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教师提升版22
原子结构
知识点一、能层与能级
1.原子的诞生
(1)原子的诞生
(2)人类对原子结构认识的演变
2.能层
(1)根据多电子原子核外电子的能量差异将核外电子分成不同的能层(电子层),并用符号K、L、M、N、O、P、Q…表示。
(2)原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数与能层的序数(n)间存在的关系是2n2。
3.能级
(1)定义:
根据多电子原子的能量也可能不同,将它们分为不同能级。
(2)表示方法:
分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f等表示,如n能层的能级按能量由低到高的排列顺序为ns、np、nd、nf等。
(3)能层、能级与最多容纳的电子数
能层(n)
一
二
三
四
五
六
七
……
符号
K
L
M
N
O
P
Q
……
能级
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
……
……
……
……
最多电
子数
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
……
……
……
……
2
8
18
32
……
……
……
2n2
由上表可知:
①能层序数等于该能层所包含的能级数,如第三能层有3个能级。
②s、p、d、f各能级可容纳的电子数分别为1、3、5、7的2倍。
③原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数与能层的序数(n)间存在的关系是2n2。
能层中各能级的能量关系
(1)不同能层之间,符号相同的能级的能量随着能层数的递增而增大。
(2)在相同能层各能级能量由低到高的顺序是ns (3)不同能层中同一能级,能层数越大,能量越高。 例如: 1s<2s<3s<4s…… 例1 (2018·邢台市月考)下列能级符号表示错误的是( ) A.2pB.3fC.4sD.5d 【考点】能层与能级 【题点】能层、能级的表示方法及数量关系 答案 B 解析 每一能层的能级数与能层序数相等,且具有的能级依次为s、p、d、f……,M能层只有3s、3p、3d能级,没有3f能级。 例2 (2018·银川市育才中学月考)下列叙述正确的是( ) A.能级就是电子层 B.每个能层最多可容纳的电子数是2n2 C.同一能层中的不同能级的能量高低相同 D.不同能层中的s能级的能量高低相同 【考点】能层与能级 【题点】不同能层或能级的能量高低比较 答案 B 解析 A项,能层是电子层,对于同一能层里能量不同的电子,又将其分为不同的能级;C项,同一能层里不同能级,能量按照s、p、d、f的顺序升高;D项,不同能层中的s能级的能量不同,能层越大,s能级的能量越高,例如: E(1s) 知识点二、构造原理与电子排布式 1.构造原理 随着原子核电荷数的递增,绝大多数元素的原子核外电子排布遵循下列顺序: 把这种规律称为构造原理。 即电子所排的能级顺序: 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……。 2.电子排布式 (1)电子排布式是用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子。 如: Al原子电子排布式中各符号、数字的意义为 (2)写出下列原子或离子的电子排布式: ①8O: 1s22s22p4; ②19K: 1s22s22p63s23p64s1;可简写为[Ar]4s1; ③17Cl: 1s22s22p63s23p5;可简写为[Ne]3s23p5; ④16S2-: 1s22s22p63s23p6。 (1)构造原理 ①构造原理是绝大多数基态原子的核外电子排布顺序。 ②电子按照构造原理排布,会使整个原子的能量处于最低状态,原子相对较稳定。 ③从构造原理图可以看出,从第三能层开始,不同能层的能级出现“能级交错”现象。 能级交错指电子层数较大的某些能级的能量反而低于电子层数较小的某些能级的能量的现象,如4s<3d、6s<4f<5d,一般规律为ns<(n-2)f<(n-1)d<np。 (2)简单原子的电子排布式 ①按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中。 ②为了避免电子排布式过于繁琐,我们可以把内层电子达到稀有气体结构的部分,以相应稀有气体元素符号外加方括号来表示。 如Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1,其中第一、二能层与Ne(1s22s22p6)的核外电子排布结构相同,所以其电子排布式可简化为[Ne]3s1。 (3)复杂电子的电子排布式 对于较复杂的电子排布式,应先按能量从低到高排列,然后将同一能层的电子移到一起。 