高中化学人教版 (2019)选择性必修2第一节 原子结构第1课时导学案

第一节　原子结构

基础课时1　能层与能级　构造原理与电子排布式

一、能层与能级

1．能层

(1)核外电子按能量不同分成能层并用符号K、L、M、N、O、P、Q表示。

(2)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)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

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。

② s、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。

微点拨：(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<np<nd<nf。

(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……

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)能层就是电子层。 (√)

(2)不同能层，s能级的能量相同。 (×)

(3)s能级的能量一定比p能级的能量低。 (×)

(4)各能级最多可容纳的电子数按s、p、d、f……的顺序依次为1、3、5、7……的2倍。              (√)

　若n＝3，以下能级符号错误的是(　　)

A．np　　　B．nd　　　C．nf　　　D．ns

C　[每一能层含有的能级数与其能层序数相等，则n＝3时，能层序数为3，则有3s、3p、3d能级，不存在3f能级，从n＝4时开始出现f能级，C错误。]

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，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

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。

微点拨：(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。

　金属的焰色试验中，一些金属元素呈现不同的焰色的原因是什么？

[提示]　激发态原子中的电子跃迁到低能级时，多余的能量以光的形式释放出来。释放的能量不同，光的颜色不同。

三、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：

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)电子排布式中能级符号右上角的数字表示该能级的电子数。如：铝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。

　为什么原子的最外层、次外层及倒数第三层容纳的电子数目分别不超过8、18、32?

[提示]　ns、np、nd、nf……能级最多可容纳的电子数目依次为1、3、5、7……的2倍。根据构造原理知，原子的最外层由ns、np两个能级构成，排满时排1×2＋3×2＝8个电子；次外层由(n－1)s、(n－1)p、(n－1)d三个能级构成，排满时排1×2＋3×2＋5×2＝18个电子；倒数第三层由(n－2)s、(n－2)p、(n－2)d、(n－2)f四个能级构成，排满时排1×2＋3×2＋5×2＋7×2＝32个电子，故原子的最外层、次外层及倒数第三层容纳的电子数目分别不超过8、18、32。

　请根据构造原理，写出下列原子的电子排布式：

(1)16S_______________________________________________。

(2)10Ne_______________________________________________。

(3)20Ca_______________________________________________。

(4)26Fe_______________________________________________。

(5)29Cu______________________________________________。

(6)11Na_______________________________________________。

[解析]　根据原子核外电子的排布规律和构造原理书写原子的电子排布式，应注意从3d能级开始出现“能级交错”现象。

[答案]　(1)1s22s22p63s23p4　(2)1s22s22p6　(3)1s22s22p63s23p64s2　(4)1s22s22p63s23p63d64s2　(5)1s22s22p63s23p63d104s1　(6)1s22s22p63s1

材料1　亨利·莫斯莱和巴克拉首次于X­射线吸收研究的实验中发现电子层。巴克拉把它们称为K、L、M(以英文字母排列)等(最初K和L电子层名为B和A，改为K和L的原因是预留空位给未发现的电子层)。

材料2　1913年，丹麦科学家玻尔提出了氢原子模型，1920年，他正式提出了构造原理，即从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入原子核外“壳层”的顺序。5年后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，理清了核外电子的可能状态。

[问题1]　电子层(能层)能理解为电子在核外一薄层空间内运动吗？

提示：电子层(能层)不能理解为电子在核外一薄层空间内运动，而是按电子能量不同来划分的。

[问题2]　同一能层的电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量。这句话是否正确？

提示：正确。通常状况下，同一能层的电子，根据能量高低分为不同的能级，各能级电子只能在特定的、分立的轨道上运动，同一能级的电子的能量相同。

[问题3]　电子可以在不同的轨道间发生跃迁。这句话是否正确？

提示：正确。电子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级形成吸收光谱，处于较高能级的电子可跃迁到低能级形成发射光谱。

1．能层与能级类似楼层与楼梯之间的关系，能层是楼层，能级是楼梯的阶级，如图所示。

2．能量规律

(1)在任一个能层中，能级符号顺序为ns、np、nd、nf……(n代表能层序数)，能量依次升高，即在第n层中，不同能级的能量大小顺序是E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……

(2)不同能层，英文字母相同的能级，n越大，能量越高，如E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)……

1．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

D　[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。]

2．下列说法正确的是(　　)

A．第三能层只有s、p两个能级

B．在基态多电子原子中，p轨道电子能量一定高于s轨道电子能量

C．第三能层最多容纳8个电子

D．无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2

D　[第三能层有s、p、d三个能级，A错误；同一能层中的p轨道电子的能量一定比s轨道电子能量高，但能层较高的s轨道电子能量则比能层低的p轨道电子能量高，B错误；每个能层最多可容纳的电子数是2n2，第三能层最多容纳18个电子，C错误；s能级最多容纳的电子数为2，D正确。]

查阅元素周期表可知Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，Cu的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1。

[问题1]　分析Cr、Cu的电子排布式，思考电子排布式的书写顺序与核外电子填充顺序一定相同吗？

提示：不一定相同，电子排布式的书写按电子层由里到外和s、p、d顺序，而核外电子填充顺序是按构造原理。过渡元素电子排布式的书写与电子填充顺序不一致。

[问题2]　所有元素的原子核外电子排布都符合构造原理吗？

提示：1～36号元素中，只有Cr、Cu两种元素基态原子的电子填充顺序与构造原理不符合。

[问题3]　元素周期表中钠的电子排布式写成[Ne]3s1，方括号里的符号是什么意义？模仿写出8号、14号、26号元素简化的电子排布式。

提示：方括号里符号的意义是稀有气体元素原子的结构，表示该元素前一周期的稀有气体元素原子的电子排布结构；O：[He]2s22p4；Si：[Ne]3s23p2；Fe：[Ar]3d64s2。

