2020高中化学 原子结构（提高）知识讲解学案 新人教版选修3

2020高中化学 原子结构（提高）知识讲解学案 新人教版选修3

原子结构 ‎【学习目标】‎ ‎1、根据构造原理写出1~36号元素原子的电子排布式；‎ ‎2、了解核外电子的运动状态；‎ ‎3、掌握泡利原理、洪特规则。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、原子的诞生 ‎ 我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸。大爆炸后约2小时，诞生了大量的氢、少量的氦及极少量的锂。其后，经过或长或短的发展过程，氢、氦等发生原子核的融合反应，分期分批地合成了其他元素。（如图所示）‎ ‎ ‎ 要点二、能层与能级【高清课堂：原子结构与性质#原子结构与性质】‎ ‎ 1．能层 ‎ （1）含义：在含有多个电子的原子里，由于电子的能量各不相同，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）能层表示方法 能层 一 二 三 四 五 六 七 ‎……‎ 符号 K L M N O P Q ‎……‎ 能量 低 高 最多电子数 ‎2‎ ‎8‎ ‎18‎ ‎32‎ ‎50‎ ‎……‎ ‎ 要点诠释：电子层、次外层、最外层、最内层、内层 ‎ 在推断题中经常出现与层数有关的概念，理解这些概念是正确推断的关键。为了研究方便，人们形象地把原子核外电子运动看成分层运动，在原子结构示意图中，按能量高低将核外电子分为不同的能层，并用符号K、L、M、N、0、P、Q……表示相应的层，统称为电子层。一个原子在基态时，电子所占据的电子层数等于该元素在周期表中所处的周期数。倒数第一层，称为最外层；从外向内，倒数第二层称为次外层；最内层就是第一层（K层）；内层是除最外层外剩下电子层的统称。以基态铁原子结构示意图为例：铁原子共有4个电子层，最外层(N层)只有2个电子，次外层（M层）共有14个电子，最内层（K层）有2个电子，内层共有24个电子。‎ ‎ 2．能级 ‎ （1）含义：在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，这样同一能层就可分成不同的能级（也可称为电子亚层）。能层与能级类似于楼层与阶梯之间的关系。在每一个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……（n代表能层）‎ ‎ （2）各能层所包含的能级符号及各能层、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 ‎1s ‎2s ‎2p ‎3s ‎3p ‎3d ‎4s ‎4p ‎4d ‎4f ‎5s ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ 8‎ 最多容纳 的电子数 ‎2‎ ‎2‎ ‎6‎ ‎2‎ ‎6‎ ‎10‎ ‎2‎ ‎6‎ ‎10‎ ‎14‎ ‎2‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎2‎ ‎8‎ ‎18‎ ‎32‎ ‎50‎ ‎72‎ ‎98‎ ‎2n2‎ ‎ （3）能级数与能层序数的关系 ‎ 在任一能层，能级数=能层序数。‎ ‎ （4）能级与电子数的关系 ‎ 以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7……的2倍，即2、6、10、14……‎ ‎ 说明①在任一个能层中，能级符号顺序为ns、np、nd、nf……（n代表能层），能量依次升高，即在第n层中，不同能级的能量大小顺序是E（ns）＜E（np）＜E（nd）＜E（nf）……‎ ‎ ②不同能层，能级符号相同，n越大，能量越高，如E（1s）＜E（2s）＜E（3s）＜E（4s）……‎ 要点三、构造原理 ‎ 1．构造原理 ‎ 从氢原子开始，随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子，电子大多是按图‎1-1-2‎所示的能级顺序填充的，填满一个能级再填一个新能级。这个规律称为构造原理。‎ ‎ ‎ ‎ 2．构造原理的应用 ‎ 构造原理是书写基态原子电子排布式的依据。‎ ‎ 将阿拉伯数字放在能级符号前表示能层数，将阿拉伯数字标在能级符号右上角表示该能级上排布的电子数，这就是电子排布式。如N：1s22s22p3，Mg：1s22s22p63s2。‎ ‎ 说明 ①电子所排的能级顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d4p 5s 4d 5p 6s ‎4f 5d 6p 7s……‎ ‎ ②图‎1-1-2‎中每个小圆圈表示一个能级，每一行对应一个能层。