例如: 26Fe: 先按能量从低到高排列为1s22s22p63s23p64s23d6,然后将同一能层的移到一起,即该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,简化为[Ar]3d64s2。 其中[Ar]表示Ar的核外电子排布式,3d64s2为价层电子排布式。 例3 构造原理揭示的电子排布能级顺序,实质是各能级能量高低。 若以E(nl)表示某能级的能量,以下各式中正确的是( ) A.E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d) B.E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s) C.E(4s) D.E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d) 【考点】构造原理 【题点】构造原理的应用 答案 B 解析 根据构造原理,各能级能量由低到高的顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s……,A项和D项正确顺序为E(4f)>E(5s)>E(3d)>E(4s);对于不同能层的相同能级,能层序数越大,能量越高,所以C项错误。 例4 下列原子或离子的核外电子排布式,正确的是( ) A.16S2-: 1s22s22p63s23p4B.21Sc: 1s22s22p63s23p64s23d1 C.18Ar: 1s22s22p63s23p6D.9F: 2s22p5 【考点】电子排布式 【题点】原子电子排布式的书写与判断 答案 C 解析 S2-的原子核外共有18个电子,其核外电子排布式为1s22s22p63s23p6,选项A是S原子的核外电子排布式,故A错误;书写电子排布式时,能层低的能级要写在左边,能层高的能级要写在右边,因此21Sc原子的核外电子排布式应为1s22s22p63s23p63d14s2,故B错误;D是F的最外层电子(价电子)排布式,不符合题意。 方法技巧 书写电子排布式的关键是熟悉构造原理,各能级能量由低到高可记为ns<(n-2)f<(n-1)d 学习小结: 知识点三、能量最低原理、原子的基态与激发态、光谱 1.能量最低原理 原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态,简称能量最低原理。 2.基态原子与激发态原子 (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,电子会跃迁到较高能级,变成激发态原子。 (3)基态、激发态相互间转化的能量变化 基态原子激发态原子。 3.光谱 (1)光谱的成因及分类 (2)光谱分析: 现代化学中,常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。 关于电子跃迁的注意事项 (1)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,将释放能量;反之,将吸收能量。 光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。 (2)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。 (3)一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。 例5 (2018·银川市育才中学月考)下列电子排布式是基态原子的电子排布式的是( ) ①Be: 1s22s12p1 ②O: 1s22s22p4 ③He: 1s12s1 ④Cl: 1s22s22p63s23p5 A.①②B.②③ C.①③D.②④ 【考点】原子的基态与激发态、光谱 【题点】原子的基态与激发态的判断与比较 答案 D 解析 ①Be: 1s22s12p1是激发态,2s能量低于2p,故错误;②O: 1s22s22p4符合能量最低原理,故正确;③He: 1s12s1是激发态,1s能量低于2s,故错误;④Cl: 1s22s22p63s23p5符合能量最低原理,故正确。 例6 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 【考点】原子的基态与激发态、光谱 【题点】电子跃迁与光谱 答案 A 解析 解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。 在电流作用下,基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级,变为激发态原子,这一过程要吸收能量,不会发出红色光;而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时,将释放能量,从而产生红光,故A项正确。 知识点四、电子云与原子轨道 1.