第1讲　原子结构　核外电子排布

第1讲原子结构核外电子排布课时要求1.知道元素、核素的含义,了解原子核外电子的排布;2.了解原子核外电子排布的构造原理,认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等;3.知道1~36号元素基态原子核外电子的排布。考点一原子结构核素与同位素1.原子的构成(1)构成原子的微粒及作用(2)微粒之间的数量关系①原子中:质子数(Z)=核电荷数=核外电子数。②质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。③阳离子的核外电子数=质子数-阳离子所带的电荷数。④阴离子的核外电子数=质子数+阴离子所带的电荷数。(3)微粒符号周围数字代表的信息小题对点过(1)有质子的微粒不一定有中子,如,有质子的微粒不一定有电子,如。

(2)核外电子数相同的微粒,其质子数不一定相同,如和(其他合理也可)等。

(3)中国计量科学研究院自主研制出了精确度极高的NIM5铯(133Cs)原子喷泉钟,2000万年不差一秒。已知该铯原子的质子数为55。①该铯原子的质量数,中子数。

②Cs+的核外电子数,133g该离子含有的电子数为(用NA表示阿伏加德罗常数)。

答案(1)1HH+(2)Al3+Na+(3)①13378②5454NA2.元素、核素、同位素(1)元素、核素、同位素的概念及相互关系(2)元素、核素、同位素的理解①同位素的特征同一元素的各种核素的中子数不同,质子数相同,化学性质几乎完全相同,物理性质差异较大;同一元素的各种稳定核素在自然界中所占的原子百分数(丰度)不变。②同位素之间的转化,既不是物理变化也不是化学变化,是核反应。(3)氢元素的三种核素11H:名称为氕,12H:用字母D表示,名称为氘13H:用字母T表示,名称为(4)几种重要核素的用途核素926118用途核燃料用于考古断代制氢弹示踪原子小题对点过(1)下列说法错误的是。

①核聚变如12H+13H――②1735③S8与S2互为同位素④中子数为9的核素表示为7(2)下列8种化学符号:1①表示核素的符号共种。

②互为同位素的是和。

③质量数相等,但不能互称同位素的是和。

④中子数相等,但质子数不相等的核素是和。

答案(1)①③④(2)①6②3④11(一)元素、核素、同位素概念辨析1.(2024·湖南岳阳一中高三模拟)据科学家推测,月球的土壤吸附着数百万吨的23He,在地球上氦元素主要以24He的形式存在,下列有关2A.属于同一种核素B.质量数相同C.23D.23答案D解析两者的中子数不同,质量数不同,属于不同的核素,故A错误;23He的质量数是3,24He的质量数是4,二者质量数不同,故B错误;23He和2.(2024·江西宜春模拟预测)科技发展与化学密切相关。下列说法错误的是()A.TiO2光催化乙苯脱氢转化为苯乙烯,两种有机物互为同分异构体B.科研团队合成环状的C10和C14,C10和C14互为同素异形体C.铌酸锂(LiNbO3)纳米超材料具有独特光学特性,4193NbD.我国首次获得公斤级丰度99%100Mo产品,100Mo与98Mo互为同位素答案A解析A.乙苯和苯乙烯的分子式不同,不互为同分异构体,A错误;B.C10和C14均为碳的单质,互为同素异形体,B正确;C.4193Nb的中子数为52,C正确;D.100Mo与98Mo质子数相同,中子数不同,互为同位素,抓住描述对象突破“四同”判断(1)同位素——原子,如11(2)同素异形体——单质,如O2、O3;(3)同系物——化合物,如CH3CH3、CH3CH2CH3;(4)同分异构体——化合物,如正戊烷、新戊烷。(二)原子(离子)、分子中各微粒关系3.(2024·湖南长沙高三模拟)我国玉兔二号月球车是采用核能来提供能量的,它的核能电池系统主要包括两个组成部分:一个装填钚(94238Pu)二氧化物的热源和一组固体热电偶。该装置使钚238衰变产生的核能转化为电能,其反应可以表示为94238Pu――→mzU+24He2++2e-+γ光子,A.zmU的中子比钚238的中子少B.zmC.zmD.24He2+答案B解析根据质量数守恒和质子数守恒,钚238发生衰变时产生的zmU的质量数m为234,质子数z为92,故zmU的中子数为142,而94238Pu中子数为144,92234U的中子比钚238的中子少2个,故A正确;92234U与94238Pu质子数不相同,不属于同位素关系,故B错误;92234U4.(2024·淄博高三模拟)(1)1molH218O与1mol(2)已知阴离子R2-的原子核内有n个中子,R原子的质量数为m,则wgR原子完全转化为R2-后,含有电子的物质的量是。

