人教版 (2019)第一节 原子结构优质学案

能层与能级　构造原理与电子排布式

【学习目标】

1、掌握核外电子能层与电子层的关系，能级的分布

2、能根据构造原理写出1～36号元素的核外电子排布

3、知道原子的基态、激发态与光谱之间的关系

【主干知识梳理】

一、能层与能级

1、能层

(1)含义：根据多电子原子的核外电子的能量差异，将核外电子分成不同的能层(电子层)

(2)符号：能层序数一、二、三、四、五、六、七……分别用K、L、M、N、O、P、Q……表示

(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)

(4)容纳电子数：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

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

【微点拨】

①任一能层的能级总是从s能级开始，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……

②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

③s、p、d、f 各能级可容纳的电子数分别为1、3、5、7的2倍

④不同能层之间，符号相同的能级容纳的电子数相同，如：1s、2s、3s、4s均容纳2个电子

⑤在同一能层上不同能级的能量由低到高的顺序是ns<np<nd<nf

⑥不同能层中同一能级，能层序数越大，能量越高，如：1s<2s<3s<4s……

【对点训练1】

1、下列能级符号表示错误的是(　　)

A．2p       B．3f        C．4s         D．5d

2、下列关于能层与能级的说法中正确的是(　　)

A．同一原子中，符号相同的能级，其上电子能量不一定相同

B．任一能层的能级总是从s能级开始，而且能级数不一定等于该能层序数

C．同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的

D．多电子原子中，每个能层上电子的能量一定不同

3、下列说法正确的是(　　)

A．第三能层有s、p共2个能级             B．3d能级最多容纳5个电子

C．第三能层最多容纳8个电子              D．无论是哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2个

4、下列能层的能量由低到高的顺序是(　　)

A．K、M、N、L      B．M、N、Q、P         C．L、M、N、O      D．M、N、P、O

5、下列各微粒中，各能层电子数均达到2n2 的是(　　)

A．Ne，Ar            B．F－，Mg2＋                   C．Al，O2－              D．Cl－，Ar

二、构造原理与电子排布式

1、构造原理

(1)含义：随着原子核电荷数的递增，绝大多数元素的原子核外电子将遵循以下顺序填充到各能级中：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……这个排列顺序被称为构造原理

(2)示意图

【微点拨】

①构造原理是绝大多数基态原子的核外电子排布顺序

②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

2、电子排布式

(1)概念：将能级上所排布的电子数标注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

(2)表示方法

(3)电子排布式中各符号、数字的意义：nsx，n表示能层，s表示能级，x表示该能级上有x个电子如

如：Al原子电子排布式中各符号、数字的意义为

(4)“三步法”书写电子排布式：构造原理是书写基态原子电子排布式的依据

①第一步：按照构造原理写出电子填入能级的顺序，1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s……

②第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子

③第三步：去掉空能级，并按照能层顺序排列即可得到电子排布式

如：氮、钠、钙的电子排布式分别为1s22s22p3、1s22s22p63s1、1s22s22p63s23p64s2

3、简化的电子排布式：将电子排布式中的内层电子排布用相应的稀有气体元素符号加方括号来表示而得到的式子称为简化的电子排布式，如：氮、钠、钙的简化电子排布式分别为[He]2s22p3、[Ne]3s1、[Ar]4s2

4、离子的电子排布式书写：原子失去电子时总是先失去最外层电子，然后失去次外层电子，之后是倒数第三层电子……对于主族元素的原子来说，一般只失去最外层电子，而过渡元素的原子可能还会进一步失去内层电子；原子得到电子时，一般总是填充到最外能层未填满的能级上，如：Fe位于第四周期第Ⅷ族，其原子的核外电子排布式为[Ar]3d64s2，Fe2＋的核外电子排布式为[Ar]3d6，Fe3＋的核外电子排布式为[Ar]3d5

5、相对稳定的状态：能量相同的原子在全充满(p6、d10、f14)或半充满(p3、d5、f7)时，体系的能量较低，原子较稳定，如：24Cr存在半充满1s22s22p63s23p63d54s1 ，29Cu存在全充满 1s22s22p63s23p63d104s1

1~36号元素的原子基态电子排布式和简化电子排布式(价电子排布式用横线标示出来)

5、外围电子排布式(价电子排布)

(1)概念：将简化电子排布式中的稀有气体和中括号去掉得到的即为外围电子排布式，也叫价电子排布

(2)规律

①主族元素的最外层电子就是外围电子，又称价电子

②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

【对点训练2】

1、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)<E(3s)<E(2s)<E(1s)             D．E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d)