各圆圈间连线的方向表示随核电荷数递增而增加的电子填入能级的顺序。‎ ‎ ③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。‎ 要点诠释：关于原子的最外层、次外层电子数 ‎ 由于能级交错的原因，E（nd）＞E[（n+1）s]，当ns和np全充满时（共4个轨道，最多容纳8个电子），多余电子不是填入nd，而是首先形成新电子层，填人（n+1）s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个。‎ ‎ 同理可以解释为什么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E[(n－1)f]＞E[(n+1)s]＞E（np），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E（‎4f）＞E（6s）＞E（5p），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。‎ 要点四、能量最低原理、基态与激发态、光谱 ‎ 1．能量最低原理 ‎ 原子的电子排布遵循构造原理能使整个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。‎ ‎ 2．基态与激发态原子 8‎ ‎ （1）基态：最低能量状态。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）。‎ ‎ （3）基态原子、激发态原子相互转化与能量的关系：基态原子器激发态原子。‎ ‎ 3．光谱 ‎ （1）光谱 ‎ 光谱一词最早是由伟大的物理学家牛顿提出的。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放出不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱和发射光谱，这些光谱统称为原子光谱。‎ ‎ （2）光谱分析及其应用 ‎ 在现代化学中利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。在历史上，有许多种元素都是通过光谱分析来发现的，如在1859年德国科学家本生和基尔霍夫发明了光谱仪，摄取了当时已知元素的光谱图。1861年德国科学家基尔霍夫利用光谱分析的方法发现了铷元素。再如稀有气体氦的原意是“太阳元素”，是1868年分析太阳光谱时发现的，最初人们以为它只存在于太阳，后来才在地球上发现。‎ ‎ （3）基态、激发态与光谱的联系 ‎ 当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。例如，电子可以从l s跃迁到2s、6p……相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。‎ 要点五、电子云与原子轨道 ‎ 1．电子运动的特点：只能确定电子在原子核外空间各处出现的概率，而无法确定某个时刻处于原子核外空间何处。‎ ‎ 2．电子云：由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云。‎ ‎ 3．原子轨道 ‎ （1）s电子的电子云轮廓图都是一个球形，p电子的电子云是哑铃状的。量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为原子轨道。‎ ‎ （2）s电子的原子轨道都是球形的，能层序数越大，原子轨道的半径越大。p电子的原子轨道是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别称为px、py、pz。p电子的原子轨道的平均半径也随能层序数的增大而增大。‎ ‎ （3）ns能级有1个原子轨道，np能级有3个原子轨道，nd能级有5个原子轨道，nf能级有7个原子轨道，而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用一对方向相反的箭头“↑↓”来表示。‎ ‎ 小结 ①能层序数n越大，原子轨道的半径越大。‎ ‎ ②s能级只有一个原子轨道，且都是球形的。‎ ‎ ③p能级有3个相互垂直的原子轨道，分别用px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同。‎ ‎ ④不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，只是半径不同，能层序数n越大，原子轨道的半径越大。这是因为能层序数n越大，电子的能量越高，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。