答案(1)1∶1(2)w考点二原子核外电子排布1.核外电子运动状态(1)电子云由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾,因而被形象地称作电子云。(2)核外电子运动状态核外电子按能量不同分成能层,同一能层的电子,还被分成不同能级。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。小题对点过(1)填写下表,熟悉原子核外能层、能级、原子轨道之间的关系。能层(n)一二三四能层符号能级符号各能级原子轨道数各能层原子轨道数最多容纳电子数(2)常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。s电子云轮廓图呈形、p电子云轮廓图呈形。p电子云有种伸展方向。

(3)预测第五电子层上原子轨道总数是多少?最多能容纳的电子数是多少?(4)比较下列基态原子能级或原子轨道的能量高低。①1s、2s、2p、3s、3p、3d②2s、2px、2py、2pz答案(1)能层(n)一二三四能层符号KLMN能级符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f各能级原子轨道数1131351357各能层原子轨道数14916最多容纳电子数281832(2)球哑铃3(3)2550(4)①1s<2s<2p<3s<3p<3d②2s<2px=2py=2pz2.基态与激发态原子光谱(1)基态与激发态①基态原子:处于最低能量状态的原子。②激发态原子:基态原子吸收能量,它的电子会跃迁到较高能级,变为激发态原子。(2)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的光,用光谱仪记录下来便得到原子光谱。利用原子光谱上的特征谱线可以鉴定元素,称为光谱分析。小题对点过(1)铜或铜盐的焰色试验为绿色,该光谱是(填“吸收光谱”或“发射光谱”)。

(2)钾发生焰色试验的原因是

。

答案(1)发射光谱(2)电子由较高能量的激发态跃迁到能量较低的激发态或基态时,以光的形式释放能量3.基态原子核外电子排布(1)构造原理——电子填充顺序(2)基态原子核外电子排布规律①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。②泡利原理: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。③洪特规则:基态原子中,填入简并轨道的电子总是先单独分占,且自旋平行。④洪特规则特例当能量相同的原子轨道在全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时,体系的能量最低,如基态24Cr原子的核外电子排布式不应写为1s22s22p63s23p63d44s2正确的是1s22s22p63s23p63d54s1。(3)基态原子核外电子排布表示方法(以硫原子为例)电子排布式1s22s22p63s23p4简化电子排布式[Ne]3s23p4轨道表示式价层电子排布式3s23p4小题对点过(1)下列Li原子轨道表示式表示的状态中,能量最低和最高的分别为、(填字母)。

(2)按要求书写电子排布式或轨道表示式。①基态硅原子最外层电子排布的轨道表示式为。

②基态镓(Ga)原子的核外电子排布式为。

③基态Cu原子简化电子排布式。

④基态Ni2+的价层电子轨道表示式为。

(3)价层电子排布式与最外层电子排布式相同吗?试举例说明。

答案(1)DC(2)①②1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)③[Ar]3d104s1④(3)价电子是原子在参与化学反应时能够用于成键的电子,是原子核外跟元素化合价有关的电子。在主族元素中,价电子数就是最外层电子数;副族元素原子的价电子,除最外层电子外,还可包括次外层电子。例如,Mn的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2,价电子排布式为3d54s2。解析(1)根据核外电子排布规律可知Li的基态原子核外电子排布式为1s22s1,则D中能量最低;选项C中有2个电子处于2p能级上,能量最高。1.判断电子的运动状态(1)基态F原子核外电子的运动状态有种。

(2)基态钛原子的价层电子排布式为,其原子核外电子的空间运动状态有种,共有种运动状态不同的电子。

(3)基态Si电子排布式表示为[Ne]3s23px2违背了答案(1)9(2)3d24s21222(3)洪特规则解析(1)基态F原子共有9个核外电子,则每个电子都有对应的轨道和自旋状态,所以核外电子的运动状态有9种。(2)基态Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2,价层电子排布式为3d24s2;s轨道有一种空间运动状态,p轨道有三种空间运动状态,d轨道有五种空间运动状态,3d轨道只有两个电子,有两种空间运动状态,因此基态Ti原子的核外电子的空间运动状态有12种;核外有22个电子,就有22种运动状态不同的电子。2.判断原子中未成对电子数目。(1)基态Ti3+中未成对电子数有个;与Ti同族相邻的元素Zr的基态原子价层电子排布式为。与钛同周期元素的基态原子中,未成对电子数与钛相同的元素有种。

