2021版高考化学一轮复习 第12章 物质结构与性质（选修3） 第36讲 原子结构与性质学案 新人教版

1 第第 3636 讲讲 原子结构与性质原子结构与性质 考点一 原子核外电子排布原理 知识梳理 一 能层 能级与原子轨道 1 能层 n 在多电子原子中 核外电子的能量是不同的 按照电子的能量差异将其 分成不同能层 通常用 k l m n 表示 能量依次升高 2 能级 同一能层里电子的能量也可能不同 又将其分成不同的能级 通常用 s p d f 等表示 同一能层里 各能级的能量按 s p d f 的顺序依次升高 即e s e p e d e f 3 原子轨道 电子云轮廓图给出了电子在核外经常出现的区域 这种电子云轮廓图称 为原子轨道 4 能层 能级与原子轨道之间的关系 能层 n 能级最多容纳电子数 序数符号符号原子轨道数各能级各能层 一 k1s122 2s12 二 l 2p36 8 3s12 3p36 三 m 3d510 18 4s12 4p36 4d510 四 n 4f714 32 2 n 2n2 二 原子轨道的轨道形状和能量关系 1 轨道形状 1 s 电子的原子轨道呈球形 2 p 电子的原子轨道呈哑铃形 2 能量关系 1 相同能层上原子轨道能量的高低 ns np nd nf 2 形状相同的原子轨道能量的高低 1s 2s 3s 4s 3 同一能层内形状相同而伸展方向不同的原子轨道的能量相等 如npx npy npz轨 道的能量相等 1 第一能层 k 只有 s 能级 第二能层 l 有 s p 两种能级 p 能级有三个原 子轨道 px py pz 它们具有相同的能量 第三能层 m 有 s p d 三种能级 2 能层数 电子层数 每个能层所包含的能级数 能层序数 三 基态原子核外电子排布遵循的三个原理 1 能量最低原理 电子优先占据能量低的轨道 然后依次进入能量较高的轨道 使整 个原子的能量处于最低状态 即原子的核外电子排布遵循构造原理 能使整个原子的能量 处于最低状态 如图为构造原理示意图 所有电子排布规则都需要满足能量最低原理 2 泡利原理 在一个原子轨道中 最多只能容纳 2 个电子 而且它们的自旋状态相反 3 3 洪特规则 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 如 2p3的电子排布为 不能表示为 或 洪特规则特例 当能量相同的原子轨道在全满 p6 d10 f14 半满 p3 d5 f7 和全 空 p0 d0 f0 状态时 体系的能量最低 如24cr 的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d54s1或 ar 3d54s1 四 原子 离子 核外电子排布式 图 的书写 1 核外电子排布式 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子 在 书写电子排布式时 能层低的能级要写在左边 不能按填充顺序写 如 cu 原子的核外电子 排布式为 1s22s22p63s23p63d104s1 其简化电子排布式为 ar 3d104s1 而不能写成 ar 4s13d10 2 价电子排布式 如 fe 原子的核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d64s2 价电子排布式为 3d64s2 价电子排布式能反映基态原子的能层 数 参与成键的电子数以及最外层电子数 3 电子排布图 用方框表示原子轨道 用 或 表示自旋状态不同的电子 按电子在轨道中的排布情况书写 如 s 原子的电子排布图为 核外电子排布图能直观地反映出原子的核外电子的自旋情况以及成对电子数和未成对 电子数 五 基态 激发态 光谱 自主检测 1 判断正误 正确的打 错误的打 1 p 能级的能量一定比 s 能级的能量高 2 同一原子中 2p 3p 4p 能级的轨道数依次增多 3 2p 和 3p 轨道形状均为哑铃形 能量也相等 4 fe 的基态原子的电子排布式为 1s22s22p63s23p64s23d6 5 cr 的基态原子的简化电子排布式为 ar 3d44s2 4 6 基态原子电子能量的高低顺序为e 1s e 2s e 2px e 2py e 2pz 7 22ti 的电子排布式 