2026人教版高中化学选择性必修2《物质结构与性质》基础课时2 构造原理与电子排布式电子云与原子轨道

基础课时2构造原理与电子排布式电子云与原子轨道

学习目标1.了解原子核外电子排布的构造原理，能写出1〜36号元素基态原子

的电子排布式，进一步增强证据推理意识。2.知道电子的运动状态可通过原子轨

道和电子云模型来描述，能说明微观粒子运动状态与宏观物体运动特点的差异，

建立对原子结构的模型认知。

一、构造原理与电子排布式

(一)知识梳理

1.构造原理

(I)内容

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。如图所示为构造原理示意图。

OOOOO

OOO每)对应

一个电

每个小圆圈我示一个能级

各I川圈间连接的方向表示随核电荷数

递增而增加的电了•填入能级的顺序

(2)能级交错

构造原理告诉我们，随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入

下一个能层的。电子是按3pf4sf3d的顺序而不是按3p-*3d-*4s的顺序填充的,

这种现象被称为能级交错0

2.电子排布式

⑴含义

用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。

(2)表达方式

以基态氮原子为例，电子排布式中各符号的意义如下：

能层序数P

Aig2xi级上填充的电子薮

能级演

(3)书写电子排布式的方法

①“三步法”书写电子排布式

第一步：按着构造原理写出电子填入能级时的顺序：

1s->2s^2p->3s->3p->4s->3d->4p->5s->4d->5p...。

第二步：分析基态原子的核外电子数，根据各能级容纳的电子数填充电子。如基

态铁原子的核外电子数为四，电子填充顺序为Is2f2s2f2D6f3s2f3P6f4s2f3d6。

第三步：去掉空能级，并按能层顺序书写。

Fe：Is22s22D63s23D63d64s2。

②简化电子排布式

将电子排布式中内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分用相应的稀有气体元

素符号外加方括号表示的式子称为简化电子排布式。如氧、钙的简化电子排布式

为：[Hc|2s?2p4；[Ar]4s2。

③离子的核外电子排布式

先写出基态原子的电子排布式，再根据得失电子情况进行调整。

a.阳离子：对于主族元素的基态原子来说，原子失去电子时，一般只失去最外层

电子，而过渡元素的原子可能还会进一步失去内层电子，如Fe失电子的情况及对

应电子排布式如图所示：

失2c.失c,

FcFC2*Fc;u

444

3^*[Ar]3d"公一

|Ar]3d64s2|Arl3d;,

b.阴离子：原子得到电子时，一般是填充到最外层未填满的能级上，如基态C1原

子的核外电子排布式为Is22s22P63s23P5,基杰CL的核外电子排布式为

Is22s22P63s23P6。

④价层电子排布式

价电子层：为突出化合价与核外电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子

变动的能级称为价电子层(简称价层)。元素周期表中给出了元素的价层电子排布

式。如Si的价层电子排布式为3s23P2,C。的价层电子排布式为3d74s2。

(4)Cr和Cu的最后两个能级的电子排布分别为3d54sl和3d104s',但它们不符合构

造原理，可见构造原理是被理想化了的。

(二)问题探究

问题1在多电子原子中，电子最后填入的能级是不是原子最外层上的能级，为

什么？

提示从M层开始出现能级交错现象，电子填入能级的顺序是3pf4s—3d……

因此在多电子原子中，电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级，如

Fe原子中电子最后填入的能级是3d,属于次外层。

6)2^1

MOi289O/yy/

问题2为什么K原子的原子结构示意图不是')),而是V?

