(寒假班)人教版高中化学选择性必修二同步讲义第一章 原子结构与性质 第一节 原子结构（解析版）

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【学习目标】
1.通过认识原子结构与核外电子排布理解能层与能级的关系。
2.能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。
3.结合构造原理形成核外电子排布式书写的思维模型，并根据思维模型熟练书写1～36号元素的电子排布式。
4.通过原子轨道和电子云模型的学习，全面了解核外电子运动状态的描述方法。
5.能根据核外电子的表示方法，推导出对应的原子或离子。
【基础知识】
一、能层与能级
1、能层
(1)含义：根据核外电子的 能量 不同，将核外电子分为不同的能层(电子层)。
(2)序号及符号：能层序号一、二、三、四、五、六、七……分别用K、L、M、N、O、P、Q……表示，其中每层所容纳的电子数最多为 2n2 个。
(3)能量关系：能层越高，电子的能量越高，能量的高低顺序为 E(K) ＜E(L)＜ E(M) ＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q) 。
2、能级
(1)含义：根据多电子原子的同一能层的电子的 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
(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。
(2)s、p、d、f 各能级可容纳的最多电子数分别为 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是 2n2 (n为能层的序数)。
二、基态与激发态 原子光谱
1、基态原子与激发态原子
(1)基态原子：处于 最低能量 状态的原子。
(2)激发态原子：基态原子 吸收 能量，它的电子会跃迁到 较高 能级，变成 激发 态原子。
2、光谱
(1)光谱的成因及分类
(2)光谱分析：在现代化学中，常利用原子光谱上的 特征谱线 来鉴定元素，称为光谱分析。
三、构造原理与电子排布式
1、构造原理
以 光谱学 事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入 能级 的顺序称为构造原理。
2、电子排布式
将 能级 上所容纳的电子数标在该能级符号 右上角 ，并按照能层从左到右的顺序排列的式子。
四、电子云与原子轨道
1、概率密度
1913年， 玻尔 提出氢原子模型，电子在 线性轨道 上绕核运行。量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的 概率 不同，可用概率密度(ρ)表示，即ρ＝eq \f(P,V)(P表示电子在某处出现的 概率 ；V表示该处的体积)。
2、电子云
(1)定义：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)含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越 密 ，表示概率密度越 大 。
(3)形状
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
4、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 。
五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
（一）原子核外电子的排布规则
1、泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳 2 个电子，它们的自旋 相反 ，常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的 电子 。
2、电子排布的轨道表示式(电子排布图)
8O的轨道表示式如下：
例：根据上面回答下列问题：
(1)简并轨道： 能量 相同的原子轨道。
(2)电子对：同一个原子轨道中，自旋方向 相反 的一对电子。
(3)单电子： 一个原子 轨道中若只有一个电子，则该电子称为单电子。
(4)自旋平行： 箭头同向 的单电子称为自旋平行。
(5)在氧原子中，有 3 对电子对，有 2 个单电子。
(6)在氧原子中，有 5 种空间运动状态，有 8 种运动状态不同的电子。
3、洪特规则
(1)内容：基态原子中，填入 简并轨道 的电子总是先单独分占，且自旋平行。
(2)特例：在简并轨道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eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(全充满：p6、d10、f14,全空：p0、d0、f0,半充满：p3、d5、f7))
如：24Cr的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d54s1 ，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2。
