鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 原子结构与元素周期表第1课时学案

第2节　原子结构与元素周期表

第1课时　基态原子的核外电子排布

基态原子的核外电子排布原则 

1．基态原子核外电子排布要遵循的三个原则：能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则。

(1)能量最低原理

在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低。

(2)泡利不相容原理

泡利不相容原理的内容：一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋状态不同，用“↓”“↑”表示。例如，基态氦原子的轨道表示式为。

(3)洪特规则

对于基态原子，核外电子在能量相同的原子轨道上排布时，将尽可能分占不同的原子轨道并且自旋状态相同。这就是洪特规则。如碳原子的轨道表示式不是，而是 。

2．核外电子排布的表示方法

(1)电子排布式是表示原子核外电子排布的一种方式。在ns、np、nd等各能级符号的右上角用数字表示出该能级中电子的数目。如Li的电子排布式为1s22s1。

(2)轨道表示式用方框(或小圆圈、短线)表示一个原子轨道，用箭头“↑”或“↓”来区别自旋状态不同的电子，如Li的轨道表示式为 。

(3)构造原理

随着原子序数的递增，基态原子的“外层电子”按照箭头的方向依次排布在各原子轨道上：

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…，这是从实验得到的规律，适用于大多数基态原子的核外电子排布。

19～36号元素基态原子的核外电子排布

1．能量相同的原子轨道在全充满(如d10)、半充满(如d5)和全空(如d0)状态时，体系的能量较低。

2．在原子中，每个电子层最多能容纳2n2个电子，每个能级最多能容纳的电子数为其包含的原子轨道数的2倍。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)在离核最近的区域内运动的电子能量最低。(　　)

(2)同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐降低。(　　)

(3)电子排在同一能级的不同轨道上时，总是优先单独占据一个轨道。(　　)

(4)若一个原子轨道里有2个电子，则其自旋状态相同。(　　)

(5)基态Ca原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d2。(　　)

(6)N原子的轨道表示式为。(　　)

答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×

解析　(2)同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐升高。

(4)根据泡利不相容原理，若一个原子轨道里有2个电子，则其自旋状态不同。

(5)基态Ca原子的核外电子排布式为：

1s22s22p63s23p64s2。

(6)N原子的轨道表示式为：。

2．在能量相同的d轨道中电子排布成，而不排布成，最直接的根据是(　　)

A．能量最低原理  B．泡利不相容原理

C．原子轨道能级图  D．洪特规则

答案　D

解析　洪特规则是指原子核外电子在能量相同的各个轨道上排布时，电子尽可能分占不同的原子轨道且自旋状态相同，使整个原子的能量最低，故D正确。

3．下列各原子或离子的电子排布式错误的是(　　)

A．K＋　1s22s22p63s23p6   B．F　1s22s22p5

C．S2－　1s22s22p63s23p4   D．Ar　1s22s22p63s23p6

答案　C

解析　s能级最多可容纳2个电子，p能级有3个轨道，最多可容纳6个电子，电子总是优先从能量低的能级排列，其中S2－是硫原子得两个电子形成的稳定结构，所以第三能层中的电子排布应为3s23p6。

4．下列轨道表示式能表示氮原子的最低能量状态的是(　　)

答案　C

解析　2p轨道上的3个电子应分别占据1个轨道，不符合洪特规则，A错误；2p轨道上的3个电子的自旋状态不同，不符合洪特规则，B错误；2p轨道上只有2个电子，不是氮原子的轨道表示式，D错误。

探究一　基态原子的核外电子排布原则

1．“基态”的含义是什么？核外电子排布的首要原则是什么？

提示：“基态”就是最稳定状态，也就是整个原子的能量处于最低状态；核外电子在原子轨道上的排布首先要遵循能量最低原则，即：电子先占据能量低的轨道，再依次进入能量高的轨道。

2．n值小的能级的轨道的能量一定小于n值大的能级的轨道的能量吗？

提示：不一定。

①能级相同时，电子层数愈大，原子轨道能量愈高，如E3p>E2p。

②电子层数相同时，能级愈高，原子轨道能量愈高，如E3d>E3p>E3s。

③电子层、能级不同时，核外电子在外层分布时存在原子轨道能量交错现象：如E4s<E3d<E4p，E5s<E4d<E5p。

④核外电子排布顺序：1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→…

1．原子核外电子排布要遵循三个原则

(1)能量最低原则：在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子在各原子轨道上的排布要尽可能地使整个原子体系的能量最低。