如ls、2s、3s的形状均为球形，但原子轨道半径：1s＜2s＜3s。‎ 要点六、泡利原理和洪特规则【高清课堂：原子结构与性质#原子核外电子排布规律】‎ ‎ 1．泡利原理 ‎ 在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自定状态相反（用“↑↓”表示），这个原理称为泡利原理。‎ ‎ 电子自旋可以比喻成地球的自转，自旋只有两种方向：顺时针方向和逆时针方向。‎ ‎ 2．电子排布图 ‎ 用方框表示原子轨道，用箭头表示电子（一个箭头表示一个电子），这种用来表达电子排布的新方式叫做电子排布图。‎ 8‎ ‎ 如锂的电子排布图：‎ ‎ 3．洪特规则 ‎ 当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子象是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同。‎ ‎ 注意 等价轨道全充满、半充满或全空的状态一般比较稳色，也就是说，具有下列电子层结构的原子是比较稳定的。‎ ‎ 全充满：p6、d10、f14，半充满：p3、d5、f7，全空：p0、d0、f0。‎ ‎ 因此，铬和铜的基态原子的电子排布图如下：‎ ‎ ‎ ‎ 总之，基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。用构造原理得到的电子排布给出了基态原子核外电子在能层和能级中的排布，而电子排布图还给出了电子在原子轨道中的排布。‎ 要点七、描述核外电子排布的化学用语 ‎ 1．电子排布式 ‎ （1）定义：用核外电子分布的原子轨道（能级）及各原子轨道（能级）上的电子数来表示电子排布的式子。如1s22s22p4、1s22s22p63s23p1、1s22s22p63s23p64s2、1s22s22p63s23p63d64s2分别是O、Al、Ca、Fe原子的电子排布式。‎ ‎ （2）以铝原子为例，电子排布式中各符号、数字的意义为：‎ ‎ ‎ ‎ （3）简化的电子排布式 ‎ 电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示，以简化电子排布式。以稀有气体的元素符号外加方括号表示的部分称为“原子实”。如钙的电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，其简化的电子排布式可以表示为[Ar]4s2。‎ ‎ （4）外围电子排布式 ‎ 在原子的核外电子排布式中，省去“原子实”后剩下的部分称为外围电子排布式，也叫价电子排布。如氯、铜的电子排布式分别为1s22s22p63s23p5、1s22s22p63s23p63d104s1，用“原子实”的形式分别表示为[Ne]3s23p5、[Ar]3d104s1，其外围电子排布式分别为3s23p5、3d104s1。‎ ‎ 提示：①虽然电子排布是遵循构造原理的，但书写时应按照电子层的顺序排列。如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，而不宜写作1s22s22p63s23p64s23d6。‎ ‎ ②主族元素的最外层电子就是外围电子，又称价电子。过渡元素的外围电子一般包括最外层的s电子和次外层的d电子，有的还包括倒数第三层的f电子。‎ ‎ ③元素周期表中呈现的电子排布是各元素原子的外围电子排布。‎ ‎ 要点诠释：价电子、最外层电子、外围电子 ‎ 价电子指原子参加化学反应时形成化合价的电子；最外层电子指能量最高的电子层上的电子，对于主族元素，最外层电子数等于价电子数；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外围电子，即价电子。例如，铝：[Ne]3s23p1，最外层电子数和价电子数都是3。‎ ‎ 2．电子排布图 以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为：‎ 8‎ ‎ ‎ ‎ 在电子排布图中也可以用圆圈表示一个原子轨道，如 ‎ 电子排布式和电子排布图反映的是基态原子即处于最低能量状态的原子的电子排布情况。它们相互关联，可以非常方便地相互转换。‎ ‎ 3．原子结构示意图 ‎ 原子结构示意图：表示原子的核电荷数和核外电子在原子核外各电子层排布的图示。‎ ‎ 4．电子式 ‎ 在化学反应中，一般是原子的最外层电子数目发生变化。为了简便起见，化学中常在元素符号周围用小黑点“·”或小叉“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫做电子式。如钠原子的电子式为·Na（或×Na）。