高中化学第2节 原子结构与元素周期表第1课时学案

第1课时　基态原子的核外电子排布

课程标准

能结合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则书写常见元素(1～36号)基态原子的核外电子排布式和轨道表示式，并说明含义。

学法指导

1.通过探讨1～18号元素基态原子的核外电子排布，充分理解能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。

2．通过掌握基态原子的核外电子排布规律，书写1～36号元素基态原子的核外电子排布式、价电子排布式和轨道表示式，并能说明其含义。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一基态原子的核外电子排布规律

1.电子排布规律

2.原子核外电子排布表示方法

微点拨

能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，也就是说，基态原子的核外电子在原子轨道上的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。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)基态铝原子的核外电子排布式若为1s22s22p63s13p2违背了洪特规则。(　　)

(2)原子轨道能量的相对大小为E(4s)＞E(3d)＞E(3p)＞E(3s)。(　　)

(3)碳原子的轨道表示式为。(　　)

(4)每个电子层最多容纳2n2个电子。(　　)

(5)Si的电子排布式为。(　　)

(6)N的轨道表示式为。(　　)

2．下面表示锂原子结构的化学用语中，对核外电子运动状态描述最详尽的是(　　)

知识点二19～36号元素基态原子的核外电子排布

1.构造原理

基态原子核外电子在原子轨道上的排列顺序

2．核外电子排布式

按照基态原子核外电子排布原则，请尝试写出19～36号元素K～Kr的基态原子的核外电子排布式。

①K：______________　②Ca：______________

③Sc：______________    ④Ti：______________

⑤V：______________    ⑥Cr：______________

⑦Mn：______________    ⑧Fe：______________

⑨Co：______________    ⑩Ni：______________

⑪Cu：______________    ⑫Zn：______________

⑬Ga：______________    ⑭Ge：______________

⑮As：______________    ⑯Se：______________

⑰Br：______________    ⑱Kr：______________

3．洪特规则特例

(1)判断下列基态原子的电子排布式的正误。

①基态铬原子：

a．1s22s22p63s23p63d44s2(　　)

b．1s22s22p63s23p63d54s1(　　)

②基态铜原子：

a．1s22s22p63s23p63d94s2(　　)

b.1s22s22p63s23p63d104s1(　　)

(2)洪特规则特例：能量相同的________在全充满(如d10)、半充满(如d5)和全空(如d0)状态时，体系能量________，原子________。

微点拨

离子的电子排布式的书写流程

离子的电子排布式在书写时应以原子的电子排布式为基础，首先根据构造原理，写出相应原子的电子排布式，再根据原子得失电子的情况作出相应的调整，写出相应的离子的电子排布式。比如，钠原子的电子排布式为1s22s22p63s1，当它失去一个电子时就变成钠离子，其电子排布式就变为1s22s22p6。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)电子排布式1s22s22p63s23p64s3违反了泡利不相容原理。(　　)

(2)基态原子电子排布式1s22s22p63s23p63d5违反了能量最低原理。(　　)

(3)根据构造原理，原子核外电子填充顺序为1s2s2p3s3p3d4s4p……。(　　)

(4)基态铁原子的价电子排布式为3d74s1。(　　)

(5)某原子的2p轨道：。(　　)

(6)Cu＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d10。(　　)

2．下列基态原子或离子的电子排布式或最外层电子的轨道表示式正确的是(　　)

A．K＋：1s22s22p63s23p6

B．Al3＋：1s22s23p6

C．P原子最外层电子的轨道表示式：

D．Cr：1s22s22p63s23p63d44s2

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提升点一基态原子的核外电子排布规律

1.能量最低原理

(1)基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序：

即电子所排的能级顺序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s……这一规律称为构造原理。

(2)排列规律

①一般规律：ns<np<nd<nf；1s<2s<3s<4s

②电子层、能级不同时，原子中的价电子在外层分布时存在能级交错现象。能级交错规律：ns＜(n－2)f＜(n－1)d＜np

2．泡利不相容原理的说明

(1)在核外电子的排布中，排在同一轨道上的两个电子自旋方向相反，自旋方向相同的电子，必然处于不同的轨道上。可以理解为在同一原子中，不存在运动状态完全相同的两个电子，原子核外有几个电子，就有几种运动状态。

(2)每个电子层中原子轨道的总数为n2个，根据泡利不相容原理，每个电子层最多能容纳2n2个电子。

3．洪特规则的特例

在同一能级上的电子排布为全充满(如p6、d10、f14)、半充满(如p3、d5、f7)和全空(如p0、d0、f0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定，这称为洪特规则特例。