4、能量最低原理
(1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据 能量最低 的原子轨道，使整个原子的能量最 低 。
(2)因素：整个原子的能量由 核电荷数 、 电子数 和 电子状态 三个因素共同决定。
（二）核外电子的表示方法
电子排布式与轨道表示式的比较
【考点剖析】
考点一 能层的理解与应用
1．在基态多电子原子中，关于核外电子能量的叙述错误的是( )
A．最易失去的电子能量最高
B．离核最远的电子能量最高
C．p能级电子能量一定高于s能级电子能量
D．在离核最近的区域内运动的电子能量最低
答案 C
解析 最易失去的电子，性质活泼，所以能量最高，A正确；离核最近的区域内运动的电子能量最低，离核越远区域内运动的电子能量越高，B、D正确；处于同一能层时，p能级电子能量一定高于s能级电子能量，C错误。
2．某元素原子的核外有三个能层，最外能层有4个电子，该原子核内的质子数为( )
A．14 B．15 C．16 D．17
答案 A
解析 原子核外共有三个能层，最内层只有1s能级，可容纳2个电子，第二层有2s、2p两个能级，可容纳1×2＋3×2＝8个电子，最外层有4个电子，所以该原子核外有14个电子，又因在原子中核外电子数等于核内质子数，故选A。
3．在同一个原子中，M能层上的电子与Q能层上的电子的能量( )
A．前者大于后者 B．后者大于前者
C．前者等于后者 D．无法确定
答案 B
4．下列说法中有错误的是( )
A．某原子K层上只有一个电子
B．某离子M层和L层上的电子数均为K层的4倍
C．某原子M层上的电子数为L层电子数的4倍
D．存在核电荷数与最外层电子数相等的离子
答案 C
解析 氢原子K层上只有一个电子，A正确；Cl－、K＋等离子M层和L层上的电子数均为K层的4倍，B正确；原子核外已有M层，则L层为全排满，即8个电子，这样M层就有32个电子，而M层为第三层，最多容纳的电子数为18个，故不可能，C错误；O2－核电荷数为8，核外最外层电子数也为8，D正确。
考点二 能层和能级
5．下列有关能层和能级的叙述中正确的是( )
A．M能层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子
B．3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多容纳7个电子
C．无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2
D．任一能层都有s、p能级，但不一定有d能级
答案 C
解析 A项，M能层有s、p、d共3个能级，最多容纳 18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子，从N能层开始有f能级，最多容纳14个电子，不存在3f能级；C项，每个能层都从s能级开始，且s能级最多容纳2个电子；D项，K能层只有s能级，不含有p能级。
6．某一能层上nd能级最多所能容纳的电子数为( )
A．6 B．10 C．14 D．15
答案 B
解析 d能级有5个轨道，每个轨道最多能容纳2个电子，所以nd能级最多能容纳10个电子。
7．下列各能层不包含d能级的是( )
A．O能层 B．P能层 C．M能层 D．K能层
答案 D
解析 多电子原子中，同一能层的电子可分为不同的能级，K层只有s能级，L层有s、p能级，从M层开始有d能级。
8．下列多电子原子不同能级能量高低的比较错误的是( )
A．1s＜2s＜3s B．2p＜3p＜4p
C．3s＜3p＜3d D．4s＞3d＞3p
答案 D
解析 在多电子原子中，从3d能级开始有“能级交错”现象，实际4s能级的能量小于3d，所以D错误。
考点三 原子的激发态、基态与光谱
9．下列关于同一种原子中的基态和激发态说法中，正确的是( )
A．基态时的能量比激发态时高
B．激发态时比较稳定
C．由基态转化为激发态过程中吸收能量
D．电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
答案 C
解析 同一原子处于激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确；电子从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。
10．元素Na的焰色试验呈黄色，从能量变化的角度其光谱类型属于( )
A．发射光谱 B．吸收光谱 C．连续光谱 D．线状光谱
答案 A
解析 焰色反应是待测物的金属元素吸收能量后，原子中的电子发生跃迁变为激发态，而激发态不稳定，释放能量变为较低能量的激发态或基态，产生发射光谱。
11．对焰色试验的描述正确的是( )
A．焰色试验只是金属单质特有的性质
B．焰色试验是化学变化
C．焰色试验是金属原子从基态跃迁到激发态时，将能量以光的形式表现出来
D．焰色试验是金属原子或离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，将能量以光的形式表现出来的现象
答案 D