1s22s22p63s23p10违反了能量最低原理 8 磷元素基态原子的电子排布图为 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 2018 高考全国卷 35 1 zn 原子核外电子排布式为 2 2018 高考全国卷 35 1 基态 fe 原子价层电子的电子排布图 轨道表达式 为 3 2017 高考全国卷 35 1 元素 k 的焰色反应呈紫红色 其中紫色对应的辐射 波长为 nm 填标号 a 404 4 b 553 5 c 589 2 d 670 8 e 766 5 解析 1 zn 原子核外有 30 个电子 电子排布式为 1s22s22p63s23p63d104s2或 ar 3d104s2 3 当对金属钾或其化合物进行灼烧时 焰色反应显紫红色 可见光的波长范围为 400 760 nm 紫色光波长较短 钾原子中的电子吸收较多能量发生跃迁 但处于较高能量 轨道的电子不稳定 跃迁到较低能量轨道时放出的能量较多 故放出的光的波长较短 答案 1 1s22s22p63s23p63d104s2 或 ar 3d104s2 2 1s22s22p63s23p5 或 ne 3s23p5 3 a 1 教材改编题 写出下列原子或离子的 电子排布式 价电子排布图 电子所占 的原子轨道数 未成对电子数 1 n 2 cl 3 fe2 5 4 cu 5 se 6 br 答案 6 1s22s22p63s23p63d104s24p6 或 ar 3d104s24p6 2 第三代半导体材料的优异性能和对新兴产业的巨大推动作用 使得发达国家都把发 展第三代半导体材料及其相关器件等列为半导体重要新兴技术领域 投入巨资支持发展 第三代半导体材料有氮化镓 碳化硅等 请回答下列问题 1 硅原子中 占据电子的能级符号有 其中占据电子的能量最高的能 级符号为 该能级已经容纳了 个电子 2 氮原子中 有电子占据的最高能层符号为 该能层已经容纳的电子数为 3 镓为元素周期表中第 31 号元素 位于元素周期表第四周期 镓原子具有 6 个能层 每个能层已经容纳的电子数之比为 解析 1 硅位于元素周期表第三周期 有 3 个能层 分别为 k l m 每个能层的能 级数分别为 1 2 2 其能级符号为 1s 2s 2p 3s 3p 其中占据电子的最高能级为 3p s 能级最多容纳 2 个电子 p 能级最多容纳 6 个电子 故 3p 能级容纳的电子数为 14 2 2 6 2 2 2 氮原子位于元素周期表第二周期 共 2 个能层 符号分别为 k l l 为最高能层 该能层包括 2s 能级的 2 个电子和 2p 能级的 3 个电子 共 5 个电子 3 通过比较 可以得出规律 能层数与元素原子所在的周期数相等 故镓原子有 4 个能层 每个能层已经容纳的电子数分别为 2 8 18 3 答案 1 1s 2s 2p 3s 3p 3p 2 2 l 5 3 4 2 8 18 3 3 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 其价电子排布图为 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相同 b 的元素符 号为 c 离子的结构示意图为 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 子的电子排布式为 其原子的结构示意图为 4 e 元素基态原子的 m 层全充满 n 层没有成对电子且只有一个未成对电子 e 的元 素符号为 其基态原子的电子排布式为 5 f 元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn 2 则n 原子中能量最高的 是 电子 基态原子的核外电子排布图为 答案 7 防范两类常见的核外电子排布相关错误 1 电子排布式 1 3d 4s 书写顺序混乱 如 fe 1s22s22p63s23p64s23d6 fe 1s22s22p63s23p63d64s2 当出现 d 轨道时 虽然电子按ns n 1 d np 的顺序填充 但在书写电子排布式时 仍把 n 1 d 放在ns 前 在失去电子时 先失去 4s 轨道上的电子 如 fe3 1s22s22p63s23p63d5 