原子核外电子的运动特点 (1)电子的质量很小(9.1095×10-31kg),带负电荷。 (2)相对于原子和电子的体积而言,电子运动的空间很大。 (3)电子运动的速度很快,接近光速(3.0×108m·s-1)。 2.电子云 (1)电子云: 是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。 (2)电子云轮廓图的形状: s能级的电子云轮廓图是球形,p能级的电子云轮廓图是哑铃形。 3.原子轨道 (1)概念: 量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。 (2)形状 ①s电子的原子轨道呈球形,能层序数越大,原子轨道的半径越大。 ②p电子的原子轨道呈哑铃形,能层序数越大,原子轨道的半径越大。 (3)各能级所含有原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 1 3 5 7 原子轨道与能层序数的关系 (1)不同能层的同种能级的原子轨道形状相同,只是半径不同。 能层序数n越大,原子轨道的半径越大。 如: (2)s能级只有1个原子轨道。 p能级有3个原子轨道,它们互相垂直,分别以px、py、pz表示。 在同一能层中px、py、pz的能量相同。 (3)原子轨道数与能层序数(n)的关系: 原子轨道数目=n2。 例7 (2017·资阳高二检测)下列关于电子云的说法中,正确的是( ) A.电子云表示电子在原子核外运动的轨迹 B.电子云表示电子在核外单位体积的空间出现的概率大小 C.电子云界面图中的小黑点越密表示该核外空间的电子越多 D.钠原子的1s、2s、3s电子云半径相同 【考点】电子云与原子轨道 【题点】电子云 答案 B 解析 电子云表示电子在核外单位体积的空间出现的概率大小,不是表示电子运动的轨迹,A错误,B正确;电子云界面图中的小黑点越密表示电子在核外空间出现的机会越多,C错误;钠原子的1s、2s、3s电子云半径逐渐增大,D错误。 例8 下列各能级中原子轨道数最多的是( ) A.7sB.6p C.5dD.4f 【考点】电子云与原子轨道 【题点】原子轨道 答案 D 解析 ns能级有1个原子轨道,np能级有3个原子轨道,nd能级有5个原子轨道,nf能级有7个原子轨道。 例9 下列说法正确的是( ) A.因为p轨道是“8”字形,所以p电子是“8”字形 B.能层数为3时,有3s、3p、3d9个轨道 C.氢原子中只有1个电子,故氢原子核外只有1个轨道 D.电子云图即是电子云轮廓图,都是用来形象描述电子运动状态的 【考点】电子云与原子轨道 【题点】电子云与原子轨道的综合 答案 B 解析 p轨道呈哑铃形,是指电子出现概率高的区域,而不是电子的形状,A项错误;能层数为3时,有3s、3p、3d3个能级,共有9个轨道,B项正确;氢原子中确实只有1个电子,但轨道是人为规定的,可以是空轨道,C项错误。 易错提醒 电子云图与电子云轮廓图不是同一个概念,电子云轮廓图实际上是电子云图的大部分区域;电子云轮廓图就是我们通常所说的原子轨道图。 学习小结: 1.基态原子的核外电子排布遵循构造原理。 2.电子及其运动特点可概括为体积小、质量轻、带负电;绕核转、运动快、测不准(某时刻的位置和速度);(离核的)距离不同、能量相异、描述概率(电子在核外空间某处出现的概率,即电子云)。 3.原子轨道: 同一能层,不同能级其原子轨道形状不同,数目不同;不同能层,同种能级其原子轨道形状相同,半径不同,能量不同。 知识点五、基态原子核外电子的排布原则 1.能量最低原理 原子核外的电子应优先排布在能量最低的能级里,然后由里到外,依次排布在能量逐渐升高的能级里。 能级的能量高低顺序如构造原理所示(对于1~36号元素来说,应重点掌握和记忆“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”这一顺序)。 2.泡利原理 在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,而且它们的自旋状态相反,用“↑↓”表示。 3.洪特规则 (1)内容: 在相同能量的原子轨道上,电子的排布将尽可能占据不同的轨道,且自旋方向相同。 (2)特例 在等价轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时,具有较低的能量和较大的稳定性。 相对稳定的状态 如24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,为半充满状态,易错写为1s22s22p63s23p63d44s2。 例10 某原子的最外层电子排布为3s23p2,下列对其核外电子运动的说法错误的是( ) A.有4种不同的伸展方向B.有5种不同能量的电子 C.有5种不同的运动范围D.