核外电子运动状态

ZK高一化学K1 第四讲核外电子的运动状态（拓展）

一、【知识梳理】

电子在原子核外很小的空间内作高速运动，其

运动规律跟一般物体不同，它们没有确定的轨道。

因此，我们不能同时准确地测定电子在某一时刻所

处的位置和运动的速度，也不能描画出它的运动轨

迹。那么，如何描述原子核外电子的运动状态呢？

阅读材料

核外电子运动特点：

①电子质量很小，9.1095×10 kg

-31

②电子运动空间很小，1×10 m

-10

③电子运动速度很快，3×10 m/s

8

一、电子云

科学上应用统计的原理，以每一个电子在原子核外空间某处出现机会的多少，来描述原

子核外电子运动状态。电子在核外空间一定范围内出现，好象带负电荷的云雾笼罩在原子核

的周围，所以我们形象地称它为“电子云”。见下图。

在电子云示意图中，小黑点表示电子出现的次数，小黑点的

疏密（电子云密度）表示电子出现的几率。氢原子电子云：

①球形；

②离核近，电子云密度大，表示电子出现几率大；

氢原子电子云示意图

③离核远，电子云密度小，表示电子出现几率小。

为了便于理解，我们假想有一架特殊的照相机给氢原子照相。先给某个氢原子拍五张照

片，得到下图所示的不同的图象。图中⊕表示原子核，一个小黑点表示电子在这里出现一次。

氢原子的五次瞬间照相

给氢原子拍上成千上万张照片

，研究每一张照片会使我们获得这

样一个印象：电子运动毫无规律，

一会儿在这里出现，一会儿在那里出

现。

如果我们将这些照片叠印，就会

看到如图所示的图象。图象说明

，对氢原子的照片叠印张数越多，就越能使人形成一团电子云雾笼罩原子核的印象，这团“电

子云雾”呈球形对称，在离核越近处密度越大，离核越远处密度越小。

原子核外电子的运动状态可以从四个方面进行描述：

将若干张氢原子瞬间照相叠印的结果

1．电子层

在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同，电子运动的区域也不相同，能量低的

电子通常在离核近的区域运动，能量高的电子通常在离核远的区域运动。根据电子的能量差

异和通常运动区域离核的远近不同，可以将核外电子分成不同电子层。离核最近的为第一层，

离核稍远的为第二层，依次类推，由近及远为三、四、五、六、七层，用符号K、L、M、

N、O、P、Q表示。

2．电子亚层和电子云的形状

科学研究发现，在同一电子层中，电子的能量还稍有差别，电子云的形状也不相同。根

据这个差别，又可以把一个电子层分成一个或几个亚层，分别用s、p、d、f等符号表示。s

电子云为球形，p电子云为纺锤形，d电子云为花瓣形，f电子云为更复杂的花瓣形，它们

均以原子核为对称中心。形状越复杂，电子的能量越高。每个电子层所辖亚层数不等，K电

子层只有一个s亚层，L电子层有s、p两个亚层，M电子层有s、p、d三个亚层，N电子

层有s、p、d、f四个亚层。在同一个电子层，亚层电子的能量是按s、p、d、f的次序递增

的。

3．电子云的伸展方向（轨道）

电子云不仅有确定的形状，而且有一定

的伸展方向。S电子云是球形对称的，在空

间各个方向上伸展的程度相同；p电子云有

三种伸展方向；d电子云有五种伸展方向；

f电子云有七种伸展方向。如右图。在一

定的电子层上，具有一定形状和伸展方向的

电子云所占据的空间称为一个轨道。

电子亚层可再细分为“轨道”。每个电子亚层所辖轨道数不等，s亚层只有1个轨道，p

亚层有3个轨道，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。

4．电子的自旋

电子不仅在核外空间不停地运动，而且还作自旋运动。电子自旋有两种状态，相当于顺

时针和逆时针两种方向。每个轨道最多容纳2个自旋方向相反的电子。同一轨道中的2个电

子称成对电子，若一个轨道中只有1个电子，该电子被称为单电子。表2-3是各电子层上的

电子亚层数、轨道数和最多容纳电子数。

表2-3

电子层

K 1s 1 2

L 1+3 8

M 1+3+5

N 1+3+5+7

O

P

Q

电子亚层 轨道数（n） 最多容纳电子数（2n）

2s、2p

3s、3p、3d 18（不可能出现在最外层）

4s、4p、4d、4f 32（不可能出现在最外层和次外层）

22

5s、5p、5d、5f…… 1+3+5+7……

6s、6p、6d、6f…… 1+3+5+7……

7s、7p、7d、7f…… 1+3+5+7……

核外电子的运动区域

电子层

核外电子的能量

电子亚层

核外电子的运动状态

电子云的伸展方向

电子的自旋

原子核外电子排布规律

核外电子排布必须遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。

泡利不相容原理：在同一个原子中，不可能有运动状态完全相同的两个电子存在（即运动状

态完全相同的电子在同一原子里是不能并存的、是互不相容的）。由此推论：同一原子中每

一个轨道上只能容纳两个自旋方向相反的两个电子。

能量最低原理：在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，

只有当能量较低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。

在同一电子层上，各亚层的能量顺序为ns＜np＜nd＜nf；当电子层不同，电子亚层相同

时，其能量顺序为1s＜2s＜3s＜4s，2p＜3p＜4p，3d＜4d＜5d，4f＜5f＜6f。对于不同电子