(2)泡利不相容原理：每个原子轨道中最多只能容纳两个电子且这两个电子的自旋状态不同(同一原子中不可能有运动状态完全相同的电子)。

根据泡利不相容原理，可以获得以下几个重要结论：

①每一种运动状态的电子只能有一个。

②由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道最多只能容纳两个自旋状态不同的电子。

③每个电子层中原子轨道的总数为n2个，因此，每个电子层最多能容纳2n2个电子。

(3)洪特规则：当电子排布在相同能量的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。

2．原子的核外电子排布的表示方法

能级交错指电子层序数较大的某些能级的能量反而低于电子层序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。

1．“各能级最多容纳的电子数，是该能级原子轨道数的2倍”，支撑这一结论的理论是(　　)

A．构造原理   B．泡利不相容原理

C．洪特规则   D．能量最低原理

答案　B

解析　构造原理决定了原子和离子中电子在各能级的排布，A错误；泡利不相容原理是指每个轨道(例如1s轨道、2p能级中的px轨道)最多只能容纳2个自旋状态不同的电子，故各能级最多容纳的电子数是该能级原子轨道数的2倍，B正确；洪特规则是指在能量相同的原子轨道上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋状态相同，C错误；能量最低原理是指核外电子排布时，先占据能量最低的轨道，D错误。

2．在p能级中电子排布成而不排布成，遵循的是(　　)

A．能量最低原则

B．泡利不相容原理

C．基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序

D．洪特规则

答案　D

解析　洪特规则表明，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。

能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则这三个原则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，也就是说基态原子核外电子在原子轨道上排布要同时遵循这三个原则。其中能量最低原理可叙述为在不违反泡利不相容原理的前提下，核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低。

探究二　19～36号元素基态原子的核外电子排布

　根据核外电子排布的原则和方法，你能写出基态铬原子和基态铜原子的核外电子排布式吗？

提示：Cr：1s22s22p63s23p63d54s1　

Cu：1s22s22p63s23p63d104s1

1．洪特规则特例：当同一能级上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空状态(p0、d0、f0)时，具有较低的能量和较大的稳定性。例如：基态铬原子(24Cr)的价电子排布是3d54s1(3d、4s能级均为半充满)，而不是3d44s2；基态铜原子(29Cu)的价电子排布是3d104s1(3d全充满、4s半充满)，而不是3d94s2。

2．1～20号元素基态原子的核外电子排布式的书写

在书写电子排布式时，将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中。如6C：1s22s22p2、10Ne：1s22s22p6、17Cl：1s22s22p63s23p5、19K：1s22s22p63s23p64s1。

3．21～36号元素基态原子的核外电子排布式的书写

对于较复杂的电子排布式，应先按能量最低原则从低到高排列，然后将同一电子层的电子移到一起。如26Fe：先按能量从低到高排列为1s22s22p63s23p64s23d6，然后将同一电子层的排列在一起，即该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2。

1．简化电子排布式的书写

如K：1s22s22p63s23p64s1，其简化电子排布式可表示为[Ar]4s1，其中[Ar]代表Ar的核外电子排布式，即1s22s22p63s23p6,4s1是K的最外层电子排布式。

2．简单离子的核外电子排布式的书写

先写原子的电子排布式，然后再得失电子。如O2－：先写O原子的电子排布式1s22s22p4，再得2个电子，O2－的电子排布式为1s22s22p6。

3．某元素的原子序数为33，则该元素的基态原子中能量最高的电子应排布在(　　)

A．3s能级         B．4p能级       C．4s能级      D．3p能级

答案　B

解析　原子序数为33的元素是As，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3。

4．下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原则的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利不相容原理的是________。

①Ca2＋：1s22s22p63s23p6

②F－：1s22s23p6

③P:

④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2

⑤Fe：1s22s22p63s23p63d64s2

⑥Mg2＋：1s22s22p6

⑦O:

答案　①⑤⑥　②　③④　⑦

解析　根据核外电子排布规律判断，②的错误在于电子排完2s轨道后应排能量较低的2p轨道而不是3p轨道，正确的电子排布式应为1s22s22p6。③没有遵循洪特规则，3p轨道上正确的轨道表示式应为。④忽略了能量相同的原子轨道上电子排布为半充满状态时，体系的能量较低，原子较稳定，正确的电子排布式应为1s22s22p63s23p63d54s1。⑦违反泡利不相容原理，正确的轨道表示式应为。

对于给出离子的核外电子排布式，可以通过离子所带电荷得出得到该离子时原子得(失)电子的数目，然后对已知的离子的核外电子排布式进行“复原”，即把所得的电子从离子核外电子排布式中删去(把失去的电子在已知阳离子的核外电子排布式的基础上补全)。如A3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，把失去的3个电子补全，则为1s22s22p63s23p63d64s2。