2 电子排布图 错误类型错因剖析改正 违背能量 最低原理 违背泡 利原理 违背洪 特规则 考点二 原子结构与元素周期表 元素性质的关系 知识梳理 一 原子结构与元素周期表的关系 每周期第一种元素每周期最后一种元素 周期 电子 层数原子序数 基态原子的简化电子排布 式 原子 序数 基态原子的 电子排布式 8 二 23 he 2s1101s22s22p6 三 311 ne 3s1181s22s22p63s23p6 四 419 ar 4s136 1s22s22p63s23p63d104s2 4p6 五 537 kr 5s154 1s22s22p63s23p63d10 4s24p64d105s25p6 六 655 xe 6s186 1s22s22p63s23p63d104s2 4p64d104f145s25p65d10 6s26p6 1 能层数 电子层数 周期数 2 价电子数 主族序数 二 每族元素的价电子排布特点 1 主族 主族 a a a a 价电子排布特点 ns1ns2ns2np1ns2np2 主族 a a a 价电子排布特点 ns2np3ns2np4ns2np5 2 0 族 he 为 1s2 其他为ns2np6 3 过渡元素 副族和第 族 pd 镧系 锕系除外 n 1 d1 10ns1 2 三 元素周期表的分区与价电子排布的关系 1 元素周期表的分区 2 各区元素化学性质及原子价电子排布特点 分区元素分布价电子排布元素性质特点 s 区 a 族 a 族ns1 2 除氢外都是活泼金属元素 通常是最外层电子参与反应 p 区 a 族 a 族 0 族ns2np1 6 he 除外 通常是最外层电子参与反应 9 d 区 b 族 b 族 族 镧系 锕系除外 n 1 d1 9 ns1 2 pd 除外 d 轨道可以不同程度地参与化 学键的形成 ds 区 b 族 b 族 n 1 d10 ns1 2金属元素 f 区镧系 锕系 n 2 f0 14 n 1 d0 2 ns2 镧系元素化学性质相近 锕 系元素化学性质相近 四 元素周期律 1 原子半径 1 影响因素 能层数 能层数越多 原子半径越大 核电荷数 能层数相同 核电荷数越大 原 子半径越小 2 变化规律 元素周期表中的同周期主族元素从左到右 原子半径逐渐减小 同主族元素从上到下 原子半径逐渐增大 2 电离能 1 第一电离能 气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最 低能量 符号为i1 单位为 kj mol 1 2 变化规律 同周期 第一种元素的第一电离能最小 最后一种元素的第一电离能最大 总体呈 现从左到右逐渐增大的变化趋势 注意第 a 族 第 a 族的特殊性 同族元素 从上到下第一电离能逐渐减小 同种原子 逐级电离能越来越大 即i1 i2b mg al n o p s 3 电负性 1 含义 元素的原子在化合物中吸引键合电子的能力大小的一种度量 元素的电负性 越大 表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强 2 标准 以最活泼的非金属元素氟的电负性为 4 0 作为相对标准 计算得出其他元素 的电负性 稀有气体未计 3 变化规律 金属元素的电负性一般小于 填 大于 或 小于 下同 1 8 非金属元素的电负 性一般大于 1 8 而位于非金属三角区边界的 类金属 如锗 锑等 的电负性则在 1 8 左右 在元素周期表中 同周期从左到右 主族元素的电负性逐渐增大 同主族从上到下 10 元素的电负性逐渐减小 4 对角线规则 在元素周期表中 某些主族元素与其右下方的主族元素的有些性质是相似的 例如 自主检测 1 判断正误 正确的打 错误的打 1 2019 高考全国卷 35 4 改编 nh4h2po4中 电负性最高的元素是氧 2 2017 高考全国卷 35 1 改编 元素 mn 与 o 中 第一电离能较大的是 mn 3 b 和 n 相比 电负性较大的是 n 4 c n o f 四种元素第一电离能从大到小的顺序是 n o f c 5 某正三价阳离子的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d5 其元素在周期表中位于第 族 6 价电子排布式为 