2012届高三化学第一轮复习 考点11 原子结构考点详析

1 考点十一考点十一 原子结构原子结构 I I 课标要求课标要求 1 知道元素 核素的涵义 2 了解原子结构的构造原理 知道原子核外电子的能级分布 了解原子核外电子的排 布 能用电子排布式表示常见元素 1 36 号 原子核外电子的排布 3 利用相对原子质量 相对分子质量进行物质组成的简单计算 4 了解原子核外电子的运动状态 知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁 了解 其简单应用 5 了解原子结构与元素性质的关系 认识原子结构与元素周期系的关系 考纲要求考纲要求 1 了解元素 核素和同位素的含义 2 了解原子概念的含义 了解原子团的定义 3 了解原子构成 了解原子序数 核电荷数 质子数 中子数 核外电子数以及它们 之间的相互关系 4 了解相对原子质量 相对分子质量的定义 并能进行有关计算 5 了解原子核外电子排布 了解原子核外电子的能级分布 能用电子排布式表示常见 元素 1 36 号 原子核外电子的排布 6 了解原子核外电子的运动状态 了解原子核外电子在一定条件下会发生跃迁 了解 其简单应用 教材精讲教材精讲 一 原子的构成 1 原子的构成 原子核 带正电 几乎集中了原子的全部质量 体积只占原子体积的千亿分之一 原子 AZX 原子核 核外电子 Z 个 质子 Z 个 中子 A Z 个 决定元素种类 决定同位素种类 最外层电子数决定元素的化学性质 2 质子 带一个单位正电荷 单位质子和中子的质量基本相同 约为单位电子质量的 1836 倍 质子数决定了元素的种类 中子 不带电 中子数与质子数一起决定了同位素的种类 电子 带一个单位负电荷 电子的排布决定了元素在周期表中的位置 决定元素原子 化学性质的电子又称价电子 主族元素的价电子即是其最外层电子 多数元素原子的化学 性质仅由其最外层电子数 价电子数 决定 2 微粒间数目关系 质子数 Z 核电荷数 原子数序 原子序数 按质子数由小大到的顺序给元素排序 所得序号为元素的原子序数 质量数 A 质子数 Z 中子数 N 中性原子 质子数 核外电子数 阳 离 子 质子数 核外电子数 所带电荷数 阴 离 子 质子数 核外电子数 所带电荷数 3 原子表达式及其含义 A 表示 X 原子的质量数 Z 表示元素 X 的质子数 d 表示微粒中 X 原子的个数 c 表示微粒所带的电荷数 b 表示微粒中 X 元素的化合价 二 原子及原子团 1 原子 是化学变化中的最小微粒 在化学反应中 核外电子数可变 但原子核不变 2 原子团 两个或两个以上原子结成的集团 作为一个整体参加化学反应 它可以是 中性的基 如 CH3 也可以是带正电的阳离子 如 NH 4 或带负电的阴离子 如 NO 3 三 三素 的比较 1 元素 具有相同的核电荷数 即质子数 的同类原子的总称 判断不同微粒是否属于同一元素的要点是 单原子核 质子数相同 而不管微粒是处于 何种状态 游离态或化合态 或价态 各种可能的负价 0 价 各种可能的正价 2 核素 人们把具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子叫做核素 换言之 核素是一种具体原子的另一称呼 3 同位素 具有相同质子数和不同中子数的同种元素的原子 互称同位素 换言之 X A Z c d b 3 同一元素的不同核素 互称同位素 同位素中 同 的含义 是指元素符号 质子数 电子数 电子排布 在周期表中位置相同 原子的化学性质等 相同 它们的物质性质略有差异 同位素的特征 同一元素的不同同位素原子的化学性质基本相同 天然存在的元素里 不论是游离态还是化合态 各种天然同位素原子所占的百分比一 般是不变的 四 相对原子质量 相对分子质量的概念和有关计算 1 同位素 原子的相对原子质量 精确值 概念 某元素一个 同位素 原子的质量与一个 12C 原子的质量的 1 12 的比值 所以12C 原子的相对原子质量恰好为 12 其单位为 1 或说没有单位 因为是两个质量的比值 近似相对原子质量 数值上等于该原子的质量数 质子数和中子数之和 近似值 2 元素的 平均 相对原子质量 平均值 概念 某元素各种同位素原子的相对原子质量与其原子百分数 原子个数百分比 丰 度 乘积的和 元素周期表中的数值就是元素的 平均 相对原子质量 加权平均 元素的近似 平均 相对原子质量 