第一节　原子结构

高中化学选择性必修2人教版第一节原子结构

1.能层

1|能层与能级2.能级

3.不同能层、能级所能容纳的最多电子数(详见定点1)1.基态原子与激发态原子2.光谱与光谱分析(1)原子光谱①含义:不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光,可以用光谱仪

摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。2

|基态与激发态原子光谱(2)光谱分析

②成因与分类

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。其示意图如下:

3|构造原理与电子排布式(1)概念:将能级上所排布的电子数标注在该能级符号右上角,并按照能层由低到

高的顺序排列的式子。(2)表示方法

3.电子能量的高低(详见定点1)2.电子排布式1.电子云(1)电子云: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)电子云轮廓图的形状:s能级的电子云轮廓图是球形的,p能级的电子云轮廓图

是哑铃形的。2.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。4|电子云与原子轨道能级nsnpndnf……原子轨道数1357……(2)形状①s轨道呈球形,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1.电子自旋与泡利原理(1)电子自旋:电子除空间运动状态外,还有一种状态叫做自旋。电子自旋在空间

有顺时针和逆时针两种取向,简称自旋相反,常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反

的电子。(2)泡利原理(也称泡利不相容原理):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。2.电子排布的轨道表示式(1)轨道表示式(又称电子排布图):在轨道表示式中,用方框(或圆圈)表示原子轨道,能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连,箭头表示一种自旋状态的电子,“↑↓”称电子对,“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)。5|泡利原理、洪特规则、能量最低原理轨道表示式中各符号、数字的意义如下(以基态铝原子为例):(2)表示方法特别提醒通常应在方框下方或上方标记能级符号。有时画出的能级上下错落,

以表达能量高低不同。3.洪特规则基态原子中,当电子填入简并轨道时,电子总是优先单独占据一个轨道,而且

自旋状态相同,这个规则是由洪特首先提出的,称为洪特规则。如2p轨道上有3个

电子时的排布图为

,不能表示为

或

。洪特规则不仅适用于基态原子,也适用于基态离子。知识拓展洪特规则特例:当同一能级上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半

充满(p3、d5、f7)或全空状态(p0、d0、f0)时,原子具有较低的能量和较强的稳定

性。例如,铬(24Cr)的价层电子排布是3d54s1(3d、4s能级均为半充满),而不是3d44s2;

铜(29Cu)的价层电子排布是3d104s1(3d能级为全充满、4s能级为半充满),而不是3d94s2。4.能量最低原理在构建基态原子时,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。1.硫原子的电子排布式可简化为[Ne]3s23p4,这种说法正确吗?提示：正确。为了方便,常把内层已达稀有气体元素原子电子层结构的部分用稀有气体元素符号外加方括号表示。如K:1s22s22p63s23p64s1,可简化为[Ar]4s1,又如Fe:1s22s22p63s23p63d64s2,可简化为[Ar]3d64s2。2.价层电子就是最外层电子,这种说法正确吗?提示：不正确。价层电子指原子参加化学反应时与化合价有关的电子;最外层电子指原子最外面的电子层上的电子。对于主族元素,最外层电子数等于价层电子数;对于副族元素,部分能量高的次外层电子参与成键,即次外层部分电子与最外层电子统称为价层电子。知识辨析3.英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同,这种说法正确吗?提示：正确。如所有s能级最多容纳2×1个电子,p能级最多容纳2×3个电子,d能级最多容纳2×5个电子,f能级最多容纳2×7个电子。4.可以根据构造原理书写基态原子的电子排布式,这种说法正确吗?提示：正确。只要知道原子序数(等于核电荷数),就可以根据构造原理写出绝大多数元素基态原子的电子排布。5.电子排布式的书写顺序与核外电子填充轨道的顺序一定相同,这种说法正确

吗?提示：不正确。电子排布式按能层和能级由低到高的顺序书写,而核外电子填充轨道的顺序遵循构造原理。6.Fe3+的稳定性强于Fe2+,这种说法正确吗?提示：正确。基态铁原子的价层电子排布式为3d64s2,失去4s轨道上的2个电子后变成Fe2+,Fe2+的价层电子排布式为3d6,而Fe3+的价层电子排布式为3d5,3d轨道为半充满稳定结构。