4s24p3的元素位于第四周期 a 族 是 p 区元素 7 s 区元素全部是金属元素 8 元素的电负性越大 非金属性越强 第一电离能也越大 9 在形成化合物时 电负性越小的元素越容易显示正价 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 1 2019 高考全国卷 35 3 比较离子半径 f o2 填 大于 等 于 或 小于 2 2017 高考江苏卷 c h o 三种元素的电负性由小到大的顺序为 3 第三周期所有元素的第一电离能大小顺序为 4 f cl br i 的第一电离能大小顺序为 电负性大小顺序为 答案 1 小于 2 h c o 3 na al mg si s p clcl br i f cl br i 1 外围电子排布 即 价电子层 对于主族元素 价电子层就是最外电子层 而 对于过渡元素原子不仅仅是最外电子层 如 fe 的价电子层排布为 3d64s2 2 主族元素的最高正价 o f 除外 族序数 8 最低负价 11 3 金属活动性顺序与元素相应的第一电离能大小顺序不完全一致 故不能根据金属活 动性顺序判断第一电离能的大小 也不能将电负性 1 8 作为划分金属和非金属的绝对标准 4 共价化合物中 两种元素电负性差值越大 它们形成的共价键的极性就越强 5 同周期主族元素 从左到右 非金属性逐渐增强 电负性越来越大 第一电离能总 体呈增大趋势 1 2020 天水高三模拟 现有三种元素的基态原子的电子排布式如下 1s22s22p63s23p4 1s22s22p63s23p3 1s22s22p5 下列有关比较中正确的是 a 最高正化合价 b 原子半径 c 电负性 d 第一电离能 解析 选 d 根据核外电子排布式可知 是 s 是 p 是 f f 无正价 a 错误 同 周期主族元素自左向右原子半径逐渐减小 同主族元素自上而下原子半径逐渐增大 则原 子半径 b 错误 同周期主族元素自左向右电负性逐渐增大 同主族元素自上 而下电负性逐渐减小 则电负性 c 错误 同周期主族元素自左向右第一电离 能呈增大趋势 但 p 的 3p 轨道电子处于半充满状态 稳定性强 第一电离能大于 s 则第 一电离能 d 正确 2 明代宋应星所著 天工开物 中已经记载了我国古代用炉甘石 主要成分为 znco3 和煤冶锌工艺 锌的主要用途是制造锌合金和作为其他金属的保护层 回答下列问题 1 硫酸锌溶于氨水形成 zn nh3 4 so4溶液 氨的热稳定性强于膦 ph3 原因是 2 黄铜是由铜和锌所组成的合金 元素铜与锌的第一电离能分别为icu 746 kj mol 1 izn 906 kj mol 1 icu izn的原因是 3 本草纲目 中记载炉甘石 主要成分为 znco3 可止血 消肿毒 生肌 明目等 zn c o 的电负性由大至小的顺序是 解析 1 氮元素的非金属性强于磷元素 故氨的热稳定性比膦强 2 cu 与 zn 的第 一电离能分别为icu 746 kj mol 1 izn 906 kj mol 1 icuc zn 答案 1 氮元素的非金属性强于磷元素 2 锌失去的是全充满的 4s2电子 铜失去 的是 4s1电子 3 o c zn 3 根据信息回答下列问题 1 如图是部分元素原子的第一电离能i1随原子序数变化的曲线图 其中 12 17 号元 素的有关数据缺失 认真分析图中同周期元素第一电离能的变化规律 推断 na ar 元素中 al 的第一 电离能的大小范围为 al 填元素符号 图中第一电离能最小的元素在周期表中的位置是第 周期 族 2 已知元素的电负性和元素的化合价一样 也是元素的一种基本性质 下面给出常见 元素的电负性 元素 albbecclfli 电负性 1 52 01 52 53 04 01 0 元素 mgnnaopssi 电负性 3 00 93 52 12 51 8 已知 两成键元素间电负性差值大于 1 7 时 形成离子键 两成键元素间电负性差值 小于 1 7 时 形成共价键 根据表中给出的数据 可推知元素的电负性的变化规律是 通过分析电负性变化规律 由表中数据可确定的 mg 元素电负性的最小范围为 判断下列物质是离子化合物还是共价化合物 a li3n b becl2 c alcl3 d sic 属于离子化合物的是 填字母 下同 