(2)血红蛋白中的铁处于基态时,其最高级中的单电子数为。

(3)Cr与Ni的基态原子核外未成对电子数之比为。

答案(1)14d25s23(2)4(3)3∶1解析(1)Ti位于第四周期,Ti的基态原子未成对电子数是2,与钛同周期的所有元素的基态原子中,未成对电子数与钛相同的元素有Ni、Ge、Se。(3)基态铬原子价层电子排布式为3d54s1,核外有6个未成对电子,基态镍原子价层电子排布式为3d84s2,核外有2个未成对电子,则铬与镍的基态原子核外未成对电子数之比为3∶1。3.Fe3+比Fe2+的稳定性更(填“强”或“弱”),从结构上分析原因是

。

答案强Fe3+的价层电子排布式为3d5,处于“半充满状态”,故Fe3+比Fe2+更稳定4.核外电子排布与元素推断(按要求填空)。(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,其元素符号为。

(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的元素符号为。

(3)D元素的正三价离子的3d轨道为半充满,D的元素符号为,其基态原子的电子排布式为。

(4)E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,E的元素符号为,其基态原子的电子排布式为

。

答案(1)N(2)ClK(3)Fe1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2(4)Cu1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1解析(1)A元素原子核外共有7个电子,则其核内有7个质子,因此A元素为N。(2)B、C分别为17、19号元素,即分别为Cl、K。(3)D3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,可知D为26号元素,即Fe,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2。(4)E元素原子核外共有29个电子,第29号元素为Cu,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。本讲感悟疑点:

盲点:

1.(2025·八省联考河南卷)下列化学用语或图示正确的是()A.CaO的电子式:Ca2+[︰O‥‥︰B.Li+的结构示意图:C.中子数为38的镓原子:31D.的化学名称:2-乙基戊烷答案A解析A.CaO是离子化合物,电子式为Ca2+[︰O‥‥︰]2-,故A正确;B.Li+核外有2个电子,结构示意图为,故B错误;C.中子数为38的镓原子,质量数为69:3169Ga,故C错误;D.主链有6个碳原子,3号碳原子上连有1个甲基,化学名称:3-甲基己烷,故2.(2023·浙江1月选考节选)由硅原子核形成的三种微粒,电子排布式分别为:①[Ne]3s23p2、②[Ne]3s23p1、③[Ne]3s23p14s1,有关这些微粒的叙述,正确的是。

A.微粒半径:③>①>②B.电子排布属于基态原子(或离子)的是:①②C.电离一个电子所需最低能量:①>②>③D.得电子能力:①>②答案AB解析电子排布式分别为①[Ne]3s23p2、②[Ne]3s23p1、③[Ne]3s23p14s1,可推知分别为基态Si原子、Si+离子、激发态Si原子。A.激发态Si原子有四层电子,Si+离子失去了一个电子,根据微粒电子层数及各层电子数多少可推知,微粒半径:③>①>②,选项A正确;B.根据上述分析可知,电子排布属于基态原子(或离子)的是:①②,选项B正确;C.激发态Si原子不稳定,容易失去电子;基态Si原子失去一个电子是硅的第一电离能,Si+离子失去一个电子是硅的第二电离能,由于I2>I1,可以得出电离一个电子所需最低能量:②>①>③,选项C错误;D.由C可知②比①更难失电子,则②比①更容易得电子,即得电子能力:②>①,选项D错误。3.(2024·河北卷)钒原子的价层电子排布式为;

焙烧生成的偏钒酸盐中钒的化合价为。

答案3d34s2+5解析V为23号元素,价层电子排布式为3d34s2;焙烧后V的存在形式为VO3-,V为4.按要求填空。(1)(2024·新课标卷)Ni基态原子价电子的轨道表示式为。

(2)(2024·湖北卷)基态Be2+的轨道表示式为。

(3)(2023·全国乙卷)基态Fe原子的价电子排布式为。

(4)(2023·北京卷)基态S原子价层电子排布式是。

(5)(2022·全国乙卷)氟原子激发态的电子排布式有,其中能量较高的是(填标号)。

a.1s22s22p43s1 b.1s22s22p43d2c.1s22s12p2 d.1s22s22p33p2(6)(2022·海南卷)基态O原子的电子排布式为,其中未成对电子有个。