层的不同电子亚层，其能量高低较为复杂。见下图多电子原子电子所处的能级示意图。

从图中可以看出，从第三电子层起就出现能级交错现象。如，3d的能量似乎应该低于

4s，而实际上E＞E。因此，按能量最低原理，电子是先排4s，再排3d。……由于能级交

3d4s

错，在次外层未达最大容量之前，已出现了最外层，而且最外层未达最大容量时，又进行次

外层电子的填充，所以原子最外层和次外层电子数一般达不到最大容量。

能级交错：电子层数较大的某些轨道的能量反低于电子层数较小的某些轨道能量的现象。

洪特规则：电子在进入同一亚层时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。量子力学

证明，电子这样排布可使能量最低。同时洪特为此又归纳出一种特例：对于同一电子亚层，

当电子的排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的。即：全充满 p或d或f，半

61014

充满 p或d或f，全空 p或d或f。

357000

例如：铬（Cr）1s2s2p3s3p3d4s；铜（Cu）1s2s2p3s3p3d4s，

2429

226265122626101

这种表示原子核外电子排布的式子称之为电子排布式。

电子排布式：

Na：1s2s2p3s Na：1s2s2p

2 2 6 1+2 2 6

Cl：1s 2s 2p 3s 3p Cl：1s 2s 2p 3s 3p

22625-22626

C：1s 2s 2p

222

原子轨道的能量

①相同电子层上原子轨道能量的高低：Ens＜Enp＜End＜Enf。

②形状相同的原子轨道能量的高低：E1s＜E2s＜E3s＜E4s…… ；

E2p＜E3p＜E4p＜E5p……

③电子层和形状相同的原子轨道的能量相等，如E2px = E2py =E2pz

二、【例题解析】

例1 关于1s、2s、3s、4s原子轨道的说法正确的是（ ）

A．电子只能在电子云轮廓图中运动 B．能级不同，电子云轮廓图形状相同

C．轨道数目相同，电子云轮廓图形状、大小完全相同

D．能层不同，电子云轮廓图形状也不相同

解析：电子在原子核外空间一定范围内出现，A错误；能级大小为1s<2s<3s<4s，但电子云

轮廓图均为球形，B正确，D不正确；电子云轮廓图图形大小依次增大，因此C不正确。

三、【随堂练习】

1．具有下列电子排布式的原子中，半径最大的是（ ）

A．ls2s2p3s3p B．1s2s2p C．1s2ssp D．1s2s2p3s3p

2262322322222624

2．下列说法中错误的是（ ）

A．在同一个原子里找能到两个运动状态完全相同的电子

B．在同一个原子里找能到两个或多个能量相同的电子

C．在同一个原子里M层电子的能量肯定比L层上电子的能量高

D．处在2p亚层上仅有的两个电子自旋方向相同

3．原子中的某一电子层（以n表示），当n作为该原子的最外层时，最多容纳的电子数与（n-1）

层相同；当n作该原子的为次外层时，最多容纳的电子数比（n+1）层还多10个，则n层

是（ ）

A．N 层 B．M 层 C．L 层 D．K 层

4．某元素原子在K层上有2个电子，在N层上有1个电子，则在M层上的电子数为（ ）

A．18个 B．8个 C．2个 D．10个

5．某元素的原子核外电子排布是1s2s2p3s3p3d4s4p，说明该原子核外共有多少电子

226261025

层，各电子层上有几个亚层和多少个电子，该元素的原子的核电荷数为多少？

6．某原子共有5个电子层，则其O层可容纳电子 个，N层可容纳电子 个。

7．以下原子轨道的表示方法不正确的是（ ）

A、3s B、3p C、3d D、3f

8．下列电子层不包含d轨道的是

A.N层 B.M层 C.L层 D.K层

9．关于1s、2s、 3s 、4s原子轨道的说法正确的是（ ）

A、电子只能在电子云轮廓图中运动

B、能级不同，电子云轮廓图形状相同

C、轨道数目相同，电子云轮廓图形状、大小完全相同

D、能层不同，电子云轮廓图形状也不相同

10．下列轨道含有轨道数目为3的是

A、1s B、2p C、3p D、4d

11．3d轨道中最多容纳电子数为

A、2 B、 10 C、 14 D、 18

12．第三电子层含有的轨道数为

A、3 B、 5 C、 7 D、 9

13．在硫原子核外共有 种不同运动状态的电子，有 种不同能量的电子。

14、下列关于电子层与原子轨道类型的说法中不正确的是 ( )

A、原子核外电子的每一个电子层最多可容纳的电子数为2n

2

B、任一电子层的原子轨道总是从s轨道开始，而且原子轨道类型数目等于该电子层序数

C、同是s轨道，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的

D、1个原子轨道里最多只能容纳2个电子

15. 下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是（ ）

A．铝原子核外电子云有 5种不同的伸展方向，有13种不同运动状态的电子。

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能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多

D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大