2、下列各离子或原子的电子排布式错误的是(　　)

A．Ca2＋：1s22s22p63s23p6                        B．O2－：1s22s22p4

C．K：1s22s22p63s23p64s1                        D．Fe3＋：1s22s22p63s23p63d5

3、电子在一个原子的下列能级中排布时，最后一个排布的是(　　)

A．ns          B．Np       C．(n－1)d        D．(n－2)f

4、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

三、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，电子会跃迁到较高能级，变为激发态原子

(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

【微点拨】

①电子从1s能级跃迁到2s、2p等能级需要吸收能量，而从较高能量的能级如2s、2p跃迁到1s时，则会放出能量。光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。日常生活中的许多可见光，如：灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关

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

2、光谱

(1)光谱的成因及分类：不同元素的原子发生跃迁时会吸收能量(基态→激发态)或释放能量(激发态→基态)，从而吸收或释放不同的光，若用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，则可确立某种元素，这些光谱总称原子光谱

(2)光谱分析：不同元素的原子光谱都是特定的，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

【微点拨】

①利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素，如：科学家们通过太阳光谱的分析发现了稀有气体氦，化学研究中利用光谱分析检测一些物质的存在与含量

②光谱仪可以测量物质发射或吸收光波的波长，拍摄各种光谱图，光谱图就像“指纹”辨认一样，可以辨别形成光谱的元素

【对点训练3】

1、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．①②  B．②③  C．①③  D．②④

2、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

3、当镁原子由1s22s22p63s2跃迁到1s22s22p63p2时，以下认识正确的是(　　)

A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收热量

B．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中释放热量

C．转化后位于p能级上的两个电子的能量没有发生任何变化

D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似

4、以下现象与原子核外电子的跃迁有关的是(　　)

①冷却结晶　②棱镜分光　③激光器产生激光　④石油蒸馏　⑤凹透镜聚光　⑥日光灯通电发光

A．③⑥       B．②④⑤           C．①③⑤⑥        D．①②③⑤⑥

5、电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取(　　)

A．电子的运动轨迹图像        B．原子的吸收光谱

C．电子体积大小的图像        D．原子的发射光谱

【课后作业】

1、下列叙述正确的是(　　)

A．能层不是电子层                              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

2、下列能层不包含d能级的是(　　)

A．O能层　　  B．N能层          C．M能层        D．K能层

3、下列有关认识正确的是(　　)

A．各能层的能级数按K、L、M、N分别为1、2、3、4  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

4、符号为M的能层所含的能级有(　　)

A．2种          B．3种          C．8种        D．18种

5、原子核外M能层最多可以容纳的电子数是(　　)

A．8             B．18           C．32         D．50

6、下列微粒符号正确的是(　　)

A．2d1            B．3f7          C．6s3         D．7p2

7、按能量由低到高的顺序，下列排列正确的是(　　)

A．1s、2p、3d、4s       B．1s、2s、3s、2p         C．2s、2p、3s、3p       D．4p、3d、4s、3p

8、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

9、4p轨道填充一半的元素，其原子序数是(　　)

A．15       B．33         C．35              D．51

10、表示一个原子在第三个能层上有10个电子可以写成(　　)

A．3s10         B．3d10         C．3s23p63d2        D．3s23p53d3

11、电子在一个原子的下列能级中排布时，最后一个排布的是(　　)

A．Ns          B．Np          C．(n－1)d          D．(n－2)f

12、下面是某些元素的最外层电子排布，各组指定的元素，不能形成AB2型化合物的是(　　)

A．2s22p2和2s22p4   B．3s23p4和2s22p4

C．3s2和2s22p5   D．3s1和3s23p2

13、若某元素基态原子的简化电子排布式为[Kr]4d15s2，则下列说法正确的是(　　)

A．该元素基态原子中共有3个电子            B．该元素原子核外有5个电子层

C．该元素原子最外层共有3个电子            D．该元素原子M能层共有8个电子

14、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

15、图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是(　　)

16、下列说法正确的是(　　)

A．处于最低能量的原子叫作基态原子

B．基态镁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s13p1

C．焰色反应是金属原子从基态跃迁到激发态时，将能量以光能的形式释放出来

D．甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱

17、A、B、C、D分别代表四种不同的短周期元素。A元素的原子最外层电子排布式为ns1，B元素的原子价电子排布式为ns2np2，C元素的最外层电子数是其电子层数的3倍，D元素原子的M电子层的p能级中有3个电子。