提示能层序数大，但能级的能量不一定高，部分能级有交错现象。K原子在排

满第二层后，先排布33、3P能级，因为3d能级能量高于4s能级，故最后一个电

Q49)28BI

子排入4s能级而不是3d能级，所以它的原子结构示意图是//〃。

问题3写出基态铝原子的电子排布式及简化的电子排布式。

提示A1电子排布式：Is22s22P63s23Pl

Al的简化电子排布式：[Nc]3s23Pl

问题4书写电子排布式时，能级的排列顺序是否完全遵循构造原理，是按着什

么顺序书写的？

提示在书写电子排布式时，能级的排列顺序不完全遵循构造原理，要按照能层

序数由小到大的顺序排布。即当出现d轨道时，电子按〃§一(〃一1川^中的顺序填

充，但在书写电子排布式时，要把(〃一l)d写在雁的前面。

【探究归纳】

(1)构造原理是以光谱学事实为基础得出的一个思维模型，是经验的，而非任何理

论推导的结果。

(2)原子的核外电子不是完全按能层顺序依次填充的，即不总是填满〃能层后再填

(〃+1)能层，而是按照构造原理示意图中所示的能级顺序填充的，在该顺序中，

从第三能层开始，出现了能级交错现象。

I对点训练

1.下列有关构造原理的说法错误的是（）

A.原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序一般为3pf4sf3d

B.某基态原子部分核外电子排布式为3s24s2

C.在多电子原子中，电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级

D.从第三能层开始出现能级交错现象

答案B

解析根据构造原理判断，A项正确；根据构造原理可知，电子填满3s能级后,

再填入的能级是3P而非4s,B项错误；从M层开始出现能级交错现象，电子

填入能级的顺序是3s-3p-4s-3d……因此在多电子原子中，电子最后填入的能

级不一定是原子最外能层上的能级，如Fe原子中电子最后填入的能级是3d,属

于次外层，C、D项JF确。

2.下列属于基态原子的电子排布式的是（）

①ls12s2②Is22sl2P2③Is22s22P63sl

④Is22s22P63s23P3

A.全部B.①@

C.②③D.@®

答案D

解析①中Is能级未填满就填充2s能级，属于激发态原子的电子排布式；②中

2s能级未填满就填充2P能级，属于激发态原子的电子排布式；③和④均按照构

造原理填充电子，都属于基态原子的电子排布式。

3.下列原子或离子的核外电子排布式，正确的是（）

A.]6s2一:Is22s22P63s23P4

B.21SU：Is22322P63523P64s23小

C.isAr：1s22s22P63s23P6

D.9F：2s22P5

答案C

解析S2一的原子核外共有18个电子，其核外电子排布式为Is22s22P63s23P6,选项

A是S原子的核外电子排布式，故A不符合题意；书写电子排布式时，能层低的

能级要写在左边，能层高的能级要写在右边，因此2ISC原子的核外电子排布式应

为心22522P63s23P63dzs2,故B不符合题意；D是F原子的最外层电子(价层电子)

排布式，不符合题意。

4.根据构造原理，试比较下列能级的能量高低(填或"v”)。

⑴2P3p4p；

(2)4s4p4d4f；

(3)4s3d；

(4)6s4f5do

答案(1)<<(2)<<<(3)<(4)<<

5.(1)基态B原子的电子排布式为o

⑵基态N原子的价层电子排布为o

(3)Se原子的原子序数为,其M层的电子排布为、

(4)Li3N晶体中氮以N3—形式存在，基态N?一的电子排布式为o

(5)基态绿原子的电子排布式：o

(6)建筑中使用了高强度、高性能的帆氮合金高新钢。基态锐原子的价层电子排布

为o

答案⑴Is22s22Pl(或[He]2s?2pi)(2)2s22p3

(3)343s23P63d10(4)Is22s22P6(或[He]2s22P6)

(5)Is22s22P63s23P63di04s24Pl(或[Ar]3d104s24pD(6)3d34s2

二、电子云与原子轨道

(一)知识梳理

1.电子云

(1)概率密度

量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而

在核外空间各处都可能出现但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布。

用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，p表示概率密度，则p=

P/V.