1.能层在含有多个电子的原子里,电子的能量是不相同的,因此,它们运动的区域也

不同。通常能量最低的电子在离核最近的区域运动,而能量高的电子在离核较远

的区域运动。根据多电子原子核外电子的能量差异可将核外电子分成不同的能

层(即电子层)。如钠原子核外有11个电子,第一能层有2个电子,第二能层有8个电

子,第三能层有1个电子。2.能层与能级的组成以及能量的关系(1)能层与能级类似楼层与楼梯之间的关系,就好比能层是楼层,能级是楼梯的阶级,如图所示。任一能层的能级总是从s能级开始,能级数=能层序数,即第一能层只有1个能级(1s),第二能层有2个能级(2s和2p),第三能层有3个能级(3s、3p和3d),依次类推。1不同能层最多容纳电子数的判断

(2)能级的字母代号总是s、p、d、f……排序的,字母前的数字是它们所处的能层

序数,它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1、3、5、7……的2

倍。一个能层最多可容纳的电子数=2n2(n为能层序数)。(3)英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如,1s、2s、3s、

4s……能级最多都只能容纳2个电子。

(4)能层或能级的能量关系

典例下列说法正确的是

(

)A.第三能层有s、p两个能级B.在基态多电子原子中,p轨道电子能量一定高于s轨道电子能量C.第三能层最多容纳8个电子D.无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2D解析

第三能层有s、p、d三个能级,A错误;同一能层中,p轨道电子能量一定比s

轨道电子能量高,但能层较高的s轨道电子能量则比能层低的p轨道电子能量高,B

错误;每个能层最多可容纳的电子数是2n2,第三能层最多容纳18个电子,C错误;s能

级最多可容纳的电子数为2,D正确。归纳总结能层与能级的相关规律(1)能量规律对于多电子原子的核外电子,按能量的差异将其分成不同的能层;对于同一

能层中能量不同的电子,又将其分成不同的能级,各能层中的能级数恰好等于相

应的能层序数(n)。(2)数量规律每一个能层可容纳的最多电子数为2n2,每一个原子轨道最多容纳2个电子,每

一个能层含有的原子轨道数为n2。

1.构造原理(1)能级交错:由构造原理可知,核外电子排布的能级顺序为1s、2s、2p、3s、3p、

4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……从中可以看出,从第三能层

开始,各能级不完全遵循能层顺序,产生了能级交错现象。(2)用构造原理解释基态原子核外最外层和次外层电子的排布问题①基态原子最外层电子数不超过8个当ns和np轨道全充满时(共4个轨道,最多容纳8个电子),由于能级交错,多余电

子不是填入nd轨道,而是首先形成新电子层,填入(n+1)s轨道中,因此最外层电子数

不可能超过8个。2构造原理与基态原子的核外电子排布②基态原子次外层电子数不超过18个若最外层是第n层,次外层就是第(n-1)层。由于电子填充顺序为np→(n+1)s→(n-1)f,在第(n+1)层出现前,次外层只有(n-1)s、(n-1)p、(n-1)d上有电子,这三个亚层共有9个轨道,最多可容纳18个电子,因此次外层电子数不超过18个。例如,某原子最外层是第五层,次外层就是第四层,由于电子填充顺序为5p→6s→4f,在第六层出现之前,次外层(第四层)只有4s、4p和4d轨道上有电子,这三个亚层共有9个轨道,最多可容纳18个电子,也就是次外层电子数不超过18个。2.基态原子核外电子排布(1)基态原子的电子排布式

电子填充顺序举例1~20号元素的原子按照构造原理电子依次填充到

各能级中6C:1s22s22p210Ne:1s22s22p617Cl:1s22s22p63s23p519K:1s22s22p63s23p64s120号之后元素的原子先根据构造原理填充,然后将同

一能层的能级排到一起26Fe:先按构造原理填充为1s22s22p63s23p64s23d6,然后将同一能层的能级排到一起,即26Fe的核外

电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2特殊原子满足半充满、全充满稳定结构24Cr:1s22s22p63s23p63d54s1(3d能级半充满,稳定)29Cu:1s22s22p63s23p63d104s1(3d能级全充满,稳定)(2)基态离子的电子排布式①判断原子变成离子时得到或失去的电子数。②原子失去电子的顺序是由外向里。一般来说,主族元素的原子只失去它们的最

外层电子,而副族元素的原子可能还会失去次外层电子。③原子得到电子从而形成阴离子,得到的电子填充在最外一个能层的某一个能级上。(3)简化电子排布式为了方便,电子排布式中达到稀有气体元素原子电子层结构的部分可用相应

