2020高中化学 原子结构（基础）知识讲解学案 新人教版选修3

2020高中化学 原子结构（基础）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 ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ 7‎ 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，电子大多是按下图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上图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 7‎ ‎ (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。‎ 7‎ ‎ 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：‎ 7‎ ‎ ‎ ‎ 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的顺序依次为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．各能层含有电子数为2n2‎ ‎【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】A ‎ 【解析】各能层中能级数等于其所处的能层数，即当n=1时，它只有一个1s能级；当n=2时，有两个能级，分别为2s、2p能级，所以B、c都不正确；D选项中每个能层最多能填充2n2个电子，但不是一定含有2n2个电子。‎ ‎ 【总结升华】本题中的D选项是一个易错点，电子在排布时，从低能级开始填充，填满了低能级再填充较高能级，所以在填充时只能是最多能填充2n2个电子，如当L能层是最外层时最多只能填充8个电子。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】宇宙中最多的元素是 ( )‎ ‎ A．H B．O C．He D．N ‎ 【答案】A ‎ 【解析】氢是宇宙中最丰富的元素，约占宇宙原子总数的88.6％，氦约为氢原子数的1／8，它们合起来约占宇宙原子总数的99.7％以上。‎ ‎【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。‎ 7‎ 类型二：构造原理及核外电子排布 ‎ 例题2 下列各原子的电子排布式正确的是( )‎ ‎ A．钠原子：1s22s22p7‎ ‎ B．铜原子：1s22s22p63s23p63d94s2‎ ‎ C．铁原子：1s22s22p63s23p63d8‎ ‎ D．氪原子：1s22s22p63s23p63d104s24p6‎ ‎ 【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】D ‎【解析】本题考查电子排布的规则。在分析核外电子排布时，能量最低原理、泡利原理和洪特规则要综合考虑。A项违背了泡利原理；B项违背了能量相同的原子轨道在全空、半充满、全充满时是稳定状态；C项违背了能量最低原理；D项正确。‎ ‎ 【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 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是( )‎ ‎ 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能发出红光的物质 ‎ D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应 ‎ 【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】A ‎ 【解析】解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化和现象。在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生红色光，故A项正确。‎ ‎【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】下图分别是电子云图、原子轨道图，则有关的说法中正确的是( )‎ ‎ ‎ ‎ A．电子云图就是原子轨道图 ‎ B．3p2表示3p能级中有两个轨道 ‎ C．由图‎1-1-4‎可知s轨道呈圆形，有无数条对称轴 ‎ D．p能级最多可排6个电子 7‎ ‎ 【答案】D ‎【解析】本题的解题关键是要理解电子云的含义。A项中，原子轨道图是电子云的轮廓图，也就是电子出现概率为90％的空间；B项中，3p2表示3p能级中有两个电子；C项中，s轨道呈球形而不是圆形。‎ ‎【高清课堂：原子结构与性质#例题7-8】【变式2】判断下列表达是正确还是错误 ‎（1）1s22p1属于基态；‎ ‎（2）1s22s2 2p63p1属于基态； ‎ ‎（3）1s22s2 2p63d1属于激发态；‎ 类型三：综合应用 ‎ 例题4 以下是表示铁原子和铁离子的3种不同化学用语。‎ ‎ ‎ ‎ (1)铁原子最外层电子数为________，铁在参与化学反应时，参加反应的电子可能是________。‎ ‎ (2)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。‎ ‎ 【答案】(1)2 4s上的2个电子(或4s上的2个电子和3d上的1个电子)‎ ‎ (2)结构示意图：能直观地反映原子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：能直观地反映粒子核外电子的能层、能级及各能级上的电子数。‎ ‎ 电子排布图：能反映粒子各能层、各能级、各轨道的能量的高低及各轨道上的电子分布情况，以及电子的自旋状态。‎ ‎【解析】铁是过渡元素，其价电子是最外层电子和次外层电子，所以在反应中可以失去最外层电子，也可失去最外层电子及次外层中的d能级上的电子。这3种表示方法由浅及深。越来越精确地揭示了多电子原子中外层电子的运动方式，也更进一步或是更准确地说明了多电子原子中不存在两个运动状态完全相同的电子。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】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中释放能量 ‎ 【答案】AC ‎ 【解析】核外电子排布由2s22p2转变为2s12P3，碳原子体系能量升高，由基态变为激发态，要从外界环境中吸收能量。‎ 7‎