解析 焰色试验是大多数金属元素的性质，是物理变化，从基态→激发态要吸收能量，从激发态→基态会释放能量。
考点四 构造原理的应用
12．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)
答案 B
解析 根据构造原理，各能级能量由高到低的顺序为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。
13．以下电子排布式是基态原子的电子排布的是( )
①1s12s1 ②1s22s12p1 ③1s22s22p63s2 ④1s22s22p63s23p1
A．①② B．①③
C．②③ D．③④
答案 D
解析 ①基态原子的电子排布式应为1s2，发生电子跃迁为1s12s1，故①错误；②基态原子的电子排布式应为1s22s2，发生电子跃迁为1s22s12p1，故②错误；③、④符合基态原子电子排布规律，故③、④正确。
14．表示一个原子在M能层上有10个电子，可以写成( )
A．3p6 B．3d10
C．3s23p63d24s2 D．3s23p64s2
答案 C
解析 M层为第3电子层，每一电子层中的电子按照从低到高的顺序进行排列。所以应该先排3s，然后3p，然后是4s，最后3d2，C项正确。
15．下列各项中，前面的能级先填入电子的为( )
①3d和4s ②4p和5s ③5s和4d ④5p和4d
A．①② B．②③ C．②④ D．③④
答案 B
解析 原子核外电子优先占有能量低的轨道，轨道能量的高低由能层和能级决定。①中的3d>4s，②中的4p<5s，③中的5s<4d，④中的5p>4d。所以前面能级先填入电子的是②③。
16．39号元素钇的电子排布式应是下列排布中的哪一组( )
A．1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2
B．1s22s22p63s23p63d104s24p65s25p1
C．1s22s22p63s23p63d104s24p64f15s2
D．1s22s22p63s23p63d104s24p65s25d1
答案 A
解析 根据构造原理，电子填入能级的先后顺序为4s、3d、4p、5s、4d，因此钇元素的最后3个电子分别填入5s、4d能级，价电子排布式为4d15s2，故A项正确。
17．主族元素的原子失去最外层电子形成阳离子，主族元素的原子得到电子填充在最外层形成阴离子。下列各原子或离子的电子排布式错误的是( )
A．Al 1s22s22p63s23p1 B．O2－ 1s22s22p6
C．Na＋ 1s22s22p6 D．Si 1s22s22p2
答案 D
解析 Al为13号元素，其原子电子排布式为1s22s22p63s23p1，选项A正确；氧为8号元素，O2－的电子排布式为1s22s22p6，选项B正确；钠为11号元素，Na＋的电子排布式为1s22s22p6，选项C正确；硅为14号元素，原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2，选项D错误。
18．已知元素X的基态原子最外层电子排布为nsn－1npn＋2，则X元素的原子序数为( )
A．9 B．10 C．17 D．18
答案 C
解析 X的基态原子最外层电子排布为3s3－13p3＋2，为氯元素。
19．在下列所示的微粒中，氧化性最强的是( )
A．1s22s22p2 B．1s22s22p5
C．1s22s22p63s1 D．1s22s22p6
答案 B
解析 根据原子核外电子排布可知，A是C，B是F，C是Na，D是Ne，所以氧化性最强的是F。
考点五 电子云与原子轨道
20．符号3px所代表的含义是( )
A．px轨道上有3个电子
B．第三能层px轨道有3个伸展方向
C．px电子云有3个伸展方向
D．第三能层沿x轴方向伸展的p轨道
答案 D
解析 p能级有3个轨道，沿x、y、z三个不同的方向延伸，3px所代表的含义是第三能层沿x轴方向伸展的p轨道，最多只容纳2个电子。
21．下列说法中正确的是( )
A．s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形状
B．p电子云的形状是对顶双球
C．L能层有d轨道
D．2d能级包含5个原子轨道，最多容纳10个电子
答案 A
解析 s电子云是球形对称的，因此s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形状，A正确；p电子云是哑铃形，B错误；L电子层只有2s、2p两个能级，无d轨道，C错误；从第三电子层开始出现d能级，即没有2d能级，D错误。
22．下列说法正确的是( )
A．因为p轨道是“8”字形的，所以p电子是“8”字形
B．能层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道
C．氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一个轨道
D．原子轨道与电子云都是用来形象描述电子运动状态的
答案 D
解析 A项，p轨道是哑铃形，是说的电子出现概率高的“区域”的形状；B项，能层数为3时，共有9个轨道；C项，氢原子中有一个电子，但轨道是人们规定的，可以是空轨道。