某元素的各种同位素原子的质量数与其原子百分 数乘积的和 近似平均值 3 相对分子质量 组成分子的各原子的相对原子质量的总和 4 理解 对于有同位素的元素来说 原子的相对原子质量 原子的质量数 元素的 近似 相对原子质量 只有具体的原子才有质量数 元素没有质量数 元素的相对原子质量不仅与其各同位素原子的相对原子质量有关 还与其在自然界中 所占的原子百分数 丰度 有关 原子百分数 a1 a2 在自然界中 某元素的某种同位素原子的数目占该元素 所有同位素原子总数的百分比 指各种原子的个数百分比或物质的量百分比 而非质量百分 比 但两者可通过原子的相对原子质量来换算 5 有关计算表达式 原子的相对原子质量 用质量数代替 Mi 原子的近似相对原子质量 元素的 平均 相对原子质量 用原子的近似相对原子质量 代替原子的相对原子质量 元素的近似 平均 相对原子质量 4 Mi 的质量个 个原子的质量 C 12 6 1 12 1 1 M 1 i aiMi M1 a 1 M2 a2 i M 质量数 Ai M M 1 a1 M 2 a2 五 核外电子的运动状态 1 原子结构理论的发展 经历了以下五个发展阶段 1803 年英国化学家道尔顿家建立了原子学说 1903 年汤姆逊发现了电子建立了 葡萄干布丁 模型 1911 年英国物理学家卢瑟福根据 粒子散射实验提出原子结构的核式模型 1913 年丹麦科学家玻尔建立了核外电子分层排布的原子结构模型 20 世纪 20 年代建立了现代量子力学模型 2 核外电子运动特征 在很小的空间内作高速运动 没有确定的轨道 3 电子运动与宏观物体运动的描述方法的区别 描述宏观物质的运动 计算某时刻的位置 画出运动轨迹等 描述电子的运动 指出它在空间某区域出现的机会的多少 4 核外电子运动状态的形象化描述 电子云 电子在原子核外高速运动 像带负电 的 云雾 笼罩在原子核的周围 人们形象地把它叫做电子云 电子云实际上是对电子在原 子核外空间某处出现的概率多少的形象化描述 图中的小黑点不表示电子的个数 而是表示 电子在该空间出现的机会多少 参见上页 氢原子基态电子云图 5 核外电子运动状态的具体化描述 核外电子的运动状态 由能层 能级 电子云的空间伸展方向 电子的自旋状态四个 核外电子的运动状态 原子轨道 轨道 电子的自旋状态 能层 电子层 能级 电子亚层 空间伸展方向 主量子数 n角量子数 l磁量子数 m自旋量子数ms 5 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f 起点 方面来描述 换言之 用原子轨道 或轨道 和电子的自旋状态来描述 能层 电子层 用主量子数 n 表示 按核外电子能量的高低及离核平均距离的远近 把核外电子的运动区域分为不同的能层 电子层 目前 n 的取值为 1 2 3 4 5 6 7 对应的符号是英文字母 K L M N O P Q 一般地说 n 值越大 电子离核的平均距离 越远 能量越高 即 E n 1 E n 2 E n 3 E n 4 能级 电子亚层 用角量子数 l 表示 在多电子原子中 同一能层 电子层 的电 子 能量也可能不同 还可以把它们分为不同的能级或电子亚层 因为这些不同的能量状态 的能量是不连续的 像楼梯的台阶一样 因为称为能级 用角量子数 l 来描述这些不同的 能量状态 对于确定的 n 值 角量子数 l 的取值有 n 个 0 1 2 3 n 1 分别用 s p d f 表示 E ns E np E nd E nf 电子云的空间伸展方向 用磁量子数 m 表示 对于确定的能层和能级 n l 已知 能级的能量相同 但电子云在空间的伸展方向不一定相同 每一个空间伸展方向称为一个轨 道 用磁量子数 m 来描述 不同能层的相同能级 其空间伸展方向数相同 即轨道数相同 S 能级 亚层 是球形 只有 1 个伸展方向 p 能级 亚层 是亚铃形 有 3 个伸展方 向 三维坐标的三个方向 d f 能级 亚层 形状比较复杂 分别有 5 7 个伸展方向 原子轨道 或轨道 电子在原子核外出现的空间区域 称为原子轨道 在量子力学 中 由能层 电子层 主量子数 n 能级 电子亚层 角量子数 l 和电子云的空间伸展方 向 磁量子数 m 来共同描述 由于原子轨道由 n l m 决定 由此可以推算出 s p d f 能级 亚层 分别有 1 3 5 7 个轨道 n 1 2 3 4 时 其对应电子层包含的轨道数分别为 1 4 9 16 即对于主量子数为 