本课小结

基态原子的核外电子排布

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．第3周期元素的基态原子中，不可能出现d电子，主要依据是(　　)

A．能量守恒原理

B．泡利不相容原理

C．洪特规则

D．3d轨道能量比4s轨道高

答案　D

解析　核外电子排布遵循能量最低原理，电子总是先排布在能量低的能级，然后再排布在能量高的能级，由于3d轨道能量比4s轨道能量高，当排满3p能级后，电子优先填充4s能级，再填充3d能级，故第三周期元素的基态原子中不可能出现d电子，D正确。

2．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(　　)

答案　D

解析　能量处于最低状态的原子为基态原子，其核外电子排布应遵循能量最低原理、泡利不相容原理与洪特规则。A项，不遵循能量最低原理，错误；B项，不遵循能量最低原理，错误；C项，不遵循洪特规则，错误；D项，遵循能量最低原理、泡利原理与洪特规则，正确。

3．以下是一些原子的2p能级和3d能级中电子排布的情况，其中违反了洪特规则的是(　　)

①　②　③

④　⑤　⑥

A．④⑥   B．②③

C．②④⑤   D．②③④⑤

答案　B

解析　②能量相同的不同轨道上排布的单电子的自旋状态应相同，违反了洪特规则；③电子应优先占据不同的轨道，违反了洪特规则，B正确。

4．下列电子排布图正确的是(　　)

A．基态镁原子的核外电子排布图：

B．基态氧原子L层电子排布图：

C．硫原子的电子排布图：

D．基态铜原子的价电子排布图：

答案　A

解析　基态镁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s2，所以核外电子排布图为，A正确；基态氧原子的L层2p轨道应有4个电子，则L层的电子排布图为，B错误；硫原子3p能级中的3个电子优先分别占据1个轨道，且自旋状态相同，第4个电子占据3p能级中的一个轨道，且同一轨道内2个电子的自旋状态不同，故3p能级电子排布图应该为，C错误；Cu的原子序数为29，价电子排布式为3d104s1，故基态铜原子的价电子排布图为，D错误。

5．下列各原子或离子的电子排布式错误的是(　　)

A．Na＋：1s22s22p6

B．F：1s22s22p5

C．Cl－：1s22s22p63s23p5

D．Mn：1s22s22p63s23p63d54s2

答案　C

解析　Na元素原子核外有11个电子，失去1个电子形成Na＋，则Na＋的电子排布式为1s22s22p6，A正确；F原子的电子排布式为1s22s22p5，符合能量最低原理，B正确；Cl元素的原子核外有17个电子，得到1个电子形成Cl－，故Cl－的电子排布式为1s22s22p63s23p6，C错误；Mn原子核外电子数为25，电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，符合能量最低原理，D正确。

6．下列电子排布式或轨道表示式正确的是(　　)

A．C原子的轨道表示式：

B．Ca原子的核外电子排布式：1s22s22p63s23p63d2

C．N原子的轨道表示式：

D．Br－的核外电子排布式：[Ar]3d104s24p6

答案　D

解析　A项，C原子的轨道表示式违背洪特规则；B项，Ca原子的核外电子排布式违背能量最低原理；C项，N原子的轨道表示式违背泡利不相容原理。

7．下列有关核外电子排布的式子不正确的是(　　)

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：

D．Si原子的电子排布图：

答案　D

解析　24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，这样排布可以满足洪特规则特例，且能量最低，A正确；K原子核外有19个电子，故其简化电子排布式为[Ar]4s1，B正确；N原子核外有7个电子，其电子排布图为，C正确；Si原子3p能级的电子排布遵循洪特规则，应该是，D不正确。

8．已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X与Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成－1价离子，下列说法正确的是(　　)

A．X元素原子基态时的核外电子排布式为[Ar]4s24p3

B．X元素是第4周期第ⅤA族元素

C．Y元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p2

D．Z元素是金属元素

答案　B

解析　X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，所以X是砷，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，所以Y是碳或氧，X与Y可形成化合物X2Y3，所以Y是氧，X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，所以Z是氢。X元素原子基态时的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p3，故A错误；X元素是第4周期第ⅤA族元素，故B正确；Y元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p4，故C错误；H元素为非金属元素，故D错误。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．已知Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1，通常可把内层已达稀有气体元素原子的电子层结构的部分写成“原子实”，如Na的核外电子排布式可写成[Ne]3s1。用“原子实”表示的30号元素锌的原子核外电子排布式正确的是(　　)

A．[Ne]3d104s2   B．[Ar]3d104s24p2

C．[Ar]3d84s24p2   D．[Ar]3d104s2

答案　D

解析　根据基态原子的核外电子排布原则可知，锌元素原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2，除3d104s2外，锌原子内层电子的排布与稀有气体元素原子Ar的电子排布相同，因此锌原子的核外电子排布式可写为[Ar]3d104s2。