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：能层、能级、原子轨道之间的关系 ‎ 例题1 下列叙述正确的是( )‎ ‎ A．能级就是电子层 ‎ B．每个能层最多可容纳的电子数是2n2‎ ‎ C．同一能层中的不同能级的能量高低相同 ‎ D．不同能层中的s能级的能量高低相同 ‎【思路点拨】本题考查能级、能层的概念。需要明确能级的排布及各能层的排布、所容纳的电子数 ‎ 【答案】B ‎ 【解析】能级应该是电子亚层，能层才是电子层；同一能层中的不同能级的能量高低的顺序是：E(ns)＜(np)＜E(nd)＜E(nf)……不同能层，能级符号相同，n越大，能量越高，如E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……‎ ‎ 【总结升华】要正确理解“能级数等于该能层序数”。在每一个能层中能级顺序依次为ns、np、nd、nf……故每个能层都有s能级，从第二能层才有p能级，从第三能层才有d能级，从第四能层才有f能级。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】 以下能级符号正确的是 ( )‎ ‎ A．5s B．2d C．‎3f D．1p ‎ 【答案】A ‎【解析】B项，第二能层只有2s、2p能级；c项，第二三能层只有3s、3 p、3d能级；D项，第一能层只有1 s能级，故B、C、D均错。‎ ‎【变式2】在原子的第n电子层中，当它为最外层时，最多容纳的电子数与(n－1)层相同，当它为次外层时，最多容纳的电子数比(n+1)层多容纳10个电子，则此电子层为 ( )‎ ‎ A．K层 B．L层 C．M层 D．N层 ‎ 【答案】C ‎ 【解析】由核外电子排布规律可知：K层最多容纳2个电子，L层最多容纳8个电子，M层最多容纳18个电子，当第n层为最外层时，最多可容纳8个电子，与(n－1)层电子数相同，(n－1)层为次外层，故n为M层；当第n层为次外层时，最多容纳的电子数比(n+1)层多10个。‎ 8‎ 类型二：构造原理及核外电子排布 ‎ 例题2 若某原子的外围电子排布式为4d15s2，则下列说法正确的是( )‎ ‎ A．该元素基态原子中共有36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 ‎ 【思路点拨】本题考查电子排布式的表达及意义，注意正确理解数字、字母及角标的意义。‎ ‎ 【答案】B ‎【解析】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。由此可知：该元素基态原子中共有39个电子，原子核外有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。‎ ‎ 【总结升华】。关于能层、能级、轨道：同一电子层称为同一能层，同一能层中电子亚层能量有差异，又按能量高低分为不同的能级，同一能级中有多个轨道，其能量相同。例如，镍（Ni）的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2，其中1、2、3、4称为能层，2s、2p表明第2能层上有2个能级，即镍原子核外电子排布有4个能层，7个能级（1s、2s、2 p、3s、3 p、3d、4s）。轨道：s、p、d、f所含轨道数分别为1、3、5、7，如1s、2s、3s、4s能级的能量不同，但是轨道数相同。电子进入能级的顺序是（按能量高低排序）1s、2s、2p、3s、3 p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、‎4f、5d、6p、7s、‎5f、6d……‎ ‎ 例题3 下列说法正确的是 ( )‎ ‎ A．氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱之一 ‎ B．“量子化”就是不连续的意思，微观粒子运动均有此特点 ‎ C．玻尔理论不但成功解释了氢原子光谱，而且还能推广到其他原子光谱 ‎ D．原子中电子在具有确定半径的原子轨道上像火车一样高速运转着 ‎ 【思路点拨】本题考查基态、激发态及电子跃迁问题，注意从基本概念出发理解相关问题。‎ ‎ 【答案】B ‎ 【解析】A项中氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱。C项中玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，但对解释多电子原子的光谱却遇到了困难。D项中原子中电子的运动没有确定的轨道，原子轨道是电子运动出现的“区域”。‎ ‎【总结升华】关于基态、激发态：处于最低能量的原子叫基态原子。