属于共价化合物的是 13 请设计一个实验方案证明上述结论 解析 1 由图可以看出 同周期的第 a 族元素的第一电离能最小 而第 a 族元 素的第一电离能小于第 a 族元素的第一电离能 故第一电离能 na al mg 图中第一 电离能最小的元素应是碱金属元素 rb 在元素周期表中的位置是第五周期 a 族 2 将 表中数据按照元素周期表的顺序重排 可以看出电负性随着原子序数的递增呈周期性变化 根据电负性的递变规律 同周期主族元素从左到右电负性逐渐增大 同主族元素从上到 下电负性逐渐减小 可知 在同周期中电负性 na mgmg ca 由表 中数据可确定的 mg 元素电负性的最小范围为 0 9 1 5 根据已知条件及表中数据可知 li 与 n 电负性差值为 2 0 大于 1 7 形成离子键 li3n 为离子化合物 be 与 cl al 与 cl si 与 c 电负性差值分别为 1 5 1 5 0 7 均小于 1 7 形成共价键 becl2 alcl3 sic 均为共价化合物 共价化合物和离子化合物最大的区别在于熔融状态下 能否导电 离子化合物在熔融状态下以离子形式存在 可以导电 但共价化合物不能 答案 1 na mg 五 a 2 随着原子序数的递增 元素的电负性呈周期性变化 0 9 1 5 a bcd 测定各物质在熔融状态下能否导电 若导电 则为离子化合 物 反之 则为共价化合物 1 电子排布式和电子排布图 1 2019 高考全国卷 35 2 fe 成为阳离子时首 先失去 轨道电子 sm 的价层电子排布式为 4f66s2 sm3 价层电子排布式为 2 2018 高考全国卷 35 1 下列 li 原子电子排布图表示的状态中 能量最低和 最高的分别为 填标号 a b c d 3 2017 高考全国卷 35 1 氮原子价层电子的轨道表达式 电子排布图 为 4 2017 高考全国卷 35 1 co 基态原子核外电子排布式为 答案 1 4s 4f5 2 d c 3 4 1s22s22p63s23p63d74s2 或 ar 3d74s2 2 核外未成对电子数 1 2016 高考全国卷 37 1 基态 ge 原子有 个 14 未成对电子 2 2016 高考全国卷 37 1 镍元素基态原子的 3d 能级上的未成对电子数为 答案 1 2 2 2 3 电子运动状态和电子云 1 2019 高考全国卷 35 1 改编 镁元素基态原子核 外 m 层电子的自旋状态 填 相同 或 相反 2 2018 高考全国卷 35 1 基态 s 原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为 形 答案 1 相反 2 哑铃 4 电离能 1 2019 高考全国卷 35 1 下列状态的镁中 电离最外层一个电子 所需能量最大的是 填标号 2 2018 高考全国卷 35 4 改编 由 2li 晶体 2li g 318 kj mol 1 2li g 可知 li 原子的第一电离能为 kj mol 1 1 040 kj mol 1 3 2016 高考全国卷 37 2 根据元素周期律 第一电离能 ga as 填 大于 或 小于 答案 1 a 2 520 3 小于 5 电负性 1 2016 高考全国卷 37 4 光催化还原 co2制备 ch4反应中 带状 纳米 zn2geo4是该反应的良好催化剂 zn ge o 电负性由大至小的顺序是 2 2015 高考全国卷 37 1 改编 o na p cl 四种元素中电负性最大的是 填元素符号 答案 1 o ge zn 2 o 6 离子半径或原子半径 1 2018 高考全国卷 35 2 li 与 h 具有相同的电 子构型 r li 小于r h 原因是 2 2016 高考全国卷 37 2 根据元素周期律 原子半径 ga as 填 大于 或 小于 答案 1 li 核电荷数较大 2 大于 1 碳 硅 铁 铜 铝 钛是重要的材料元素 请回答下列有关问题 15 1 上述元素中属于主族元素的是 填元素符号 下同 在元素周期 表 d 区的元素是 2 原子核外电子含有四个能层的元素是 基态原子的原子轨道中未成对电子 数最多的是 3 基态钛原子外围电子的电子排布图为 4 基态铜原子的外围电子排布式为 3d104s1 由此可判断铜在元素周期表中位于第 周期 族 解析 