n 的电子层 其轨道数为 n2 电子的自旋状态 电子只有顺时针和逆时针两种自旋方向 用自旋量子数 ms 表示 六 原子核外电子排布 1 构造原理 构造原理 随着核电荷数递增 大多数元素的电中性基态原子的电子按右图 顺序填入核外电子运动轨道 能级 叫做构造原理 能级交错 由构造原理可知 电子先进入 4s 轨道 后进入 3d 轨道 这种现 象叫能级交错 说明 构造原理并不是说 4s 能级比 3d 能级能量低 实际上 4s 能级比 3d 能 6 级能量高 而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低 也就是说 整个原子的 能量不能机械地看做是各电子所处轨道的能量之和 2 能量最低原理 现代物质结构理论证实 原子的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 简称能量最低原理 构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低 而不局限于某个能级 3 泡利原理和洪特规则 泡利 不相容 原理 基态多电子原子中 不可能同时存在 4 个量子数完全相同的电 子 换言之 一个轨道里最多只能容纳两个电子 且电旋方向相反 用 表示 这 个原理称为泡利 Pauli 原理 洪特规则 当电子排布在同一能级的不同轨道 能量相同 时 总是优先单独占据一 个轨道 而且自旋方向相同 这个规则叫洪特 Hund 规则 比如 p3的轨道式为 或 而不是 洪特规则特例 当 p d f 轨道填充的电子数为全空 半充满或全充满时 原子处于 较稳定的状态 即 p0 d0 f0 p3 d5 f7 p6 d10 f14时 是较稳定状态 前 36 号元素中 全空状态的有4Be 2s22p0 12Mg 3s23p0 20Ca 4s23d0 半充满状态的有 7N 2s22p3 15P 3s23p3 24Cr 3d54s1 25Mn 3d54s2 33As 4s24p3 全充满状态的有10Ne 2s22p6 18Ar 3s23p6 29Cu 3d104s1 30Zn 3d104s2 36Kr 4s24p6 4 原子光谱 基态 电子按构造原理的顺序进入原子核外的轨道 此时整个原子的能量最低 称之 为基态 基态原子基态原子是处于最低能量状态的原子 激发态 基态原子的电子吸收能量后 电子会跃迁到较高的能级 此时原子的能量较 基态高 叫激发态 基态和激发态间 不同激发态间能量是不连续的 像楼梯的台阶一样 电子的跃迁 电子由较高能量的激发态 可有多个激发态 跃迁跃迁到较低能量的激发态或 基态时 会放出能量 发光是释放能量的主要形式之一 反之 电子由较低能量的基态或激 发态跃迁跃迁到激发态或能量较高的激发态时 会吸收能量 吸收光是吸收能量的形式之一 原子光谱 不同元素原子的电子发生跃迁时 会吸收或释放不同波长的光 可以用光 谱仪来记录 鉴别 称之为原子光谱 7 在现代化学中 利用不同元素的原子光谱上的特征谱线来鉴定元素 称为光谱分析 5 核外电子排布的一般规则 每个电子层 主量子数为 n 所能容纳的电子数最多为 2n2个 泡利原理 原子最外层电子数目不能超过 8 个 K 层为最外层时不能超过 2 个 能级交错 原子次外层电子数目不能超过 18 个 K 层为次外层时不能超过 2 个 能级交错 6 核外电子排布的表示方法 原子结构简 示意 图 圆圈内数字表示质子数 弧线表示能层 电子层 弧线 内数字表示该能层 电子层 中的电子数 如镁原子的原子结构简图为 见右图 电子排布式 在能级符号的右上方用数字表示该能级上排布的电子数目的式子 有 原子的电子排布式 原子最外层的电子排布式 离子的电子排布式等不同的用法 例如 氯原子的电子排布式为 1s22s22p63s23p5 氯离子 Cl 的电子排布式为 1s22s22p63s23p6 氯原子最外层的电子排布式 3s23p5 为避免电子结构过长 通常把内层已达到稀有气体的电子层写成 原子芯 原子实 并以稀有气体符号加方括号表示 例如 氯 Ne 3s23p5 钪 Ar 3d14s2 轨道表示式 表示电子所处轨道及自旋状态的式子 如7N 的轨道表示式为 1s 2s 2p 七 原子结构的特殊性 1 18 号元素 1 原子核中没有中子的原子 1 1H 2 最外层电子数与次外层电子数的倍数关系 最外层电子数与次外层电子数相等 4Be 18Ar 最外层电子数是次外层电子数 