10．下列各组指定的元素，能形成AB2型化合物的是(　　)

A．[He]2s22p2和[He]2s22p4

B．[Ne]3s23p4和[He]2s22p4

C．[Ne]3s1和[He]2s22p5

D．[Ne]3s1和[Ne]3s23p4

答案　AB

解析　核外电子排布式为[He]2s22p2的元素为C，核外电子排布式为[He]2s22p4的元素为O，二者可形成CO2，A符合题意；核外电子排布式为[Ne]3s23p4的元素为S，核外电子排布式为[He]2s22p4的元素为O，二者可形成SO2，B符合题意；核外电子排布式为[Ne]3s1的元素为Na，核外电子排布式为[He]2s22p5的元素为F，二者可形成NaF，C不符合题意；核外电子排布式为[Ne]3s1的元素为Na，核外电子排布式为[Ne]3s23p4的元素为S，二者可形成Na2S，不能形成AB2型化合物，D不符合题意。

11．下列关于最外层电子排布式为3s23p4的原子的描述正确的是(　　)

A．该原子核外有三种形状不同的电子云

B．该原子核外电子共有16种不同的运动状态

C．该原子形成的单质可与H2反应生成常温下为气态的化合物

D．基态该原子的轨道表示式为

答案　BC

解析　最外层电子排布式为3s23p4的元素是16号元素S，具有s和p能级，因此该原子的电子云形状有两种，分别是球形和哑铃形，A错误；S原子核外具有16个电子，有16种不同的运动状态，B正确；硫和氢气化合生成的硫化氢在常温下是气体，C正确；电子排布在同一能级的不同轨道上时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋状态相同，所以3p能级上轨道表示式违反洪特规则，D错误。

12．第4周期元素的基态原子中，4s能级只有1个电子的共有(　　)

A．1种   B．2种 

C．3种   D．4种

答案　C

解析　4s能级只有1个电子，即4s1，该原子4s能级未填满，情况之一是按照构造原理的能级顺序正常填充的结果：1s22s22p63s23p64s1，为K元素；情况之二是按照洪特规则的特例，即原子轨道处于全充满、半充满或全空时能量最低填充的结果，有1s22s22p63s23p63d54s1、1s22s22p63s23p63d104s1，分别为Cr元素和Cu元素，所以第4周期元素的基态原子中，4s能级中只有1个电子的共有3种，故C正确。

三、非选择题(本题共3小题)

13．(1)写出下列元素基态原子的电子排布式：

①Co___________________________________________________________；

②Cu___________________________________________________________。

(2)画出下列元素原子的轨道表示式(电子排布图)：

①N___________________________________________________________；

②F___________________________________________________________。

答案　(1)①1s22s22p63s23p63d74s2　

②1s22s22p63s23p63d104s1

(2)①　②

解析　(1)①Co原子序数是27，核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2；②Cu的原子序数是29，核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1。

(2)①N的原子序数是7，原子轨道表示式为；②F的原子序数是9，原子轨道表示式为。

14．已知某粒子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p6，回答下列问题：

(1)若该粒子为电中性粒子，则这种粒子的符号是________。

(2)若该粒子形成的盐溶液能与溴水反应使溴水褪色，并出现浑浊，则这种粒子的符号是________。

答案　(1)Ar　(2)S2－

解析　(1)符合题述核外电子排布式的电中性粒子应为稀有气体元素原子Ar。

(2)使溴水褪色，应为还原性较强的S2－，发生如下反应：S2－＋Br2===S↓＋2Br－。

15．A、B、C、D、E代表5种元素。请填空：

(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，其元素符号为________。

(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子层结构都与氩原子的相同，B的元素符号为________，C的元素符号为________。

(3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满状态，D的元素符号为________，其基态原子的核外电子排布式为_______________________________________。

(4)E元素基态原子的M层全充满，N层只有一个电子，E的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为________________________________。

答案　(1)N　(2)Cl　K　(3)Fe

1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)

(4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)

解析　(1)次外层有2个电子，则次外层为K层，L层为最外层，有3个未成对电子，即2p轨道中有3个电子，故该元素的核外电子排布式为1s22s22p3，故该元素为N。

(2)氩原子的核电荷数为18，B－与C＋的核外电子数均为18，故B为Cl，C为K。

(3)3d能级为半充满状态，即3d5，故D3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，故D为Fe，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)。

(4)M层全充满，则K、L、M层上分别有2、8、18个电子，N层只有一个电子即4s轨道中只有1个电子，故E为Cu，其核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)。