(1)C原子的电子排布式为________，若A元素的原子最外层电子排布式为1s1，则A与C形成的阴离子的电子式为__________

(2)当n＝2时，B的原子结构示意图为________

(3)若A元素的原子最外层电子排布式为2s1，元素A在周期表中的位置是________

18、按要求填空：

(1)根据构造原理写出下列基态原子或离子的核外电子排布式

①A元素原子核外M层电子数是L层电子数的一半：______________________

②B元素原子的最外层电子数是次外层电子数的1.5倍：________________

③基态Ni2＋、Fe3＋、S2－的电子排布式分别为________、________、________

(2)某元素的最外层电子排布式是4s24p5，则其元素符号为________

(3)基态Ti2＋中，电子占据的最高的能层符号________，该能层有________个能级

(4)写出基态砷原子的电子排布式________，砷位于元素周期中第________周期，第________族

19、下表列出了核电荷数为21～25的元素的最高正化合价，回答下列问题：

(1)写出下列元素基态原子的核外电子排布式：

Sc___________________________________；Ti______________________________________；

V____________________________________；Mn_____________________________________

(2)已知基态铬原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1，并不符合构造原理。人们常常会碰到客观事实与理论不相吻合的问题，当你遇到这样的问题时，你的态度是__________________________________

(3)对比上述五种元素原子的核外电子排布与元素的最高正化合价，你发现的规律是________________________

__________________；出现这一现象的原因是____________________________________________________

【能层与能级　构造原理与电子排布式】答案

【对点训练1】

1、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。

2、A。解析：同一原子中，符号相同的能级，其上电子能量不一定相同，如1s和2s，能量2s＞1s，A正确；能层含有的能级数等于能层序数，即第n能层含有n个能级，每一能层总是从s能级开始，B错误；同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数都是2个，C错误；多电子原子中，同一能级上电子的能量相同，D错误。

3、D。解析：每一能层包含的能级数等于该能层的序数，故第三能层有s、p、d三个能级，A错；s、d能级最多容纳的电子数分别是2、10，故B错、D正确；每一能层最多容纳的电子数为2n2，第三能层最多容纳18个电子，故C错。

4、C。解析：能层的能量由低到高的顺序为K、L、M、N、O、P、Q。

5、B。解析：A项，Ar的原子结构示意图为，第三层为8电子，并不是2n2＝2×32＝2×9＝18电子；C项，Al的第三层为3电子，不是18电子；D项，Cl－和Ar原子的第三层，均为8电子，不是18电子。

【对点训练2】

1、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。

2、B。解析：已知O原子的电子排布式为1s22s22p4，故O2－的电子排布式为1s22s22p6，B项错误。

3、B。解析：根据原子中上述能级的能量高低顺序：ns<(n－2)f<(n－1)d<np，所以最后一个排布的应是能量最高的能级，应为np能级。可见，解此类题，应从构造原理入手，判断出能级的能量高低。电子在排布时应先进入能量低的能级，填满后再进入能量高的能级。

4、D。解析：根据构造原理可知，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原子Ar的电子排布相同，因此锌的核外电子排布式可写为[Ar]3d104s2。

【对点训练3】

1、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。

2、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。

3、A。解析：由原子核外电子排布可知，内层电子没有变化，只有最外层电子由3s2变为3p2，在同一能层中，E(s)<E(p)，说明电子能量增大，吸收能量，原子由基态转化为激发态。

4、A。解析：激光器、日光灯等工作过程中产生的光，都是基态原子吸收能量后核外电子跃迁到较高能级，然后电子从较高能级跃迁到较低能级的过程中释放出的光能。石油蒸馏、冷却结晶的过程都是物质发生物理变化的过程，其中伴随的能量变化是热能的变化，棱镜分光、凹透镜聚光都是光的折射现象，而不是光的产生。

5、B。解析：能量E(3d)＜E(4p)，故电子由3d能级跃迁到4p能级时，要吸收能量，形成吸收光谱。

【课后作业】

1、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)<E(2s)<E(3s)……。

2、D。解析：多电子的原子中，同一能层的电子可分为不同的能级，K能层只有s能级，L层有s、p能级，从M能层开始有d能级。]

3、A。解析：各能层中的能级数等于其所处的能层数，即当n＝1时，它只有一个s能级，当n＝2时，含有两个能级分别为s、p能级，所以B、C都不正确；D选项中每个能层最多能容纳2n2个电子，但不是一定含有2n2个电子。