的稀有气体元素符号外加方括号来表示。例如,Ca:1s22s22p63s23p64s2,其中1s22s22p63s23p6写作[Ar],4s2为价层电子排布式,故Ca的电子排布式可表示为[Ar]4s2。3.书写电子排布式的注意事项(1)电子的填充顺序:先根据构造原理上的能级顺序依次写出每个能级符号,然后依据每个能级最多可容纳的电子数,填满一个能级再填下一个能级。(2)能级的书写顺序:按照能层序数由小到大的顺序书写。即当出现d轨道时,电子

按ns、(n-1)d、np的顺序填充,但在书写电子排布式时,要把(n-1)d写在ns的前面,

如Mn:1s22s22p63s23p63d54s2,而不能写成1s22s22p63s23p64s23d5。

典例X、Z、Q、R、U分别代表原子序数依次增大的短素。X和R属同族元素;Z和U位于第ⅦA族;X和Z可形成化合物XZ4;Q基态原子的s轨道和p轨

道的电子总数相等。请回答下列问题:(1)R基态原子的电子排布式是

。(2)基态Q2+核外电子排布式是

。(3)U基态原子最外层电子排布式是

。思路点拨先推断出元素,再根据相关规则写出电子排布式。解析

由题给信息可知,X、Z、Q、R、U分别为C、F、Mg、Si、Cl元素。(1)R(Si)元素原子核外有14个电子,其基态原子按1s、2s、2p、3s、3p顺序填充电

子,故其核外电子排布式为1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2。(2)Q(Mg)元素原子核外有12个电子,其基态原子按1s、2s、2p、3s顺序填充电子,

故Mg基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s2或[Ne]3s2。基态Mg原子失去3s轨

道上的2个电子,形成基态Mg2+,故基态Mg2+的核外电子排布式为1s22s22p6。(3)U(Cl)元素原子核外有17个电子,其基态原子按1s、2s、2p、3s、3p顺序填充

电子,则Cl基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p5或[Ne]3s23p5,从而推知其

基态原子最外层电子排布式为3s23p5。答案

(1)1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2

(2)1s22s22p6(3)3s23p5

原子核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理(又叫做泡利不相容原

理)和洪特规则(还有洪特规则的特例)。常见的表示方法如下:3原子核外电子排布的表示方法原子(离子)结构示意图含义将每个电子层上的电子总数表示在原子核外的图示意义能直观地反映核内的质子数和核外的电子层数及各电子层上的电子数实例Al:

S2-:

电子排布式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意义能直观地反映核外电子的能层、能级和各能级上的电子数实例K:1s22s22p63s23p64s1简化电子排布式含义把电子排布式中达到稀有气体元素原子电子层结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示意义避免电子排布式书写过于复杂实例K:[Ar]4s1价层电子排布式价层电子含义对于主族元素,价层电子即最外层电子;对于副族元素,部分次外层电子与最外层电子统称价层电子意义能直观地反映基态原子的电子层数、参与成键的电子数实例Al:3s23p1轨道表示式(电子排布图)含义每个原子轨道用1个方框(或圆圈)表示,在方框(或圆圈)内用箭

头表示电子及其自旋状态意义能直观地反映电子的分布情况及电子的自旋状态实例O:

典例A、B、C、D、E代表前四五种元素,原子序数依次增大。请填空:(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,其电子排布图

为

。(2)B元素的负一价离子的电子层结构与氩相同,B的离子的结构示意图为

。(3)C元素的正三价离子的3d能级为半充满状态,C的元素符号为

,其基态

原子的价层电子排布式为

。(4)D元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子,只有一个未成对电子,D的元

素符号为

。其基态原子的电子排布式为

。(5)E元素基态原子中没有未成对电子,B、E可形成化合物EB2。E原子的价层电

子排布式是

。素养解读

本题以“物质推断”为情境素材,考查泡利原理、洪特规则和能量最

低原理的应用,提升学生学以致用的能力,培养证据推理与模型认知的化学学科

核心素养。思路点拨推断元素时应注意泡利原理和洪特规则的应用,如:“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”说明A元素有2个能层,根据洪特

规则判断,A原子的最外层电子排布为2s22p3,A元素为氮元素。解析

(1)基态原子的最