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原子结构与性质
第一章原子结构与性质
第一节原子结构
【学海导航】
一、能层与能级
对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（n）；各能层最多容纳的电子数为2n2。
对于同一能层里能量不同的电子，将其分成不同的能级（l）；能级类型的种类数与能层数相对应；同一能层里，能级的能量按s、p、d、f的顺序升高，即E（s）＜E（p）＜E（d）＜E（f）。
各能层所包含的能级类型及各能层、能级最多容纳的电子数见下表：
能层（n）
一
二
三
四
五
六
七
符号
K
L
M
N
O
P
Q
能级（l）
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
…
……
最多
电子数
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
…
……
2
8
18
32
……
2n2
二、电子云与原子轨道
1．电子云：
电子在原子核外出现的概率密度分布。
电子云是核外电子运动状态的形象化描述。
2．原子轨道：
不同能级上的电子出现概率约为90%的电子云空间轮廓图。
s电子的原子轨道呈球形对称，ns能级各有1个原子轨道；p电子的原子轨道呈纺锤形，np能级各有3个原子轨道，相互垂直（用px、py、pz表示）；nd能级各有5个原子轨道；nf能级各有7个原子轨道。
三、核外电子排布规律
1．构造原理：
绝大多数基态原子核外电子的排布都遵循下列顺序：
1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f……
构造原理揭示了原子核外电子的能级分布。
从中可以看出，不同能层的能级有交错现象，如E（3d）＞E（4s）、E（4d）＞E（5s）、E（5d）＞E（6s）、E（6d）＞E（7s）、E（4f）＞E（5p）、E（4f）＞E（6s）等。
构造原理是书写基态原子电子排布式的依据，也是绘制基态原子电子排布图（即轨道表示式）的主要依据之一。
2．能量最低原理：
原子核外电子遵循构造原理排布时，原子的能量处于最低状态。
即在基态原子里，电子优先排布在能量最低的能级里，然后排布在能量逐渐升高的能级里。
3．泡利原理：
每个原子轨道里最多只能容纳2个自旋方向相反的电子。
4．洪特规则：
电子排布在同一能级的各个轨道时，优先占据不同的轨道，且自旋方向相同。
四、基态、激发态、光谱
1．基态：
最低能量状态。
如处于最低能量状态的原子称为基态原子。
2．激发态：
较高能量状态（相对基态而言）。
如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子。
3．光谱：
不同元素的原子发生跃迁时会吸收（基态→激发态）和放出（基态→激发态）能量，产生不同的光谱——原子光谱（吸收光谱和发射光谱）。
利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素。
【例题解析】
例1下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是（）
A．原子核外的电子象云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动
C．p能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多
D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大
分析电子云是对电子运动的形象化描述，它仅表示电子在某一区域内出现的概率，并非原子核真被电子云雾所包裹，故选项A错误。
原子轨道是电子出现的概率约为90%的空间轮廓，它表明电子在这一区域内出现的机会大，在此区域外出现的机会少，故选项B错误。
无论能层序数n怎样变化，每个p能级都是3个原子轨道且相互垂直，故选项C错误。
由于按1p、2p、3p……的顺序，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，原子轨道的平均半径逐渐增大。
答案D
例2已知锰的核电荷数为25，以下是一些同学绘制的基态锰原子核外电子的轨道表示式（即电子排布图），其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是（）
ABCD
分析由构造原理可知E（4s）＜E（3d），而选项A、B中E（3d）＜E（4s）。
洪特规则指出：
“电子排布在同一能级的不同轨道时优单独占据一个轨道，且自旋方向相同”而选项A中未单独占据一个轨道，选项C中虽然单独占据一个轨道但自旋方向不相同。
根据泡利原理：
“1个原子轨道里最多可容纳2个自旋方向相反的电子”而选项B中的s轨道的自旋方向相同。
答案D
例3若某基态原子的外围电子排布为4d15s2，则下列说法正确的是（）
A．该元素基态原子中共有3个电子B．该元素原子核外有5个电子层
C．该元素原子最外层共有3个电子D．该元素原子M能层共有8个电子
分析根据核外电子排布规律，该元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2。