(2)电子云

①定义：核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而形象地称作电子云。

②意义：电子云是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。小点越密，表示概率密度越大。加氢的电子云图为

(3)电子云轮廓图

①含义：绘制电子云轮廓图的目的是表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间

运动状态有一个形象化的简便描述。

②电子云轮廓图形状：所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是一个理

彪，只是球的半径不同；p电子云轮廓图是唾继，而且都有3个相互垂直的电

子云C

°°oO

Is2s3s4s

同一原子的s电,子的电.子云轮廓图

P.PrP：

p,、p,、p.的电子云轮廓国

2.原子轨道

⑴定义

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

①s轨道呈球彩，能层序数越大，原子轨道的半径越大。

②p轨道呈哑铃形，无论2p、3P还是4P都有3个相互垂直的原子轨道。

(3)各能级所含有的原子轨道数

能级ns叩〃dnf•...

原子轨道数1357••••••

(二)问题探究

问题1所有原子任一能层的s电子云轮廓图的形状都是相同的，它们的半径有

什么关系？

提示所有原子的任一能层的s电子云轮廓图都是球形，球的半径不同，能层越

高，s电子云轮廓图的半径越大。这是由于Is、2s、3s……电子的能量依次增高，

电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。

问题2p电子云轮廓图的平均半径与能层序数有什么关系？在同一能层中口、

py>pz的能量是否相同？

提示P电子云轮廓图的平均半径随能层序数的增大而增大，在同一能层中p.v.

小、pz的能量是相同的。

【探究归纳】

(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〃越大,

原子轨道的半径越大，能量越高。

(2)p能级有3个原子轨道，它们互相垂直c在同一能层中p.rxpVxp二的能量相同，

取向不同。同一能级中的轨道能量相等。

(3)原子轨道数与能层序数(〃)的关系：原子轨道为

■对点训练

1.关于电子云的叙述不正确的是()

A.电子云是用小点的疏密程度来表示电子在空间出现概率密度大小的图形

B.电子云实际是电子运动形成的类似云一样的图形

C.小点密集的地方，电子在那里出现的概率大

D.轨道不同，电子云的形状一般不一样

答案B

解析电子云是用来描述核外电子在空间出现概率大小的图形，并不是电子实际

的运动轨道，B错误。

2.下列说法正确的是()

A.p轨道是“8”字形的，所以p电子走“8”字形

B.电子层数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道

C.氢原子中只有一个电子，故氢原子只有一条轨道

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P轨道是哑铃形，是说电子出现概率高的“区域”的形状，而不是P电子

的运动轨迹，A错误；〃=3时，共有3s、3p、3d三个能级，共有1+3+5=9个

轨道，B错误；氢原子中只有一个电子，只填充1s轨道，但氢原子核外有多个空

轨道，C错误。

3.3p»所代表的含义是（）

A.p轨道上有3个电子

B.第三能层口轨道有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3Px中3代表第三能层，p指的是p轨道，x指原子轨道沿x轴方向伸展，

因此3%代表第三能层沿x轴方向伸展的p轨道，故诜D。

课后

A级合格过关练

选择题只有1个选项符合题意

（一）构造原理与电子排布式

1.按照构造原理，下列电子填入能级的顺序正确的是（）

A.ls^2p、3d、4sB.ls^2s、3s、2p

C.2s>2p、3s、3pD.4p>3d、4s、3p

答案C

解析由构造原理可知，A项中电子填入能级的正确顺序应为Is、2p、4s、3d,

A错误；B项中电子填入能级的正确顺序应为Is、2s、2p、3s,B错误；D项中

电子填入能级的正确顺序应为3p、4s、3d、4p,D错误。故选C。

2.下列各项中，前面的能级比后面的能级先填入电子的是（）

①3d和4s②4P和5s③5s和4d©5p和4d

A.①②B.@@

C.②④D.③④

答案B

解析根据构造原理可知，电子填入能级的顺序为Is、2s、2p、3s、3p、4s、3d、

4p、5s、4d、5p、6s,从而可以看出②③中前面的能级比后面的能级先填入电子。

故选Bo

3.第四周期某元素基态原子4s轨道上有2个电子，则该基态原子价层电子排布不

可能是（）

A.4s2B.3d54s2

C.3d94s2D.4s24P5

答案C

解析若价层电子排布为4s2,为20号元素Ca,电子排布式为[Ar]4s2,A正确;