2 倍 6C 最外层电子数是次外层电子数 3 倍 8O 最外层电子数是次外层电子数 4 倍 10Ne 最外层电子数是次外层电子数 1 2倍 3Li 14Si 3 电子层数与最外层电子数相等 1H 4Be 13Al 4 电子总数为最外层电子数 2 倍 4Be 5 次外层电子数为最外层电子数 2 倍 3Li 14Si 6 内层电子总数是最外层电子数 2 倍 3Li 15P 八 1 20 号元素组成的微粒的结构特点 8 1 常见的等电子体 2 个电子的微粒 分子 He H2 离子 Li H Be2 10 个电子的微粒 分子 Ne HF H2O NH3 CH4 离子 Na Mg2 Al3 NH 4 H3O N3 O2 F OH NH 2 等 18 个电子的微粒 分子 Ar SiH4 PH3 H2S HCl F2 H2O2 N2H4 联氨 C2H6 CH3CH3 CH3NH2 CH3OH CH3F NH2OH 羟氨 离子 K Ca2 Cl S2 HS P3 O2 2 等 2 等质子数的微粒 分子 14 个质子 N2 CO C2H2 16 个质子 S O2 离子 9 个质子 F OH NH 2 11 个质子 Na H3O NH 4 17 个质子 HS Cl 3 等式量的微粒 式量为 28 N2 CO C2H4 式量为 46 CH3CH2OH HCOOH 式量为 98 H3PO4 H2SO4 式 量为 32 S O2 式量为 100 CaCO3 KHCO3 Mg3N2 典型例题典型例题 例 1 当氢原子中的电子从 2p 能级 向其他低能量能级跃迁时 A 产生的光谱为吸收光谱 B 产生的光谱为发射光谱 C 产生的光谱线的条数可能是 2 条 D 电子的势能将升高广 解析 电子从高能量的能级向低能量的能级跃迁 会放出能量 故为发射光谱 比 2p 能级低的能级有 2s 和 1s 所以可以产生两条放射谱线 答案 BC 例 2 科学研究证明 核外电子的能量不仅与电子所处的能层 能级有关 还与核外电 子的数目及核电荷的数目有关 氩原子与硫离子的核外电子排布相同 都是 1s22s22p63s23p6 下列说法正确的是 A 两粒子的 1s 能级上电子的能量相同 B 两粒子的 3p 能级上的电子离核的距离相同 C 两粒子的电子发生跃迁时 产生的光谱不同 D 两粒子都达 8 电子稳定结构 化学性质相同 解析 这个题的信息告诉我们 不同元素基态原子的相同能级 如 1s 上的电子能 量是不相同的 跃迁时吸收的光的波长也不相同 这样就可以区分不同元素了 根据带电体 9 的库仑作用力大小与电量乘积成正比可知 核电荷数越大 最外层电子越多 电性引力越大 电子离原子核的距离越近 能量越低 答案 C 例 3 元素周期表中 A 族元素有 R 和 R 两种同位素 R 和R 的原子量分别为 a 和 b R 元素中 R 和 R 原子的百分组成分别为 x 和 y 则 R 元素的碳酸盐的式量是 A 2 ax by 60 B ax by 60 C ax by 2 60 D ay bx 60 解析 本题考察元素 平均 相对原子质量的计算 根据题给信息 R 元素有两种 同位素 其 平均 相对原子质量为 ax by 根据 A 族元素 R 的碳酸盐的化学式为 R2CO3 求得其相对分子质量 答案 A 例 4 2004 天津理综 8 核磁共振 NMR 技术已广泛应用于复杂分子结构的测定 和医学诊断等高科技领域 已知只有质子数或中子数为奇数的原子核有 NMR 现象 试判断下 列哪组原子均可产生 NMR 现象 A 18O 31P 119Sn B 27Al 19F 12C C 元素周期表中 VA 族所有元素的原子 D 元素周期表中第 1 周期所有元素的原子 解析 由题给信息可知 质子数与中子数只要有一种为奇数 就符合产生 NMR 现象 的条件 所以 技巧之一是 只要质量数是奇数 一定符合条件 质量数是偶数的同位素原 子 只要进一步分析其质子数 是奇数的 符合条件 是偶数的 不符合条件 VA 族的特征电子排布式为 ns2np3 只有 np 能级上电子数是奇数 其余能级上电子数均 是偶数 所以质子数一定是奇数 元素周期表中第 1 周期的氦元素的一种同位素原子 4 2He 不符合要求 答案 C 例 5 下列两种微粒属于同种元素原子的是 A 3p 能级有一对电子的基态原子和核外电子的排布式为 1s22s22p63s23p2的原子 B 2p 能级有一个未成对电子的基态原子和原子的价电子排布为 