有14种不同运动状态的电子 【考点】基态原子核外电子的排布原则 【题点】泡利原理及其应用 答案 C 解析 由题给信息知,该原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2,共有14个电子,为硅原子,共有2种轨道,s轨道为球形,只有1种伸展方向,p轨道有3种伸展方向,则共有4种不同的伸展方向,A正确;电子排布式为1s22s22p63s23p2,有5种不同能量的电子,B正确;电子排布式为1s22s22p63s23p2,则核外有3个电子层,有3种不同的运动范围,C错误;硅原子核外有14个电子,故有14种不同运动状态的电子,D正确。 方法规律 描述多电子原子中电子的运动状态时,应该从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来描述,处于同一能层、同一能级、同一原子轨道上的两个电子的自旋方向不同,故原子中电子的运动状态是不可能有两个完全相同的电子的。 如氟原子的电子排布可表示为1s22s22p2p2p,由于各原子轨道中的电子自旋方向相反,所以9个电子的运动状态互不相同。 例11 若将15P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p3p,它违背了( ) A.能量守恒原理B.泡利原理 C.能量最低原理D.洪特规则 【考点】基态原子核外电子的排布原则 【题点】基态原子核外电子的排布原则的综合 答案 D 解析 洪特规则: 当电子排布在同一能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,而且自旋状态相同。 知识点六、原子核外电子排布的表示方法 1.电子排布式 (1)用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子,称为电子排布式。 写出下列基态原子的电子排布式: ①16S: 1s22s22p63s23p4; ②20Ca: 1s22s22p63s23p64s2; ③26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2; ④29Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1。 (2)简化的电子排布式: 上述四种原子的简化电子排布式为 ①[Ne]3s23p4;②[Ar]4s2;③[Ar]3d64s2;④[Ar]3d104s1。 (3)价(外围)电子排布式: 上述四种原子的价电子排布式为①3s23p4;②4s2;③3d64s2;④3d104s1。 2.电子排布图 (1)概念: 将每一个原子轨道用一个方框表示,在方框内标明基态原子核外电子分布的式子称为电子排布图。 (2)表示方法以铝原子为例,电子排布图中各符号、数字的意义为 注意: 在电子排布图中也可以用圆圈表示一个原子轨道,如Na: 或写成[Ne] 。 (3)写出下列基态原子的电子排布图: ①O: ; ②Mg: 。 3.原子结构示意图 (1)概念: 原子结构示意(简)图: 圆圈内数字表示质子数,弧线表示能层(电子层),弧线内数字表示该能层(电子层)中的电子数。 (2)写出下列原子或离子的结构示意图: ①K: ;②Fe: ; ③Mg2+: ;④Cl-: 。 原子核外电子排布的表示方法 (1)电子排布式和电子排布图反映的是基态原子即处于最低能量状态的原子的电子排布情况,它们相互关联,可以非常方便地相互转换。 (2)虽然电子排布是遵循构造原理的,但书写电子排布式时应按照能层的顺序书写。 如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2,而不写作1s22s22p63s23p64s23d6。 (3)主族元素的最外层电子就是外围电子,又称价电子。 过渡元素的外围电子一般包括最外层的s电子和次外层的d电子,有的还包括倒数第三层的f电子。 (4)简单离子是原子得失一定数目电子后的产物。 在表达阴、阳离子的核外电子排布状况时,务必注意离子与原子之间的电子数目关系。 例12 下列有关核外电子排布式或电子排布图不正确的是( ) A.24Cr的电子排布式: 1s22s22p63s23p63d54s1 B.K的简化电子排布式: [Ar]4s1 C.N原子的电子排布图为 D.S原子的电子排布图为 【考点】原子核外电子排布的表示方法 【题点】原子核外电子排布的表示方法的综合 答案 D 解析 S原子的电子排布图违反了洪特规则,正确的应是 。 易错警示 书写基态原子的电子排布图时,要兼顾三条原则,不能顾此失彼,防止出现以下错误: ①违反泡利原理: ; ②违反洪特规则: 或 。 例13 根据25Mn原子核外电子排布情况,回答下列问题。 (1)价层电子排布图: ______________________________________________________。 (2)在锰原子的核外电子中,有________种运动状态不同的电子;共有________对成对电子;有________个成单电子;最高化合价为________价。 【考点】原子核外电子排布的表示方法 【题点】电子排布图书写、判断及应用 答案 (1) (2)25 10 5 +7 学习小结: 随堂练习: 1.