若价层电子排布为3d54s-为25号元素Mn,电子排布式为[Ar]3d54s2,B正确;

价层电子排布为3d94s2,为29号元素Cu,电子排布式为[Ar]3p04slC错误;若

价层电子排布为4s24P5,为35号元素Br,电子排布式为[Ar]?/。4s24P"D正确。

4.下列电子排布式是基态原子的电子排布式的是（）

①Be：Is22sl2Pl②O：Is22s22P‘③He：Is12sl@C1：1s22s22P63s23P5

A.①②B.②③

C.①③D.②④

答案D

解析①Be：Is22sl2Pl是激发态，2s能量低于2p；②O：Is22s22P4是基态；③He：

Is12sl是激发态，Is能量低于2s；④Cl：Is22s22P63s23P5是基态。

5.某原子的最外层电子排布为3s23P2,下列对其核外电子运动的说法错误的是

（）

A.有4种不同的伸展方向

B.有5种不同能量的电子

C.有5种不同的运动范围

D.有14种不同运动状态的电子

答案C

解析某原子的最外层电子排布为3s23P2,则该元素是14号Si元素。在Si原子

上有s、p两种轨道，s轨道是球形对称的，p轨道有三个不同的伸展方向，因此

Si原子有4种不同的伸展方向，A正确;Si元素的核外电子排布为Is22s22P63s23P2,

处于同一能级上的电子的能量相同，在Si原子上有5种不同的能级，有5种不同

能量的电子，B正确；Si的核外电子排布为Is22s22P63s23P\原子核外有9种不

同的原子轨道，运动范围大于5种，C错误；Si是14号元素，原子核外有14个

电子，由于在同一个原子中，不存在运动状态完全相同的电子，因此Si原子有

14种不同运动状态的电子，D正确。

(二)电子云与原子轨道

6.基于构造原理填充顺序，下列原子轨道的能量大小比较，正确的是()

A.E(4s)<E(4f)B.E(3s)>E(3p)

C.E(4s)<E(3p)D.E(2pJ〈E(2py)

答案A

解析根据构造原理可知，不同能级能量由低到高的顺序为：lsV2sV2p〈3sV

3p<4s<3d<4p<5s<4f,据此分析解题。根据构造原理可知，E(4s)<E(4f),E(3s)

VE(3p),/?(40>E(3p),A正确，R、「错误；根据构造原理可知，同一能级不同

轨道的能量相同，故E(2pv)=E(2p.、)，D错误。

7.下列说法正确的是()

A.原子轨道是指原子运行的轨道

B.电子云中的一个小黑点代表一个电子

C.s电子的电子云轮廓图呈哑铃形，p电子的电子云轮廓图呈哑铃形

D.电子云密度大的地方，说明电子在该空间单位时间内出现的机会多

答案D

解析原子轨道不是原子运行的轨道，是对核外包子运动状态的描述，A错误；

电子云中小黑点本身没有意义，不代表电子，代表的是电子在此处出现的概率，

B错误；s电子的电子云轮廓图是球形，p电子的电子云轮廓图为哑铃形，C错误；

电子云密度大的地方，说明电子在该空间单位时间内出现的机会多，D正确。

8.下列能级符号正确且原子轨道数最多的是()

