第一章 原子结构与性质第一节 原子结构【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 2 n 2 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、n p 、n d 、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 2 n 2 (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＝(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① s 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 。② p 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能级符号nsnpndnf轨道数目1 3 5 74、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＝ n 2 。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 如：24Cr 的电子排布式为 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 ，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： 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 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]4s 1 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：【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　B4．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 2D．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＜4pC．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)<E(3s)<E(2s)<E(1s)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(　　)① 1s12s1　② 1s22s12p1　③ 1s22s22p63s2　④ 1s22s22p63s23p1A．①② B．①③C．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．3d10C．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(　　)① 3d 和 4s　② 4p 和 5s　③ 5s 和 4d　④ 5p 和 4dA．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．1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2B．1s22s22p63s23p63d104s24p65s25p1C．1s22s22p63s23p63d104s24p64f15s2D．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－　1s22s22p6C．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．1s22s22p5C．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：1s22s22p7B．铜原子：1s22s22p63s23p63d94s2C．铁原子：1s22s22p63s23p63d8D．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：1s22s22p63s23p63d2C．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：CD．S2－的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4答案　D28．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、0C．25、13、5 D．30、18、10答案　A30．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Ⅳ A 族元素，也可能是第Ⅵ A 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Ⅳ A 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Ⅱ A 族元素，故 D 错误。