1．基态原子的核外电子排布

(1)绝大多数元素的原子核外电子的排布顺序遵循构造原理。

(2)“能级交错”现象：当出现d轨道时，电子按ns、(n－1)d、np的顺序在原子轨道上排布；当出现f轨道时，电子按ns、(n－2)f、(n－1)d、np的顺序在原子轨道上排布。从第三能层开始，各能级不完全遵循能层顺序，产生了能级交错排列，即产生“能级交错”现象。

2．电子排布式书写

(1)“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。

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……

第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子。

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。

(2)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。

(3)特例

Cr：[Ar]3d54s1、Cu：[Ar]3d104s1。

3．离子的电子排布式书写

基态原子转化为相应离子时的一般规律：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。

1．下列有关构造原理的说法错误的是(　　)

A．原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序一般为3p→4s→3d

B．某基态原子部分核外电子的排布式为3s24s2

C．在多电子原子中，电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级

D．从第三能层开始出现能级交错现象，即电子填入能级的顺序与能层顺序不同

B　[根据构造原理判断，A项正确；根据构造原理可知，3s与4s能级之间还有3p能级，B项错误；电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级，如某些过渡元素，C项正确；从M能层开始，电子填入的顺序是3s→3p→4s→3d……与能层的顺序不同，D项正确。]

2．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)

B　[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。]

3．下列原子或离子的核外电子排布式，正确的是(　　)

A．16S2－：1s22s22p63s23p4

B．21Sc：1s22s22p63s23p64s23d1

C．18Ar：1s22s22p63s23p6

D．9F：2s22p5

C　[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；选项D是F的最外层电子(价层电子)排布式，不符合题意。]

4．有几种粒子的核外电子排布式均为1s22s22p63s23p6，回答下列问题：

(1)某粒子一般不与其他粒子反应，这种粒子的符号是__________。

(2)某粒子的盐溶液能使溴水褪色，并出现浑浊，这种粒子的符号是__________。

(3)某粒子氧化性很弱，但得到电子后还原性很强，且对应原子只有一个单电子，这种粒子的符号是__________。

(4)某粒子还原性虽弱，但失去电子后氧化性很强，且对应原子得到一个电子即达到稳定结构，该粒子的符号是__________。

[解析]　符合题给核外电子排布式的粒子有S2－、Cl－、Ar、K＋、Ca2＋等。(1)很难发生化学反应的应为稀有气体Ar。(2)能使溴水褪色且出现浑浊的应为还原性较强的S2－，发生反应的离子方程式为S2－＋Br2===S↓＋2Br－。(3)氧化性很弱，得一个电子后变为原子且还原性很强的应为K＋。(4)还原性弱，失去电子后氧化性很强，且对应原子得到一个电子即达到稳定结构，该粒子应为Cl－。

[答案]　(1)Ar　(2)S2－　(3)K＋　(4)Cl－

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<np，最后要把同一能层的不同能级移到一起。

1．下列关于原子核外电子的运动状态的说法正确的是(　　)

A．能层就是电子层

B．不同能层的s能级能量相同

C．s能级的能量一定比p能级的低

D．3p3表示3p能级只能填充3个电子

A　[能层就是电子层，A项正确；不同能层的s能级能量不同，如E(1s)<E(2s)，B项错误；s能级的能量不一定比p能级的低，如E(4s)>E(3p)，C项错误；3p3表示3p能级上填充了3个电子，而3p能级上最多可填充6个电子，D项错误。]

2．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

B　[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。]

3．下列说法不正确的是(　　)

A．焰色试验是化学变化

B．在现代化学中，常利用光谱分析法来鉴定元素

C．同一原子处于激发态时的能量一定大于其处于基态时的能量

D．焰色试验中观察到的特殊焰色是金属原子的电子从激发态跃迁到基态时产生的光的颜色

A　[焰色试验是物理变化，A项错误；不同元素的特征谱线不同，故可以利用光谱分析法来鉴定元素，B项正确；基态是原子能量最低时的状态，C项正确；焰色试验中观察到的特殊焰色是金属原子的电子从激发态跃迁到基态时产生的光的颜色，D项正确。]

4．下列是某些元素的最外层电子排布式，各组指定的元素原子间不能形成AB2型化合物的是(　　)

A．2s22p2和2s22p4

B．3s23p4和2s22p4

C．3s2和2s22p5

D．3s1和3s23p2

D　[A项中元素分别为C和O，能形成CO2；B项中元素分别为S和O，能形成SO2；C项中元素分别为Mg和F，能形成MgF2；D项中元素分别为Na和Si，不能形成AB2型化合物，故选D。]

5．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。

(1)A元素原子核外M层电子数是L层电子数的一半：_______。

(2)B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＋、N3－的电子排布式分别为____________、______________、______________。

[解析]　(1) L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。(3)Ni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；氮原子序数为7，基态氮原子的电子排布式为1s22s22p3，故N3－的电子排布式为1s22s22p6。

[答案]　　(1) 1s22s22p63s23p2　(2) 1s22s22p1

(3)[Ar]3d8　[Ar]3d5　1s22s22p6