4、B。解析：M能层包含的能级为3s、3p、3d，共3种。

5、B。解析：每个能层最多可容纳2n2(n为该能层序数)个电子。M能层最多可以容纳的电子数为2×32＝18。

6、D。解析：L层只有s、p两个能级，没有d能级，A错误；M层只有s、p、d三个能级，没有f能级，B错误；s能级只有一个轨道，最多只能容纳2个电子，C错误；Q层有p能级，p能级有3个轨道，最多容纳6个电子，D正确。

7、C。解析：相同电子层上的原子轨道能量高低：ns<np<nd<nf；形状相同的原子轨道能量高低：1s<2s<3s<4s；另外还有能级交错问题。A项中1s<2p<4s<3d；B项中1s<2s<2p<3s；D项中3p<4s<3d<4p。

8、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。

9、B。解析：4p轨道填充一半的元素，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3，原子序数为33。

10、C。解析：第三能层有3s、3p、3d能级，根据构造原理知10个电子应排布为3s23p63d2。

11、B。解析：根据原子中上述能级的能量高低顺序：ns<(n－2)f<(n－1)d<np，所以最后一个排布的应是能量最高的能级，应为np能级。可见，解此类题，应从构造原理入手，判断出能级的能量高低。电子在排布时应先进入能量低的能级，填满后再进入能量高的能级。]

12、D。解析：A项为C和O，能形成CO2；B项为S和O，能形成SO2；C项为Mg和F，能形成MgF2；D项为Na和Si，不能形成AB2型化合物，故选D。

13、B。解析：根据构造原理，该元素基态原子的电子式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2。由此可知该元素原子中共39个电子，分为5个能层，其中M能层上有18个电子，最外层上有2个电子。

14、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。

15、D。解析：燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得的光能都是电子跃迁时能量以光的形式释放出来导致的，而平面镜成像则是光线反射的结果。

16、A。解析：基态镁原子的核外电子排布式应为1s22s22p63s2，B项错误；焰色反应是金属原子从激发态跃迁到基态时，能量以光能的形式释放出来，C项错误；甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气后，得到的是乙物质的吸收光谱，D项错误。

17、(1)1s22s22p4　　

(2)

(3)第二周期第ⅠA族

解析：由C元素的最外层电子数是其电子层数的3倍，推出C为O；D元素原子的M电子层的p能级中有3个电子，推出D是P；若n＝2，则B的价电子排布式为2s22p2，B为碳元素；若A元素的原子最外层电子排布式为2s1，元素A为Li，在周期表中的位置是第二周期第ⅠA族。

18、(1)①1s22s22p63s23p2　②1s22s22p1　③[Ar]3d8　[Ar]3d5　1s22s22p63s23p6　

(2)Br　

(3)M　3　

(4)[Ar]3d104s24p3　四　ⅤA

解析：(1)①L层有8个电子，则M层有4个电子，故A为硅。②当次外层为K层时，最外层电子数则为3，则B为硼；当次外层为L层时，最外层电子数为1.5×8＝12，违背了排布规律，故不可能。③Ni的原子序数为28，根据构造原理，基态Ni原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2，故Ni2＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d8；基态Fe原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，故Fe3＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5；硫原子序数为16，基态硫原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4，故S2－的电子排布式为1s22s22p63s23p6。

(2)根据价电子排布式可知该元素有4个电子层，最外层有7个电子，位于元素周期表的第四周期第ⅦA族，为Br元素。

(3)Ti的原子序数为22，基态Ti原子的电子排布式为[Ar]3d24s2，故基态Ti2＋的电子排布式为[Ar]3d2，电子占据的最高能层符号为M，该能层有3s、3p、3d 3个能级。

(4)砷的原子序数为33，基态As原子的电子排布式为[Ar]3d104s24p3，位于第四周期，第ⅤA族。

19、(1)1s22s22p63s23p63d14s2(或[Ar]3d14s2)     1s22s22p63s23p63d24s2(或[Ar]3d24s2)

1s22s22p63s23p63d34s2(或[Ar]3d34s2)      1s22s22p63s23p63d54s2(或[Ar]3d54s2)

(2)尊重客观事实，注重理论适用范围，掌握特例(或其他合理答案)

(3)五种元素的最高正化合价数值都等于各元素基态原子的最高能层s电子和次高能层d电子数目之和　

能级交错使得d电子也参与了化学反应

解析：(1)根据构造原理即可解答。(3)过渡元素的最高正化合价与主族元素不同，因为过渡元素在化学反应中，次外层上的电子也可能参与化学反应。