由此可见：
该元素原子中共有39个电子，分5个电子层，其中M能层上有18个电子，最外层上有2个电子。
答案B
【习题精练】
1．下列说法中，不符合现代大爆炸宇宙学理论的是（）
A．我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸
B．恒星正在不断地合成自然界中没有的新元素
C．氢、氦等轻核元素是宇宙中天然元素之母
D．宇宙的所有原子中，最多的是氢元素的原子
2．下列有关认识正确的是（）
A．各能级的原子轨道数按s、p、d、f的顺序分别为1、3、5、7
B．各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束
C．各能层含有的能级数为n—1
D．各能层含有的电子数为2n2
3．以下对核外电子运动状况的描述正确的是（）
A．电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定的轨道上高速旋转
B．能量低的电子只能在s轨道上运动，能量高的电子总是在f轨道上运动
C．能层序数越大，s原子轨道的半径越大
D．在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同
4．下列图象中所发生的现象与电子的跃迁无关的是（）
ABCD
5．按能量由低到高的顺序排列，正确的一组是（）
A．1s、2p、3d、4sB．1s、2s、3s、2p
C．2s、2p、3s、3pD．4p、3d、4s、3p
6．当镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时，以下认识正确的是（）
A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量
B．镁原子由激发态转化成基态，这一过程中释放能量
C．转化后位于p能级上的两个电子处于同一轨道，且自旋方向相同
D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似
7．若n=3，以下能级符号错误的是（）
A．npB．nfC．ndD．ns
8．基态碳原子的最外能层的各能级中，电子排布的方式正确的是（）
A
BCD
9．写出下列元素基态原子的电子排布式：
（1）N
（2）Ne
（3）S（4）Ca
（5）29Cu（6）32Ge
10．按照下列元素基态原子的电子排布特征判断元素，并回答问题。
A的原子中只有一个能层且只含1个电子；B的原子3p轨道上得到1个电子后不能再容纳外来电子；C的原子的2p轨道上有1个电子的自旋方向与其它电子的自旋方向相反；D的原子第三能层上有8个电子，第四能层上只有1个电子；E原子的外围电子排布为3s23p6。
（1）写出由A、B、C、D中的三种元素组成的化合物的化学式（至少写出5个）：
；
（2）写出用上述元素组成的物质制得A的单质的化学方程式（至少写出2个）：
、
；
（3）检验某溶液中是否含有D+的离子，可通过______________反应来实现；
检验某溶液中是否含有B—的离子，通常所用的试是_________和_______。
（4）写出E的元素符号___________，要证明太阳上是否含有E元素，可采用的方法是______________________。
11．思思同学在总结“构造原理、能量最低原理、泡利原理、洪特规则”后得出了：
“在同一原子里，没有运动状态完全相同的电子存在”的结论。
你认为此结论是否正确，请说明理由。
12．下表列出了核电荷数为21~25的元素的最高正化合价，回答下列问题：
元素名称
钪
钛
钒
铬
锰
元素符号
Sc
Ti
V
Cr
Mn
核电荷数
21
22
23
24
25
最高正价
+3
+4
+5
+6
+7
（1）写出下列元素基态原子的核外电子排布式：
Sc____________________________Ti_______________________________
V____________________________Mn______________________________
（2）已知基态铬原子的电子排布是1s22s22p63s23p63d54s1，并不符合构造原理。
人们常常会碰到客观事实与理论不相吻合的问题，当你遇到这样的问题时，你的态度是：
___
____________________________________________________________________________。
（3）对比上述五种元素原子的核外电子排布与元素的最高正化合价，你发现的规律
是_________________________________________________________________________；出现这一现象的原因是________________________________________________________。
第一节原子结构（导学）
习题精练
1．B2．A3．CD4．D5．C6．A7．B8．C
9．
（1）1s22s22p3
（2）1s22s22p6（3）1s22s22p63s23p4（4）1s22s22p63s23p64s2
（5）1s22s22p63s23p63d104s1（6）1s22s22p63s23p63d104s24p2
10．