如过渡元素中的Cr、Cu、Mo、Pd、Ag、Au等。

互动探究

问题1　若将铁元素原子的电子排布式表示为1s22s22p63s23p63d8，不符合核外电子排布的哪个原则？

问题2　若锂原子的核外电子排布表示为违背了哪一个原则？

问题3　为什么原子核外最外层的电子不超过8个？次外层不超过18个电子？

典例示范

[典例1]　下列对电子排布式或轨道表示式书写的评价正确的是(　　)

素养训练

[训练1]　下列轨道表示式中，元素原子处于能量最低状态的是(　　)

提升点二原子核外电子排布表示方法

互动探究

问题1　电子进入原子轨道的顺序和电子排布式的书写顺序一致吗？

问题2　如何理解“对于ns和(n－1)d轨道都填有电子的原子，在许多情况下(n－1)d轨道的电子能量更低”？

问题3　Fe2＋和Fe3＋的电子排布式如何表示？为什么Fe3＋的稳定性大于Fe2＋的稳定性？

典例示范

[典例2]　已知某原子结构示意图如图所示，下列有关说法

正确的是(　　)

A．原子结构示意图中x＝2

B．该原子的电子排布式为

1s22s22p63s23p63d44s2

C．该原子3d轨道的电子排布图为

D．该原子结构中共有7个能级上有电子

素养训练

[训练2]　根据下列叙述写出对应元素和基态原子核外电子排布式。

(1)次外层d轨道全空，最外层有一个4s电子：

________________________________________________________________________。

(2)某元素＋3价离子和氩原子的电子排布相同：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)某元素＋3价离子的3d轨道半充满：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)某元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子：________________________________________________________________________。

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

书写基态原子核外电子轨道表示式时的“四”注意

1．不同电子层及能级类别的原子轨道的方框(或小圆圈)必须分开表示，同一电子层相同能级类别(能量相同)的原子轨道(简并轨道)的方框(或小圆圈)相连书写。

2．当□或○中有2个电子时，它们的自旋状态必须不同。

3．轨道表示式的书写顺序要与相应的电子排布式顺序一致，即按电子层顺序书写。有时画出的能级上下错落，以表示能量高低不同。

4．切记轨道表示式中能级符号的右上角不能标记电子数，如Li：。

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1．在d轨道中电子排布成，而不排布成，其最直接的根据是(　　)

A．能量最低原理    B．泡利不相容原理

C．原子轨道构造原理    D．洪特规则

2．下列各原子或离子的电子排布式不符合构造原理的是(　　)

A．Ca2＋　1s22s22p63s23p6

B．O    1s22s22p4

C．Cl－   1s22s22p63s23p54s1

D．Br    1s22s22p63s23p63d104s24p5

3．下列排布不符合泡利不相容原理的是(　　)

4．下列轨道表示式表示的原子中是基态原子的是(　　)

5．下列原子或离子的电子排布正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是________，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

⑦C：

第1课时　基态原子的核外电子排布

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

1．低　高　最低　↑　↓　不同的原子轨道　相同

2．电子　电子层数　电子数　能级　方框(或小圆圈、短线)　↑　↓

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×

2．解析：Li为锂的元素符号，没有描述核外电子的运动状态；表示Li原子结构示意图，描述了核外电子是分层排布的；1s22s1为锂原子的核外电子排布式，描述了核外电子的能层、能级；为锂原子的核外电子排布图，描述了核外电子的能层、能级、原子轨道和自旋方向，故描述最详尽的是D。

答案：D

[知识点二]

2．①1s22s22p63s23p64s1　②1s22s22p63s23p64s2

③1s22s22p63s23p63d14s2　④1s22s22p63s23p63d24s2

⑤1s22s22p63s23p63d34s2　⑥1s22s22p63s23p63d54s1

⑦1s22s22p63s23p63d54s2　⑧1s22s22p63s23p63d64s2

⑨1s22s22p63s23p63d74s2　⑩1s22s22p63s23p63d84s2

⑪1s22s22p63s23p63d104s1　⑫1s22s22p63s23p63d104s2

⑬1s22s22p63s23p63d104s24p1

⑭1s22s22p63s23p63d104s24p2

⑮1s22s22p63s23p63d104s24p3

⑯1s22s22p63s23p63d104s24p4

⑰1s22s22p63s23p63d104s24p5

⑱1s22s22p63s23p63d104s24p6

3．(1)×　√　×　√　(2)原子轨道　较低　较稳定

[学思用]