2s22p5的原子 C M 层全充满而 N 层为 4s2的原子和核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d64s2的原子 D 最外层电子数是核外电子总数的 1 5 的原子和价电子排布式为 4s24p5的原子 解析 根据洪特规则 3p 能级有一对电子的基态原子 的特征电子排布式应为 3s23p4 所以 A 错 根据洪特规则 2p 能级有一个未成对电子的基态原子 的特征电子排 布式可以是 2s22p1 也可以是 3s23p5 所以 B 不一定是同一种原子 M 层全充满而 N 层为 4s2的原子 的电子排布式为 Ne 3s23p63d104s2 所以 C 错 依次书写原子序数为 5 10 15 20 25 30 35 40 的元素 依题意 其最外层电子数为 1 8 个 的原子结构 示意图或电子排布式 观察其最外层电子数是否与假设相符 结果只有35Br 符合 所以 D 正 10 确 答案 D 跟踪训练跟踪训练 一 选择题 本题有一 选择题 本题有 5 5 个小题 每小题只有一个选项是正确的 个小题 每小题只有一个选项是正确的 1 科学家对原子结构的认识顺序正确的是 道尔顿原子模型 汤姆生原子模型 卢瑟福原子模型 电子云模型 A B C D 2 04 上海 3 据报道 月球上有大量 3He 存在 以下关于3He 的说法正确的是 A 是 4He 的同分异构体 B 比4He 多一个中子 C 是 4He 的同位素 D 比4He 少一个质子 3 下列能级或电子层按能量由低到高的顺序排列 不正确的是 A 1s 2s 3s 4s B K L M N C 3s 3p 3d D 2p 4s 3d 5f 4 各能级最多容纳的电子数 是该能级原子轨道数的二倍 这一结论的理论是 A 构造原理 B 泡利原理 C 洪特规则 D 能量最低原理 5 以下现象与核外电子的跃迁无关的是 A 霓虹灯发出有色光 B 棱镜分光 C 激光器产生激光 D 日光灯通电发光 E 燃放的焰火 在夜空中呈现五彩缤纷的礼花 二二 选择题 本题有选择题 本题有 1010 个小题 每小题有个小题 每小题有 1 1 2 2 个选项是正确的 个选项是正确的 6 据报道 某些建筑材料会产生放射性同位素氡 222 86Rn 从而对人体产生伤害 该同位素 原子的中子数和质子数之差是 A 136 B 50 C 86 D 222 7 氯只有 35Cl 和37Cl 两各稳定同位素 它们在氯气中的原子数之比35Cl 37Cl 为 3 1 则 分子量为 70 72 74 的氯气分子数之比可能是 A 5 2 1 B 5 2 2 C 9 3 1 D 9 3 2 8 下列离子中 电子数大于质子数且质子数大于中子数的是 A D3O B Li C OD D OH 9 下列指定微粒的个数比为 2 1 的是 A Be2 离子中的质子和电子 B 2 1H 原子中的中子和质子 11 C NaHCO3晶体中的阳离子和阴离子 D BaO2 过氧化钡 固体中的阴离子和阳离子 10 某元素的两种同位素 它们的原子具有不同的 A 质子数B 质量数C 原子序数D 电子数 11 已知元素 X Y 的核电荷数分别是 a 和 b 它们的离子 Xm 和 Yn 的核外电子排布相同 则下 列关系式正确的是 A a b m n B a b m n C a b m n D a b m n 12 2005 广东 1 Se 是人体必需微量元素 下列关于 78 34Se 和 80 34Se 的说法正确的 是 A 78 34Se 和 80 34Se 互为同素异形体 B 78 34Se 和 80 34Se 互为同 位素 C 78 34Se 和 80 34Se 分别含有 44 和 46 个质子 D 78 34Se 和 80 34Se 都含有 34 个中子 13 气态中性基态原子的原子核外电子排布发生如下变化 吸收能量最多的是 A 1s22s22p63s23p2 1s22s22p63s23p1 B 1s22s22p63s23p3 1s22s22p63s23p2 C 1s22s22p63s23p4 1s22s22p63s23p3 D 1s22s22p63s23p64s24p2 1s22s22p63s23p64s24p1 14 下列某元素 p 轨道上有两个未成对电子 该此元素是 A O B C C F D N 15 下列说法正确的是 A 同一元素各核素的质