1 c si 是第 a 族元素 al 是第 a 族元素 cu ti 是副族元素 fe 是第 族元素 c si al 位于 p 区 ti fe 位于 d 区 cu 位于 ds 区 2 第四周期的 ti fe cu 均有四个能层 基态 fe 原子的外围电子排布式为 3d64s2 d 轨道中含有 4 个未 成对电子 3 钛位于第四周期 b 族 外围电子排布式为 3d24s2 4 由外围电子排布式 中的 4s 可推知 cu 为第四周期元素 由外围电子排布式中的电子为 11 个可知 cu 在元素 周期表中第 11 列 位于第 b 族 答案 1 c si al ti fe 2 ti fe cu fe 3 4 四 b 2 2020 长春月考 如图为元素周期表前三周期的一部分 1 x 的基态原子的电子排布图是 填序号 另一电子排布图不能作为基态原子的电子排布图是因为它不符合 填字母 a 能量最低原理 b 泡利原理 c 洪特规则 2 以上五种元素中 填元素符号 元素第一电离能最大 3 由以上某种元素与氢元素组成的三角锥形分子 e 和由以上某种元素组成的直线形分 子 g 反应 生成两种直线形分子 l 和 m 组成 e g l m 分子的元素原子序数均小于 10 反应如图所示 该反应的化学方程式是 16 解析 根据元素周期表的结构可知 x 为 n z 为 f r 为 ne w 为 p y 为 s 1 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 且自旋状态相 同 因此氮元素的基态原子的电子排布图为 2 在所给五种元素中 氖元素最外层已达 8 电子的稳定结构 因此失去核外第一个电子需要的能量最多 即第一 电离能最大 3 根据题给图示可知 e 为 nh3 g 为 f2 l 为 hf m 为 n2 故该反应的化学 方程式为 2nh3 3f2 6hf n2 答案 1 c 2 ne 3 2nh3 3f2 6hf n2 3 2020 衡水月考 现有四种短周期元素 它们的结构 性质等信息如下表所述 元素结构 性质等信息 a 是短周期中 除稀有气体外 原子半径最大的元素 该元素的某种合金是原子反应 堆的导热剂 b 与 a 同周期 其最高价氧化物的水化物呈两性 c 在空气中含量第二 在地壳中含量第一 d 海水中除氢 氧元素外含量最多的元素 其单质或化合物也是自来水生产过程中 常用的消毒杀菌剂 请根据表中信息填写 1 a 原子的核外电子排布式为 2 b 元素在周期表中的位置是 离子半径 b a 填 大于 或 小于 3 c 原子的电子排布图是 其原子核外有 个未成对电子 能量最高的电子为 轨道上的电子 其轨道呈 形 4 d 原子的电子排布式为 d 的结构示意图是 5 b 的最高价氧化物对应的水化物与 a 的最高价氧化物对应的水化物反应的化学方程 式为 b 的最高价氧化物对应的水化物与 d 的氢化物 的水溶液反应的化学方程式为 解析 根据题中信息可推出 a 为 na b 为 al c 为 o d 为 cl 1 a 为 na 其核外电子排布式为 1s22s22p63s1或 ne 3s1 2 b 为 al 其在元素周期 表中的位置为第三周期 a 族 na 与 al3 核外电子排布相同 核电荷数 al3 大于 na 故r al3 c h 答案 1 第四周期 b 族 1s22s22p63s23p63d8 或 ar 3d8 2 b 3 o c h 18 5 na cu o si s cl 是常见的六种元素 1 na 位于元素周期表第 周期 族 s 的基态原子核外有 个未 成对电子 si 的基态原子核外电子排布式为 2 用 或 填空 第一电离能离子半径熔点酸性 si s o2 na nacl sih2so4 hclo4 下表是元素周期表的一部分 表中所列的字母分别代表一种化学元素 试回答下列 问题 3 h 的单质在空气中燃烧发出耀眼的白光 请用原子结构的知识解释发光的原因 4 o p 两元素的部分电离能数据列于下表 元素 op i1717759 i21 5091 561 电离能 kj mol 1 i33 2482 957 比较两元素的i2 i3可知 气态 o2 再失去一个电子比气态 p2 再失去一个电子难 对此 你的解释是 5 已知稀有气体熔 沸点均为同周期的最低者