（1）KOH、KClO、KClO3、HClO、HClO3等
（2）2H2O
2H2↑+O2↑2K+2H2O==2KOH+H2↑
（3）焰色AgNO3、稀HNO3
（4）Ar对太阳光进行光谱分析
11．正确。
因为不同能层、不同能级、不同轨道上的电子运动状态不同；在同一轨道上运动的两个电子，因自旋方向相反，其电子运动状态也不相同。
12．
（1）Sc：
1s22s22p63s23p63d14s2或[Ar]3d14s2Ti：
1s22s22p63s23p63d24s2或[Ar]3d24s2
V：
1s22s22p63s23p63d34s2或[Ar]3d34s2Mn：
1s22s22p63s23p63d14s23d54s2或[Ar]3d54s2
（2）尊重客观事实，注重理论适用范围，掌握特例……（3）五种元素的最高正化合价数值等于各元素基态原子的最高能层s电子和次高能层d电子数目之和；能量交错使得d电子也参与了化学反应。
课时2基态、激发态、光谱与能量最低原理
1．下列说法正确的是（）
A．自然界中的所有原子都处于基态
B．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量
C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量
D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性
2．下列能级的能量大小比较，正确的是（）
A．E（4s）＞E（3d）B．E（6p）＞E（5f）C．E（6s）＜E（5p）D．E（4d）＜E（5p）
3．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。
产生这一现象的主要原因（）
A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应
4．与Ne核外电子排布相同的离子跟与Ar核外电子排布相同的离子形成的化合物是（）
A．MgBr2B．Na2SC．KClD．KF
5．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
6．以下现象与核外电子的跃迁有关的是（）
①霓虹灯发出有色光②棱镜分光③激光器产生激光④石油蒸馏⑤凸透镜聚光⑥燃放的焰火，在夜空中呈现五彩缤纷的礼花⑦日光灯通电发光⑧冷却结晶
A．①③⑥⑦ B．②④⑤⑧
C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦
7．A原子的结构示意图为
。
则X、Y及该原子3p能级上的电子数分别为（）
A．18、6、4B．20、8、6
C．18、8、6D．15~20、3~8、1~6
8．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取（）
A．电子的运动轨迹图像B．原子的吸收光谱
C．电子体积大小的图像D．原子的发射光谱
9．化下列学史中的事件，不符合科学是（）
A．牛顿通过类比音阶提出光谱一词B．玻尔通过理论计算得出光谱谱线波长
C．普鲁特通过思辨性推测作出预言D．布朗通过实验观察的方法发现布朗运动
10．以下电子排布式表示基态原子电子排布的是（）
A．1s22s22p63s13p3B．1s22s22p63s23p63d104s14p1
C．1s22s22p63s23p63d24s1D．1s22s22p63s23p63d104s24p1
11．对照元素周期表，填写下表：
元素
符号
核电荷数
基态原子的简
化电子排布式
周期表中的位置
周期表中的位置与外
围电子层排布的关系
周期
族
Na
周
期
数
等
于
电
子
层
数
Ca
Si
As
Cl
Ti
Cr
Mn
Cu
Zn
12．已知元素X、Y的核电荷数小于31，且能形成XY2型的化合物。
回答下列问题：
（1）若X、Y均为非金属元素，写出你所知道的XY2的化学式____________________、
______________________、____________________、_______________________等。
（2）若X原子的外围电子层排布为3d104s2，Y可能是____________元素或___________
元素（写元素符号）。
（3）若Y的阴离子与Ar有相同的电子层结构，则X的原子外围电子层排布构型有：
_____________________、_______________________、_____________________、
_____________________、_______________________、_____________________。
13．下图是锂、氦、汞的吸收光谱和发射光谱。
其中图_____________是原子由基态转化为激发态时的光谱，图____________是原子由激发态转化为基态时的光谱。
不同元素的原子光谱上的特征谱线不同，请在下图中用线段将同种元素的吸收光谱和发射光谱连接。
13．针对核电荷数为1~20的元素，有人说：
“元素的最高正化合价数值与元素原子的最外层电子数相等”。
这一说法是否适用于除稀有气体元素以外的所有元素？
请举例说明。
课时2能量最低原理、基态、激发态、光谱
1．B2．D3．A4．BD5．C6．A7．B8．B9．C10．D
11．
