电子结构与核外电子排布详细练习

电子结构与核外电子排布详细练习理解原子的电子结构与核外电子排布，是深入探索化学世界的基石。它不仅揭示了元素周期律的本质，也为我们预测元素的化学性质、化学键的形成以及物质的物理特性提供了核心依据。本文旨在通过系统性的练习，帮助读者巩固电子层、能级、轨道等基本概念，熟练掌握核外电子排布的原则，并能运用这些知识解决实际问题。一、核心概念回顾与辨析在进入练习之前，我们首先简要回顾几个关键概念，这对于顺利完成后续练习至关重要。1.电子层（能层）(n)：根据电子能量的差异和离核平均距离的不同，核外电子可以划分为不同的电子层。常用K、L、M、N、O、P、Q...或主量子数n=1、2、3、4、5、6、7...表示。一般而言，n值越大，电子离核越远，能量越高。2.能级（亚层）(l)：在同一电子层内，电子的能量还存在微小的差异，由此将一个电子层进一步划分为若干能级（或亚层）。能级用s、p、d、f等符号表示，分别对应角量子数l=0、1、2、3...。在同一电子层中，各能级的能量按s<p<d<f的顺序递增。3.轨道(m)：量子力学中，“轨道”并非宏观意义上的固定路径，而是指电子在原子核外空间出现概率密度较大的区域。每个能级包含一定数目的轨道，s能级有1个轨道，p能级有3个轨道，d能级有5个轨道，f能级有7个轨道，以此类推。每个原子轨道最多可容纳2个电子。4.自旋(s)：核外电子还存在一种称为“自旋”的运动状态，有顺时针和逆时针两种方向，常用“↑”和“↓”表示。核外电子排布的三大基本原则：*泡利不相容原理：在同一个原子中，不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数（n,l,m,s）。换言之，每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且这两个电子的自旋方向必须相反。*能量最低原理：在构建基态原子时，电子总是优先占据能量最低的轨道，只有当能量较低的轨道被占满后，电子才会依次进入能量较高的轨道。*洪特规则：在能量相同的轨道（即简并轨道，如3个p轨道、5个d轨道等）上排布电子时，电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，这样的排布方式使得原子的总能量最低。当简并轨道处于全充满（如p⁶、d¹⁰、f¹⁴）、半充满（如p³、d⁵、f⁷）或全空（如p⁰、d⁰、f⁰）状态时，原子结构相对稳定，这是洪特规则的特例。二、电子结构与核外电子排布练习（一）电子层、能级与轨道1.练习1：判断下列说法的正误，并简述理由。*(1)主量子数n=3时，有3s、3p、3d、3f四个能级。*(2)同一原子中，2p能级的能量低于3p能级。*(3)2p能级有3个轨道，可以容纳6个电子。*(4)氢原子的1s轨道和钠原子的1s轨道能量相同。解析：*(1)错误。主量子数n=3时，角量子数l可以取0、1、2，分别对应s、p、d能级。f能级对应的l=3，此时n至少为4（因为l的取值范围是0到n-1）。因此n=3时没有f能级。*(2)正确。对于同一类型的能级（如p能级），主量子数n越大，其能量越高。*(3)正确。p能级的角量子数l=1，磁量子数m可取-1、0、+1，对应3个轨道。根据泡利不相容原理，每个轨道可容纳2个电子，故3个p轨道可容纳6个电子。*(4)错误。虽然都是1s轨道，但氢原子核电荷数为1，钠原子核电荷数为11。钠原子的核电荷数更大，对核外电子的吸引力更强，因此其1s轨道能量低于氢原子的1s轨道能量。2.练习2：指出下列各能级对应的n和l值，并说明该能级包含的轨道数。*(1)2s*(2)4p*(3)5d解析：*(1)2s：n=2，l=0（s对应l=0）。轨道数为2l+1=1。*(2)4p：n=4，l=1（p对应l=1）。轨道数为2l+1=3。*(3)5d：n=5，l=2（d对应l=2）。轨道数为2l+1=5。（二）泡利不相容原理与洪特规则应用3.练习3：下列轨道表示式中，哪些违背了泡利不相容原理？哪些违背了洪特规则？（假设均为基态）*(1)1s:↑↑*(2)2p:↑↓↑(此处表示三个轨道，第一个轨道↑↓，第二个轨道↑，第三个轨道空)*(3)3d:↑↑↑↑↑(五个轨道各一个电子，自旋相同)*(4)2p:↑↓↓(第一个轨道↑↓，第二个轨道↓，第三个轨道空)解析：*(1)违背泡利不相容原理。1s轨道最多只能容纳两个自旋相反的电子，而此式中两个电子自旋相同。*(2)不违背。2p能级有三个轨道，电子优先分占不同轨道，自旋相同，符合洪特规则。第一个轨道填充两个自旋相反的电子，符合泡利原理。*(3)不违背。3d能级有五个简并轨道，五个电子分占各轨道且自旋相同，符合洪特规则，也符合泡利原理。*(4)违背洪特规则。在2p的三个简并轨道中，电子应优先占据不同轨道且自旋平行。此式中第二个轨道的电子自旋方向与第一个轨道中某一电子相同，但却未先占据第三个空轨道。（三）基态原子电子排布式的书写说明：书写电子排布式时，应遵循能量最低原理，并注意洪特规则的特例。能级的能量高低顺序可参考近似能级图（如ns<(n-2)f<(n-1)d<np）。4.练习4：写出下列基态原子的电子排布式。*(1)碳原子（C，原子序数6）*(2)氯原子（Cl，原子序数17）*(3)铬原子（Cr，原子序数24）*(4)铜原子（Cu，原子序数29）解析：*(1)C：6个电子。按1s²2s²2p²排布。因为1s<2s<2p。*(2)Cl：17个电子。按1s²2s²2p⁶3s²3p⁵排布。*(3)Cr：24个电子。