考点六 核外电子排布式与轨道表示式
23．下列叙述正确的是( )
A．可能存在基态核外电子排布为1s22s22p63s23p64s24p1的原子
B．在氢原子的电子云图中，小黑点的疏密程度表示电子在该区域出现的概率密度
C．当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相反
D．1个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且自旋方向相同
答案 B
解析 A中原子的核外电子排布应该为1s22s22p63s23p63d14s2；当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同；一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，且自旋方向相反，所以A、C、D错误。
24．下列各基态原子的核外电子排布式表示正确的是( )
A．钠原子：1s22s22p7
B．铜原子：1s22s22p63s23p63d94s2
C．铁原子：1s22s22p63s23p63d8
D．氪原子：1s22s22p63s23p63d104s24p6
答案 D
解析 违背了泡利原理，应该是1s22s22p63s1，A错误；等价轨道在全空、半满、全满时是稳定状态，应该是1s22s22p63s23p63d104s1，B错误；违背了能量最低原理，应该是1s22s22p63s23p63d64s2，C错误。
25．下列电子排布式或轨道表示式正确的是( )
A．C的轨道表示式：
B．Ca的电子排布式：1s22s22p63s23p63d2
C．N的轨道表示式：
D．Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6
答案 D
考点七 核外电子排布规则的应用
26．下列微粒中，最外层未成对电子数最多的是( )
A．S B．As C．Mn D．Fe3＋
答案 D
解析 各微粒的未成对电子数分别为：S：2个，As：3个，Mn：5个，Fe3＋：5个，但Mn的最外层电子排布式为4s2。
27．下列表达式错误的是 ( )
A．甲烷的电子式：
B．氮原子的L层电子的轨道表示式：
C．碳-12原子：eq \\al(12, 6)C
D．S2－的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4
答案 D
28．基态原子的4s能级中只有1个电子的元素共有( )
A．1种 B．2种 C．3种 D．8种
答案 C
解析 基态原子4s能级中只有1个电子的元素有：K、Cr、Cu。
29．A原子的结构示意图为，则X、Y及该原子3d能级上的电子数不可能的组合是( )
A．18、8、0 B．20、8、0
C．25、13、5 D．30、18、10
答案 A
30．具有如下电子层结构的原子，其相应元素一定属于同一主族的是( )
A．3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子
B．3p轨道上只有1个空轨道的原子和4p轨道上只有1个空轨道的原子
C．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s22p6的原子
D．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s2的原子
答案 B
解析 p轨道有3个原子轨道，最多可以容纳6个电子，根据电子排布的泡利不相容原理和洪特规则，当p轨道上有2个电子或4个电子时，p轨道上有2个未成对电子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A不符合题意；p轨道上有1个空轨道，说明另外两个轨道各容纳了1个电子，加上s轨道上的2个电子，最外层是4个电子，属于第ⅣA族元素，故B符合题意；最外层电子排布式为1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有气体元素，但不属于主族元素，故C错误；最外层电子排布式为1s2的原子为He，位于0族，而最外层电子排布为2s2的原子是Be，属于第ⅡA族元素，故D错误。
能级符号
ns
np
nd
nf
轨道数目
1
3
5
7
电子排布式
含义
用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的 电子数 ，这就是电子排布式
意义
能直观反映出核外的电子层、能级及各能级上的电子数
实例
K： 1s22s22p63s23p64s1
简化电子排布式
含义
为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加 方括号 表示
意义
避免书写电子排布式过于繁琐
实例
K： [Ar]4s1
轨道表示式
含义
每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个 电子
意义
能直观反映出电子的排布情况及电子的 自旋 状态
实例
Al：