A.2dB.3f

C.4dD.5s

答案C

解析不存在2d、3f能级，A、B错误；4d能级有5个原子轨道，5s能级有1个

原子轨道，C正确，D错误。

9.下列关于电子云示意图的叙述正确的是（）

A.电子云表示电子的运动轨迹

B.小黑点的多少表示电子个数的多少

C.处于1s轨道上的电子在空间出现的概率分布呈球形对称，而且电子在原子核附

近出现的概率小，离核越远电子出现的概率越大

D.处在2P二轨道的电子主要在孙平面的上、下方出现

答案D

解析电子云示意图是用小黑点的疏密来表示电子在原子核外出现的概率的大小,

A、B错误；1s轨道的电子云呈球形对称，在原子核附近小点密集，电子出现的

概率大，离核越远电子出现的概率越小，C错误；处在2Pz轨道上的电子在空间

出现的概率分布沿z轴方向伸展，电子主要在孙平面的上、下方出现，D正确。

10.下列各离子或原子的电子排布式错误的是（）

A.Ca?-：Is22s22P63s23P6

B.O2：Is22s22P6

C.K：Is22s22P63s23P64sl

D.Fe2+：Is22s22P63s23P63d54sl

答案D

解析已知O原子的电子排布式为Is22s22P4,故-的电子排布式为Is22s22P6；

Fe2+的电子排布式为1822s22P63s23P63d6。

B级素养培优练

11.下列关于原子结构的说法不正确的是（）

A.同一原子中，2p^3p、4P电子的能量依次增大

B.电子由3d能级跃迁至5s能级，可通过光谱仪摄取原子的发射光谱

C.N能层中有4s、4p、4d、4「四个能级，共16个轨道，可容纳32种不同运动状

态的电子

D.基态K原子占据最高能层的电子的电子云•轮廓图为球形

答案B

解析相同轨道能层越高能量越大，则能量：2P<3p<4p,故A正确；电子由3d

能级跃迁至5s能级，吸收能量，所得光谱为吸收光谱，故B错误；每个轨道最

多容纳2个电子，N能层最多可容纳32个电子，故C正确；基态K原子核外电

子排布式为：[Ar]4sl最高能层的电子在s轨道，s轨道电子云轮廓图为球形，，故

D正确。

12.某原子核外共有15个不同运动状态的电子，下列说法正确的是（）

A.该基态原子的电子排布式为Is22s22P63s23P23dl

B.原子中的所有电子占有3个能级9个轨道

C.该元素的最高价氧化物对应的水化物为两性氢氧化物

D.基态原子中能量最高的电子的电子云轮廓图为哑铃形

答案D

解析某原子核外共有15个不同运动状态的电子，则该原子为P原子，其基态

原子核外电子排布式为Is22s22P63s23P3,A错误；该原子中电子占有ls、2s、2p、

3*、3p共5个能级，9个轨道，R错误；该元素的最高价箪，化物对应的水化物

H3P04为中强酸，C错误；基态原子中能量最高的电子处于3P能级，3P电子云

轮廓图为哑铃形，D正确。

13.下列各组指定的元素，不能形成AB2型化合物的是（）

A.[He]2s22p2和[He]2s22P4

B.[Ne]3s23P4和[He]2s22P4

C.[Ne]3s2和[He]2s22P5

D.[Ne]3sl和[Ne]3s23P4

答案D

解析核外电子排布式为[He]2s22P2的元素为C,核外电子排布式为[He]2s22P4的

元素为0,二者可形成CO2,A项不符合题意；核外电子排布式为[Ne]3s23P4的

元素为S,核外电子排布式为[He]2s22P4的元素为0,二者可形成SCh,B项不符

合题意；核外电子排布式为[Ne]3s2的元素为Mg,核外电孑排布式为[He]2c2P'

的元素为F,二者可形成MgF2,C项不符合题意；核外电子排布式为[Ne]3sl的

元素为Na,核外电子排布式为[Ne]3s23P4的元素为S,二者形成NazS,不能形成

AB2型化合物，D项符合题意。

14.某元素基态原子3d轨道上有5个电子，则该原子最外层电子的排布可能是

（）

A.4sB.4s24p6

C.4524P3D.3s23P63d5

答案A

解析3d轨道上有5个电子，根据构造原理可知电子先填充4s轨道再填充3d轨

道，等3d轨道填满后再填充4P轨道，故题给原子的价层电子排布为3d54sl或3d54s2,

最外层电子排布为4sl或4s2,故A符合题意。

15.下列各组表述中，两个微粒不