根据近似能级图，4s<3d。若按常规，则为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴。但由于3d⁵为半充满稳定结构，故实际排布为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵（或简化为[Ar]4s¹3d⁵）。这是洪特规则的特例。*(4)Cu：29个电子。常规应为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁹。但由于3d¹⁰为全充满稳定结构，故实际排布为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰（或简化为[Ar]4s¹3d¹⁰）。这也是洪特规则的特例。5.练习5：写出下列基态原子的价电子排布式（外围电子排布式）。*(1)铝（Al，13）*(2)锰（Mn，25）*(3)溴（Br，35）*(4)氪（Kr，36）解析：价电子是指原子核外能参与化学反应的电子。对于主族元素，价电子为最外层电子；对于过渡元素，价电子为最外层s电子和次外层d电子（镧系、锕系元素还包括倒数第三层的f电子）。*(1)Al：电子排布式为[Ne]3s²3p¹，价电子排布式为3s²3p¹。*(2)Mn：电子排布式为[Ar]4s²3d⁵，价电子排布式为3d⁵4s²（注意书写顺序有时习惯将n小的写在前面，但也有将ns写在前面的，此处两种均可，通常按填充顺序4s在前，但价电子表示时3d也参与成键，故3d⁵4s²更能体现价电子构成）。*(3)Br：电子排布式为[Ar]3d¹⁰4s²4p⁵，Br为主族元素（第ⅦA），价电子为最外层电子，即4s²4p⁵。*(4)Kr：稀有气体，电子排布式为[Ar]3d¹⁰4s²4p⁶，价电子排布式为4s²4p⁶（或最外层电子排布）。（四）离子的电子排布6.练习6：写出下列常见离子的电子排布式。*(1)Na⁺(11号元素，失去1个电子)*(2)O²⁻(8号元素，得到2个电子)*(3)Fe³⁺(26号元素，失去3个电子)解析：原子失去电子形成阳离子时，一般先失去最外层的电子。原子得到电子形成阴离子时，电子加在最外层的空轨道上。*(1)Na⁺：Na原子电子排布式为1s²2s²2p⁶3s¹，失去最外层1个电子（3s¹）后，Na⁺的电子排布式为1s²2s²2p⁶（与Ne原子相同）。*(2)O²⁻：O原子电子排布式为1s²2s²2p⁴，得到2个电子后，2p轨道填满，O²⁻的电子排布式为1s²2s²2p⁶（与Ne原子相同）。*(3)Fe³⁺：Fe原子的电子排布式为[Ar]3d⁶4s²。失电子时，先失4s电子，再失3d电子。失去2个4s电子和1个3d电子后形成Fe³⁺。故Fe³⁺的电子排布式为[Ar]3d⁵。（注意：Fe²⁺为[Ar]3d⁶）（五）综合应用题7.练习7：某元素的基态原子，其价电子排布式为4s²4p³，请问：*(1)该元素在周期表中位于第几周期？第几族？*(2)写出该元素的原子序数及元素符号。*(3)写出该元素原子的核外电子排布式。解析：*(1)价电子排布式为4s²4p³，最高能层n=4，故位于第4周期。价电子总数为2+3=5，故位于第ⅤA族。*(2)该元素为第4周期ⅤA族元素，是砷（As）。其原子序数可通过稀有气体Kr（36号，4s²4p⁶）往前推1位（4p⁶→4p³，少3个电子），36-3=33，故原子序数为33，元素符号As。*(3)As的核外电子排布式：可先写出[Ar]（18电子），然后是3d¹⁰（因为4s、4p前面要填满3d），再4s²4p³。所以完整电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³，或简化为[Ar]3d¹⁰4s²4p³。8.练习8：有A、B、C、D四种元素，其基态原子的电子排布情况如下：*A：1s²2s²2p⁶3s¹*B：1s²2s²2p⁶3s²3p⁵*C：[Ar]3d¹⁰4s²4p⁴*D：[Kr]4d¹⁰5s²5p¹试回答：*(1)写出各元素的元素符号：A____，B____，C____，D____。*(2)A元素在周期表中位于____区，B元素的最高正化合价为____。*(3)C元素的简单阴离子的电子排布式为____。*(4)D元素的价电子排布式为____。解析：*(1)A：电子总数11，为Na；B：电子总数17，为Cl；C：[Ar]（18）+10+2+4=34，为Se；D：[Kr]（36）+10+2+1=49，为In。*(2)A为Na，价电子排布为3s¹，位于s区。B为Cl，最外层7个电子，最高正化合价为+7（等于最外层电子数）。*(3)C为Se，原子序数34，Se原子的电子排布式为[Ar]3d¹⁰4s²4p⁴，得到2个电子形成Se²⁻，其电子排布式为[Ar]3d¹⁰4s²4p⁶（或1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶）。*(4)D为In，位于第5周期ⅢA族，价电子排布式为5s²5p¹。三、常见错误与注意事项1.混淆“电子层”、“能级”、“轨道”的概念：电子层由n决定，能级由n和l决定，轨道由n、l、m决定。例如，2p能级包含3个2p轨道。2.记错能级能量顺序：特别是过渡元素，要牢记“ns<(n-2)f<(n-1)d<np”的近似规律，但也要知道这只是近似，存在例外。3.洪特规则特例的遗忘：如Cr（[Ar]3d⁵4s¹）、Cu（[Ar]3d¹⁰4s¹）等，这些特殊排布是因为半满、全满结构更稳定。4.书写不规范