下列说法中正确的是() A.处于最低能量的原子叫做基态原子B.3p2表示3p能级有两个轨道 C.同一原子中,1s、2s、3s电子的能量逐渐减小 D.同一原子中,2p、3p、4p能级的轨道数依次增多 2.下列有关认识正确的是() A.各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序分别为1、3、5、7 B.各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束 C.各能层含有的能级数为n-1 D.各能层含有的电子数为2n2 3.下列各组原子中,彼此化学性质一定相似的是() A.原子核外电子排布式为1s2的X原子与原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子 B.原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子 C.2p轨道上只有2个电子的X原子与3p轨道上只有2个电子的Y原子 D.最外层都只有一个电子的X、Y原子 4.具有下列电子排布式的原子中,半径最大的是() A.1s22s22p63s23p1B.1s22s22p3 C.1s22s22p5D.1s22s22p63s23p4 5.下列说法正确的是() A.第二周期元素的第一电离能随原子序数递增依次增大 B.卤族元素中氟的电负性最大 C.CO2、SO2都是直线形的非极性分子 D.CH2=CH2分子中共有四个σ键和一个π键 6.电子构型为[Ar]3d54s2的元素是() A.稀有气体B.过渡元素C.主族元素D.卤族元素 7.下列轨道表示式所表示的元素原子中,其能量处于最低状态的是() 8.下列对一些实验事实的理论解释正确的是() 选项 实验事实 理论解释 A N原子的第一电离能大于O原子 N原子2p能级半充满 B CO2为直线形分子 CO2分子中C=O之间的夹角为180° C 金刚石的熔点低于石墨 金刚石是分子晶体,石墨是原子晶体 D HF的沸点高于HCl HF的相对分子质量小于HCl 9.对于最外层电子排布为(n+1)sn(n+1)p(n+1)的元素及其化合物,在下列叙述中不正确的是() A.氢化物受热易分解B.最高价氧化物对应的水化物是一种强酸 C.其单质既有氧化性又有还原性D.是生物生长所需的一种元素 10.下列说法中正确的是() A.任何一个能层最多只有s、p、d、f四个能级 B.用n表示能层序数,则每一能层最多容纳电子数为2n2 C.核外电子运动的概率分布图(电子云)就是原子轨道 D.电子的运动状态可从能层、能级、轨道三个方面进行描述 11、.第三周期元素的原子,其最外层p能级上仅有一个未成对电子,它最高价氧化物对应的水化物的酸根离子是() A.ROB.ROC.ROD.RO 12、下列电子排布式中,原子处于激发状态的是( ) A.1s22s22p5B.1s22s22p43s2C.1s22s22p63s23p63d44s2D.1s22s22p63s23p63d34s2 答案: 1、A2、A3、C4、A5、B6、B7、D8、AB9、B10、B11、D12、BC 课后作业: 1.以下电子排布式表示基态原子电子排布的是( ) A.1s22s22p63s13p3 B.1s22s22p63s23p63d104s14p1 C.1s22s22p63s23p63d24s1 D.1s22s22p63s23p63d104s24p1 【考点】原子的基态与激发态、光谱 【题点】原子的基态与激发态的判断与比较 答案 D 解析 基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p2,A错误;基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d104s2,B错误;基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d14s2,C错误;1s22s22p63s23p63d104s24p1符合原子核外电子排布规律,D正确。 2.下列说法错误的是( ) A.ns电子的能量可能低于(n-1)p电子的能量 B.6C的电子排布式1s22s22p,违反了洪特规则 C.电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理 D.电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了泡利原理 【考点】基态原子核外电子的排布原则 【题点】基态原子核外电子的排布原则的综合 答案 A 解析 电子的能量与能层、能级有关,ns电子的能量一定高于(n-1)p电子的能量,A错误;根据洪特规则知,2p能级上的两个电子应排在两个不同轨道上,B正确;根据能量最低原
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