基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则、能量最低原理。当基态原子吸收能量后，电子会跃迁的较高能级，变成激发态原子。‎ 光是电子释放能量的重要形式之一，日常生活中的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列原子的外围电子排布中，哪一种状态的能量较低？试说明理由。‎ ‎ (1)氮原子：‎ ‎(2)钠原子：A．3s1 B．3p1‎ ‎(3)铬原子： A．3d54s1 B．3d44s2‎ ‎ (4)碳原子：‎ ‎ 【答案】(1)B；A中原子的外围电子排布违反了洪特规则。(2)A；B中原子的外围电子排布违反了能量最低原理。(3)A；B中原子的外围电子排布违反了能量最低原理。(4)A；B中原子的外围电子排布违反了洪特规则。‎ ‎ 【解析】本题考查的是核外电子排布所遵循的原理方面的知识。根据洪特规则，电子在能量相同的各个轨道上排布时尽可能分占不同的原子轨道，且自旋状态相同，故(1)选B，(4)选A。根据能量最低原理，核外电子先占据能量低的轨道。再占据能量高的轨道。(2)中由于3s轨道的能量低于3p轨道，故选A。(3)中A的d5、s1‎ 8‎ 均为半充满的相对稳定状态，B不是，所以选A。‎ ‎【高清课堂：原子结构与性质#例题4】【变式2】下列各原子或离子的电子排布式错误的是 A、Al 1s22s22p63s23p1 ‎ B、O2- 1s22s22p6 ‎ C、Na+ 1s22s22p6 ‎ D、 Si 1s22s22p2 ‎ 类型三：综合应用 ‎ 例题4 已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。请回答下列问题：‎ ‎ (1)X元素原子基态时的电子排布式为________，该元素的符号是________。‎ ‎ (2)Y元素原子的价层电子的轨道表示式为________，该元素的名称是________。‎ ‎ (3)已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金属锌还原为XZ3，产物还有ZnSO4和H2O，该反应的化学方程式是________。‎ ‎ 【答案】(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3 As ‎(2) O ‎(3)As2O3+6Zn+6H2SO4==2AsH3↑+6ZnSO4+3H2O ‎ 【解析】(1)X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，则X是第四周期V A族元素，即X为As，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3。‎ ‎ (2)Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，且As跟Y可形成化合物As2Y3，可推知Y为O；又因为X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，可得到Z为H。‎ ‎(3)X2Y3为As2O3，XZ3为AsH3，As2O3与稀硫酸和Zn反应的化学方程式为As2O3+6Zn+6H2SO4==2AsH3↑+6ZnSO4+3H2O。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】设X、Y、Z代表三种元素。已知：‎ ‎ ①X和Y一两种离子具有相同的电子层结构；‎ ‎ ②Z元素原子核内质子数比Y元素原子核内质子数少9个；‎ ‎ ③Y和z两种元素可以形成四核42个电子的负一价阴离子。‎ ‎ 据此，请填空：‎ ‎ (1)Y元素是________，其原子的电子排布式为________；Z元素是________，其原子的电子排布图为________。‎ ‎ (2)由X、Y、Z三种元素所形成的含68个电子的盐类化合物的化学式是________。‎ ‎ 【答案】(1)Cl 1s22s22p63s23p5 O ‎ ‎ (2)KClO4‎ ‎ 【解析】依题意，假设元素Y的原子序数为y，则元素Z的原子序数为(y－9)。若以YmZn－表示由这两种元素所形成的四核42个电子的负一价阴离子，则下列关系式成立：‎ ‎ ‎ 8‎ ‎ 把①代入②得9n=4y－41，所以。因n为正整数，将其可能的取值1、2和3分别代入上式，经检验确定n=3，y=17。所以，元素Y的原子序数为17，它是氯(Cl)，而元素Z的原子序数为17－9=8，它是氧(O)，进而可知元素X为钾(K)，这三种元素所形成的含68个电子的盐类化合物的化学式为KClO4(所含电子数为19+17+4×8=68)。‎ 8‎