答案(1)(2)(3)3d64s2(4)3s23p4(5)add(6)1s22s22p4或[He]2s22p42高考热点总结

基础落实选择题只有1个选项符合题意1.我国自主设计,被称为“人造太阳”的“东方超环”核聚变实验装置取得重大突破,该核聚变的基础原料是海水中提取的氘和氚。下列叙述错误的是()A.氘原子的质量数为2B.氚原子内中子数和核外电子数之差为1C.氘原子和氚原子互为同位素D.海水中的H2O与D2O互为同素异形体答案D解析氘原子的中子数为1,质子数为1,质量数为2,A正确;氚原子内中子数为2,核外电子数为1,二者之差为1,B正确;氘原子和氚原子的质子数均为1,中子数分别是1和2,氘原子和氚原子互为同位素,C正确;海水中的H2O与D2O都是化合物,二者不互为同素异形体,D错误。2.(2024·广东江门三模)化学之美,美在结构,美在变化,下列说法不正确的是()A.天然钻石在打磨过程中,共价键断裂B.霓虹灯发光是由于电子从基态跃迁到激发态产生C.红墙灰瓦是中国传统建筑,墙的红色来源于氧化铁D.清晨山顶光束如瀑布般倾泻而下,是丁达尔效应带来的美景答案B解析A.天然钻石的内部结构为金刚石,打磨过程中,共价键断裂,故A正确;B.霓虹灯发光是由于电子从激发态回到能量较低的激发态和基态产生的,故B错误;C.氧化铁为红色,墙的红色来源于氧化铁,故C正确;D.空气作为溶剂,空气中的小微粒作为溶质,当小微粒直径介于1~100nm之间,就形成了胶体,光束照射,就可以产生丁达尔效应,故D正确。3.(2024·天津河北一模)下列有关叙述正确的是()A.92235B.O2和O3互为同素异形体C.由于氢键的作用,H2O的稳定性强于H2SD.硫原子核外电子轨道表示式为答案B解析A.92235U和92238U的质子数均为92、但中子数不等,是U元素的不同核素,故A错误;B.O2和O3是氧元素形成的不同的单质,互为同素异形体,故B正确;C.氢键只能影响物质的物理性质,H2O的稳定性强于H2S,是因为O-H键的键能高于S-H键的键能,故C错误;D.硫原子核外电子轨道表示式为,4.一定量的锎(98252Cf)在医学上常用作治疗恶性肿瘤的中子源。下列有关锎的说法错误的是(A.98252Cf原子中,B.98252Cf原子中,C.98252Cf原子中,D.锎元素的相对原子质量为252答案D解析锎(98252Cf)是锎元素的一种同位素,其质量数为252,核外电子数=核内质子数=98,中子数=252-98=154。锎元素的相对原子质量等于锎元素的各种同位素的相对原子质量与它们的原子个数百分比之积的和,而不等于某一核素的质量数,故5.(2024·上海卷)有关18F与19F说法正确的是()A.是同种核素B.是同素异形体C.19F比18F多一个电子D.19F比18F多一个中子答案D解析18F和19F质子数相同、中子数不同,二者是F元素的不同核素,A错误;同素异形体是指同种元素形成的不同单质,B错误;18F和19F质子数相同,即核外电子数相同,C错误;19F和18F的中子数分别为10、9,D正确。6.科学研究证明:核外电子的能量不仅与电子所处的电子层、能级有关,还与核外电子的数目及核电荷数有关。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.两微粒的1s能级上电子的能量相同B.两微粒的3p能级上电子离核的距离相同C.两微粒的电子发生跃迁时,产生的光谱不同D.两微粒都达8电子稳定结构,化学性质相同答案C解析氩原子与硫离子的核外电子排布虽然相同,但核内质子数(即核电荷数)不同,原子核对核外电子的吸引作用不同,对应相同能级上的电子的能量和离核的距离是不同的,其对应的化学性质也不同,如硫离子虽然达到了8电子稳定结构,但具有较强的还原性,和氩的性质不同。7.下列关于原子结构、原子轨道的说法正确的是()A.N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,共16个轨道,可容纳32种运动状态的电子B.在K能层中,有自旋相反的两条轨道C.s电子绕核运动,其轨道为球面,而p电子在哑铃形曲面上运动D.电子云通常是用小黑点来表示电子的多少答案A解析N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,各具有1、3、5、7个轨道,每个轨道最多可容纳2个电子,故可容纳32个电子,所以有32种运动状态,A正确;在K能层中,只有1个轨道,能容纳自旋相反的2个电子,B不正确;电子云通常是用小黑点来表示电子出现的机会多少,但小黑点不表示电子,D不正确。8.短周期元素R基态原子最外层的p能级上有2个未成对电子。则关于基态R原子的描述中正确的是()A.基态R原子核外电子的电子云轮廓图有两种:球形和哑铃形B.基态R原子的价层电子排布式为ns2np2(n=2或3)C.基态R原子的原子轨道总数为9D.基态R原子的轨道表示式为答案A解析由“短周期元素R基态原子最外层的p能级上有2个未成对电子”可知,可能有两种情况:p能级上只有2个电子,R为第ⅣA族元素,C或Si;p能级上有4个电子,R为第ⅥA族元素,O或S,故只有A正确。9.(1)①基态Cu原子有种不同能级的电子。

