)電子的自身能量是不相等的，但能量相近是完全可能的，因此我們把能量相近的一組電子置于同一能層上運(yùn)動(dòng)，所以就有了能層（電子層）的出現(xiàn)。從離核的距離由近及遠(yuǎn)分別為K、L、M、N、O、P、Q（或一、二、三、四、五、六、七層）。隨著人類對世界的不斷探索，如果又發(fā)現(xiàn)了若干種新元素，則能層將繼續(xù)擴(kuò)大至R，S，T……（八、九、十層……）。就好像根據(jù)我們同學(xué)各自接受教育的年份和知識儲備一樣分為小學(xué)、初中、高中、大學(xué)等學(xué)段。電子自身能量最低的一組電子只能在近核的最內(nèi)層運(yùn)動(dòng)，依能量從低到高序列，進(jìn)入離核由近到遠(yuǎn)的不同區(qū)域運(yùn)動(dòng)。同理，電子自身能量最高的一組電子在最遠(yuǎn)核區(qū)域即最外能層上運(yùn)動(dòng)，在最外能層上運(yùn)動(dòng)的電子是得還是失，決定其元素的化學(xué)性質(zhì)。能層（電子層）的層數(shù)由核外電子的數(shù)目決定。

例2.下面關(guān)于原子核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律敘述正確的是（ ）

A.原子核外多電子是分層運(yùn)動(dòng)的

B.能量低的電子在離核遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)

C.所有電子在同一區(qū)域里運(yùn)動(dòng)

D.能量高的電子在離核遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)

答案：A、D

三、如何理解能級（電子亞層）？

能級又稱電子亞層，它是用來描述同一能層上電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，如上所述同一能層上的電子自身能量相近而并非相等，這些電子又是怎樣運(yùn)動(dòng)的？就好像我們都是高中學(xué)段，但又有高一、高二和高三之分。能層相當(dāng)于高中部，能級只是高中部的某一個(gè)年級。同一能級又分為幾個(gè)種類，分別為s、p、d、f……，其能量依次升高，它們又叫做能級的原子軌道。這些能級的原子軌道又對應(yīng)不同的形狀，ns能級為球形，np能級為紡錘形，nd能級為梅花瓣形，nf能級為不規(guī)則形，但不是每一能層均有相同種類的能級，能級的種類數(shù)由能層決定。例如：第一能層只有1s能級，第二能層有2s和2p能級，第三能層有3s、3p和3d能級，第四能層有4s、4p、4d和4f能級，原子軌道種類數(shù)與電子層序數(shù)相等，即第n層就有n種軌道。除了s電子云是球形外，其余能級的電子云都有方向，有幾個(gè)方向就有幾個(gè)軌道。s電子云是球形對稱的，只有1個(gè)軌道，p電子云在空間有x、y、z 3個(gè)伸展方向，所以有3個(gè)軌道，分別記作：px、py、pz。d電子云有5個(gè)伸展方向，有5個(gè)軌道，f電子云有7個(gè)伸展方向，有7個(gè)軌道。它們的能量完全相同，電子云形狀也基本相同。無論何種類型的軌道，一個(gè)軌道最多只能填充2個(gè)自旋方向相反的電子。

需要強(qiáng)調(diào)的是不同能層的相同能級，能層數(shù)越大，能量越高，例如：同為s能級，其能量1s<2s<3s<4s，同為p能級，其能量4p>3p>2p。

例3.下列有關(guān)說法正確的是（ ）

A.各能級的原子軌道數(shù)按s、p、d、f順序分別為1、3、5、7

B.各能層含有的電子數(shù)為一定為2n2

C.各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束

D.同一能層上電子的能量一定相等

答案：A

四、關(guān)于構(gòu)造原理的再提煉

原子核外的多電子按構(gòu)造原理依次布入運(yùn)動(dòng)軌道，但由于能級能量會發(fā)生交錯(cuò)的現(xiàn)象，例如：E3d>E4S；E6S

同樣又可以用數(shù)字組記憶為：1、22、33、434、545、6456、7567。這樣學(xué)生對于構(gòu)造原理就易掌握，且書寫電子排布式時(shí)就不會出錯(cuò)。

有一點(diǎn)須注意，在寫電子排布式時(shí)，絕不能把同一能層的不同能級分開寫，例如23號元素釩的電子排布式應(yīng)寫成：V 1s22s22p63s23p63d34s2，決不能寫成：V 1s22s22p63s23p64s23d3，盡管排布時(shí)電子先進(jìn)入4s軌道，再進(jìn)入3d軌道。

五、關(guān)于核外電子的幾種表達(dá)式

1.原子結(jié)構(gòu)示意圖

書寫簡單，十分明了，例如鈉原子結(jié)構(gòu)示意圖中：，圓圈表示原子核，圓圈中的數(shù)字表示核電核數(shù)（質(zhì)子數(shù)），弧形表示電子層，弧形上的數(shù)字表示該層的電子數(shù)，且能清晰地看出該元素原子核外有幾個(gè)電子層，最外層上有幾個(gè)電子，同時(shí)能推斷出該元素在周期表中位置。但該表示法局限性很大，它只能表示主族元素和0族元素，對于副族元素卻無能為力。

2.原子核外電子排布式

利用構(gòu)造原理，按軌道能量從小到大（注意能量交錯(cuò)現(xiàn)象）依次將電子排入軌道，在書寫過程中要注意兩個(gè)原理和一個(gè)規(guī)則，例如K 1s22s22p63s23p64s1，該表達(dá)式的優(yōu)點(diǎn)在于周期表中的所有元素均適用，且通過電子排布式準(zhǔn)確地推斷出該元素在周期表中位置，并推斷其性質(zhì)。

3.軌道表示式

其原理和核外電子排布式相同，且形象地將電子運(yùn)動(dòng)軌道用小方框或小圓圈表示，直接用↑↓表示在這個(gè)軌道中的兩個(gè)電子的不同運(yùn)動(dòng)方向，直觀、形象。至于何種方式表示，按題意要求作出正確選擇。

《原子核外電子的運(yùn)動(dòng)》相關(guān)內(nèi)容的掌握須通盤考慮，應(yīng)用須周密思考，在電子排布過程中特別要注意一些特殊情況，只有多練、多思才能學(xué)好。