1．答案：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√

2．解析：由核外电子排布规律知，电子排布2s轨道后应排2p轨道而不是3p轨道，正确的应为1s22s22p6，B项错误；违反洪特规则，正确的应为，C项错误；忽略了能量相同的原子轨道在半充满状态时，体系的能量较低，原子较稳定，电子排布式应为1s22s22p22p63s23p63d54s1，D项错误。

答案：A

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点一

提示1：不符合能量最低原理，由于3d大于4s所以应该先排4s再排3d轨道，因此电子排布式应该为1s22s22p63s23p63d64s2。

提示2：违背了泡利不相容原理，s轨道上的两个电子的自旋方向应该相反。

提示3　由于E(nd)＞E[(n＋1)s]，当ns和np轨道电子排满时，多余的电子不是填入nd轨道，而是首先填入(n＋1)s轨道，因此最外层电子数不可能超过2＋6＝8。同理次外层由(n－1)s(n－1)p(n－1)d组成，所容纳的电子数不大于2＋6＋10＝18。

[典例1]　解析：根据洪特规则，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且自旋方向相同，因此p轨道上两个单电子应分占两个轨道自旋方向相同，故A错误；同一轨道中的两个电子运动方向应相反，违反了泡利不相容原理，不符合题意，B错误；因E(4s)＜E(3d)故Ca原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，选项违反了能量最低原理，符合题意，C正确；Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6，正确，评价错误，D错误。

答案：C

[训练1]　解析：A项轨道表示式符合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则，其元素原子处于能量最低状态，符合题意；B、D项轨道表示式中2s轨道上的1个电子均跃迁到2p轨道上，其对应的元素原子均处于激发态，能量较高，均不符合题意；C项轨道表示式中2p轨道上的3个电子尽可能分占不同的原子轨道且自旋状态相同时，元素原子的能量最低，不符合题意。

答案：A

提升点二

[互动探究]

提示1：不完全一致。如果出现能级交错现象。如E4s＜E3d，电子进入轨道的顺序与电子排布式的书写不一致。书写电子排布式原则上把同一层的能级写在一起，电子层低的能级写在左边，不能按电子填充顺序写。

提示2：因为轨道能量ns＜(n－1)d，所以电子先填ns轨道再填(n－1)d轨道，但是这一顺序不代表电子填充后在原子中各原子轨道的能级高低顺序，多数填充后ns轨道能量比(n－1)d更低，因此基态原子失电子优先失ns轨道上的电子，再失(n－1)d轨道上的电子。

提示3：Fe2＋电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，Fe3＋电子排布式为1s22s22p63s23p63d5。根据洪特规则特例，Fe3＋的3d轨道处于半充满状态，更稳定些。

[典例2]　解析：由原子结构示意图可知，K层排满时为2个电子，故x＝1，该元素为铬，故A选项错误；根据洪特规则特例该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，故B选项错误；铬原子3d轨道上填充了5个电子，根据洪特规则，5个电子应分占5个轨道且自旋方向相同，故C选项错误；该原子结构中共有1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s 7个能级上有电子，故D选项正确。

答案：D

[训练2]　解析：(1)为K元素，(2)为Sc元素，(3)为Fe元素，(4)为Cu元素。

答案：(1)K：1s22s22p63s23p64s1

(2)Sc：1s22s22p63s23p63d14s2

(3)Fe：1s22s22p63s23p63d64s2

(4)Cu：1s22s22p63s23p63d104s1

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．解析：洪特规则表明，当电子排布在能量相同的不同轨道时，总是尽可能分占不同的轨道且自旋方向相同。

答案：D

2．解析：根据构造原理和书写要求，应先排满3p轨道，再排4s轨道，C项不符合。

答案：C

3．解析：泡利不相容原理指的是一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自旋方向必须相反，只有选项C不满足此原理。

答案：C

4．解析：A项表示的是基态原子；B、D项中2s能级上的电子跃迁到2p能级上，表示的是激发态原子；C项中2p能级上的三个电子应分占不同的轨道，且自旋方向相同。

答案：A

5．解析：根据核外电子排布规律，②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道而不是3p轨道，正确的应为1s22s22p6；③中没有遵循洪特规则，电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋方向相同，最外层的轨道表示式应为；④中忽略了能量相同的原子轨道在半充满状态时，体系的能量较低，原子较稳定，正确的应为1s22s22p63s23p63d54s1；⑦中违反泡利不相容原理，正确的应为。

答案：①⑤⑥　②④　③　⑦