②N原子中最高能级的电子的电子云轮廓图为。

③在空气中FeO稳定性小于Fe2O3,从电子排布的角度分析,其主要原因是

。

(2)元素X位于第四周期,其基态原子有4个未成对电子,基态X2+的价层电子排布式是;X3+的价层电子排布式为。

(3)M是第四周期元素,最外层只有1个电子,次外层的所有原子轨道均充满电子,M元素基态原子的电子排布式为,

M+的价层电子排布式为,M2+的电子排布式为。

答案(1)①7②哑铃形③Fe2+价层电子排布式为3d6,而Fe3+的价层电子排布式为3d5,为半充满稳定结构,故FeO稳定性小于Fe2O3(2)3d63d5(3)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)3d101s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)解析(2)第四周期元素中,未成对电子数为4的元素为Fe。(3)第四周期元素,最外层为第四能层,只有1个电子,故为4s1,次外层的所有原子轨道都充满电子,次外层的电子排布式为3s23p63d10,该元素为Cu。能力提升10.(2024·山东泰安三模)核反应a2W+bA.c=13bB.X、Y、Z形成的单质分子均为非极性分子C.Q、R为质量数相同的不同核素D.基态W与Z原子核外电子的空间运动状态种类相等答案B解析由信息推知:W、X、Y、Z分别为He、N、O、H,核素R的质子数为91、质量数为234;A.根据分析可知,b=7、c=91,c=13b,A项正确;B.Y可以形成O2、O3两种单质分子,O3为极性分子,B项错误;C.Q、R为质量数相同、质子数不同的不同核素,C项正确;D.电子的空间运动状态数等于原子轨道数,基态He和H原子均只有1s轨道,故空间运动状态种类相等,D项正确。11.(2024·广东二模)1934年,约里奥—居里夫妇在核反应中用α粒子(氦核24He)轰击金属铝,得到磷,开创了人工放射性核素的先河,其核反应为1327AlA.基态Al原子的价层电子轨道表示式为B.He没有共价键,不是非极性分子C.明矾的化学式为K2SO4·Al2(SO4)3·24H2OD.基态P原子中p能级的轨道总数为3答案C解析A.Al位于第三周期第ⅢA族,基态Al原子的价层电子轨道表示式为,A项错误;B.He是单原子分子,虽然没有共价键,但仍属于非极性分子,B项错误;C.明矾的化学式为KAl(SO4)2·12H2O或K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O,C项正确;D.基态P原子的电子排布式为1s22s22p63s23p3,p能级的轨道数为6,D项错误。12.(2024·烟台模拟)人们常将在同一原子轨道上运动的自旋状态不同的2个电子,称为“电子对”;将在同一原子轨道上运动的单个电子,称为“未成对电子”。下列有关主族元素原子的“未成对电子”的说法正确的是()A.核外电子数为奇数的基态原子,其原子轨道中一定含有“未成对电子”B.核外电子数为偶数的基态原子,其原子轨道中一定不含“未成对电子”C.核外电子数为偶数的基态原子,其原子轨道中一定含有“未成对电子”D.核外电子数为奇数的基态原子,其原子轨道中可能不含“未成对电子”答案A解析核外电子数为奇数的基态原子,其原子轨道中一定含有“未成对电子”,选项A正确,选项D错误;核外电子数为偶数的基态原子,其某个能级上的轨道中不一定都是成对电子,如基态C的2p能级上应该有2个单电子,选项B错误;核外电子数为偶数的基态原子,其原子轨道中的电子可能都是成对的,如He,选项C错误。13.已知某原子的结构示意图为。下列有关说法正确的是()A.结构示意图中x=4B.该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4C.该原子的轨道表示式为D.该原子结构中共有5个能级上填充有电子答案D解析由原子结构示意图可知,K层电子排