元素
符号
核电荷数
基态原子的简
化电子排布式
周期表中的位置
周期表中的位置与外
围电子层排布的关系
周期
族
11
[Ne]3s1
三
ⅠA
主族元素的族序数等于s能级与p能级电子数的和
20
[Ar]4s2
四
ⅡA
14
[Ne]3s23p2
三
ⅣA
33
[Ar]4s24p3
四
ⅤA
17
[Ne]3s23p5
三
ⅦA
22
[Ar]3d24s2
四
ⅣB
d电子数小于8时，副族元素的族序数等于ns能级与（n-1）d能级电子数的和
24
[Ar]3d54s1
四
ⅥB
25
[Ar]3d54s2
四
ⅦB
29
[Ar]3d104s1
四
ⅠB
（n-1）d能级上电子数等于10时，副族元素的族序数等于ns能级电子数
30
[Ar]3d104s2
四
ⅡB
12．
（1）CO2SO2SiO2CS2
（2）F、Cl（3）1s22s23s24s23d64s23d94s23d104s2
13．①③⑤ ②④⑥
14．以上说法只适用于主族元素，不适用于过渡元素。
如锰元素最外电子层上只有2个电子，而它的最高正化合价为+7价；铜元素最外电子层上只有1个电子，而铜的常见化合价却是+2价。
课时3电子云、原子轨道与泡利原理、洪特规则
1．图1和图2分别是1s电子的概率概率分布图和原子轨道图。
下列有关认识正确的是（）
A．图1中的每个小黑点表示1个电子
B．图2表示1s电子只能在球体内出现
C．图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴
D．图1中的小黑点表示某一时刻，电子在核外所处的位置
2．“各能级最多容纳的电子数，是该能级原子轨道数的二倍”，支撑这一结论的理论是（）
A．构造原理B．泡利原理C．洪特规则D．能量最低原理
3．电子排布在同一能级时，总是（）
A．优先单独占据不同轨道，且自旋方向相同
B．优先单独占据不同轨道，且自旋方向相反
C．自由配对，优先占据同一轨道，且自旋方向相同
D．自由配对，优先占据同一轨道，且自旋方向相反
4．基态原子的4s能级中只有1个电子的元素共有（）
A．1种B．2种C．3种D．8种
5．下图中，能正确表示基态硅原子的是（）
ABCD
6．人们常将在同一原子轨道上运动的，自旋方向相反的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”。
以下有关主族元素原子的“未成对电子”的说法，错误的是（）
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，其原子轨道中可能含有“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”
7．当碳原子的核外电子排布由
转变为
时，下列说法正确的是（）
A．碳原子由基态变为激发态B．碳原子由激发态变为基态
C．碳原子要从外界环境中吸收能量D．碳原子要向外界环境释放能量
8．化合物YX2、ZX2中，X、Y、Z的核电荷数小于18；X原子最外能层的p能级中有一个轨道充填了2个电子，Y原子的最外层中p能级的电子数等于前一能层电子总数，且X和Y具有相同的电子层；Z与X在周期表中位于同一主族。
回答下列问题：
（1）X的电子排布式为，Y的轨道表示式为；
（2）ZX2的分子式是，YX2电子式是；
（3）Y与Z形成的化合物的分子式是_______，该化合物中化学键的种类是________。
9．下面是s能级p能级的原子轨道图，试回答问题：
⑴s电子的原子轨道呈形，每个s能级有个原子轨道；p电子的原子轨道呈形，每个p能级有个原子轨道。
⑵s电子原子轨道、p电子原子轨道的半径与什么因素有关？
是什么关系？
10．下图是N、O、F三种元素基态原子电子排布的轨道表示式（如有需要，可以利用本练习中出现过的信息）。
试回答下列问题：
⑴N、O、F形成氢化物的分子组成，与对应的三种元素基态原子内的电子排布有什么关系？
⑵在右边的方框内，画出C原子基态原子电子排布的轨道表示式。
⑶根据你发现的规律，对基态C原子形成CH4分子的微观过程提出合理的猜想。
11．以下是表示铁原子和铁离子的3种不同化学用语。
结构示意图
电子排布式
电子排布图（轨道表示式）
铁原子
1s22s22p63s23p63d64s2
铁离子
1s22s22p63s23p63d5
⑴铁原子最外层电子数为，铁在发生化学反应时，参加反应的电子可能是。
⑵请你通过比较、归纳，分别说出3种不同化学用语所能反映的粒子结构信息。
课时3电子云、原子轨道、泡利原理、洪特规则
1．D2．B3．A4．C5．A6．BD7．AC
8．
（1）1s22s22p4
（2）SO2
（3）CS2极性键
9．⑴球形1纺锤3⑵与能层序数n有关。
能层序数n越大，原子轨道的半径越大。
10．⑴1个氢化物分子中的H原子数目等于其对应的基态原子中的未成对电子数
⑵
⑶基态C原子有1个2s电子激发到p轨道，形成4个未成对电子。
11．⑴24s上的2个电子或4s上的2个电子和3d上的1个电子
⑵结构示意图：
能直观地反映核内的质子数和核外的电子层数及各能层上的电子数。
电子排布式：
能直观地反映核外电子的能层、能级和各能级上的电子数。
轨道表示式：
能反映各轨道的能量的高低及各轨道上的电子分布情况，自旋方向。
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