2020版高中化学 第1章 原子结构 第2节 原子结构与元素周期表 第1课时学案 鲁科版选修3
第1课时 基态原子的核外电子排布
[学习目标定位] 1.了解基态原子的核外电子在原子轨道上的排布顺序。2.掌握基态原子的核外电子排布规律，会书写1～36号元素原子的核外电子排布式和轨道表示式。3.学会利用电子排布式、轨道表示式正确表示核外电子排布。
一、基态原子的核外电子排布原则
1．能量最低原则
(1)能量最低原理
基态原子的核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低。
(2)基态原子的核外电子在原子轨道上的排列顺序：
随着原子核电荷数的递增，绝大多数元素的原子核外电子排布遵循如图所示顺序。
电子所排的能级顺序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……，这是从实验得到的规律，适用于大多数基态原子的核外电子排布。
2．泡利不相容原理
泡利不相容原理的内容：一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方向必须相反(用“↓”“↑”表示)。例如，基态氦原子的轨道表示式为。
根据泡利不相容原理，可以获得以下几个重要结论：
(1)每一种运动状态的电子只能有一个。
(2)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。
(3)因为s，p，d，f能级的原子轨道数分别为1,3,5,7
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个，所以s，p，d，f各原子轨道分别最多能容纳2,6,10,14个电子。
(4)每个电子层中原子轨道的总数为n2个，因此，每个电子层最多能容纳2n2个电子。
3．洪特规则
(1)对于基态原子，电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋方向相同。这就是洪特规则。如碳原子的轨道表示式不是，而是。
(2)能量相同的原子轨道在全充满(如p6和d10)、半充满(如p3和d5)和全空(如p0和d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。这称为洪特规则特例。如下列基态原子的电子排布式的书写：
错误 正确
铬原子 1s22s22p63s23p63d44s2 1s22s22p63s23p63d54s1
铜原子 1s22s22p63s23p63d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1
原子核外电子排布要遵循三个原则
(1)能量最低原则：电子在原子轨道上的排布要尽可能地使原子的能量最低。
(2)泡利不相容原理：每个原子轨道中最多只能容纳两个电子且这两个电子的自旋方向必须相反(同一原子中不可能有运动状态完全相同的电子)。
(3)洪特规则：当电子排布在相同能量的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。
提醒 基态原子核外电子排布必须同时遵循核外电子排布三原则。
例1 “各能级最多容纳的电子数是该能级原子轨道数的两倍”，支撑这一结论的理论是( )
A．构造原理 B．泡利不相容原理
C．洪特规则 D．能量最低原理
答案 B
解析 根据泡利不相容原理，每个原子轨道中最多能容纳2个自旋状态相反的电子，所以每个能级最多能容纳的电子数是该能级原子轨道数的2倍，选项B符合题意。
例2 若以E(nl)表示某能级的能量，以下各式中正确的是( )
A．E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)
B．E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)
C．E(4s)
E(4s)>E(4f)>E(3d)
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答案 B
解析 根据构造原理，各能级能量的大小顺序由低到高为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s……，A项和D项正确顺序为E(4f)>E(5s)>E(3d)>E(4s)；对于不同能层的相同能级，能层序数越大，能量越高，所以C项错误。
例3 在能量相同的d轨道中电子排布成，而不排布成，最直接的依据是( )
A．能量最低原则 B．泡利不相容原理
C．原子轨道能级图 D．洪特规则
答案 D
解析 洪特规则是指当电子排布在同一能级的不同轨道时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋方向相同。
易错警示
书写基态原子的轨道表示式时，要兼顾三条原则，不能顾此失彼，防止出现以下错误：
①违反泡利不相容原理：；
②违反洪特规则：或；
③违反能量最低原则：。
二、原子核外电子排布的表示方法
1．电子排布式
(1)价电子
①定义：与元素的化学性质密切相关的外层轨道上的电子，称为价电子。
②规律：主族元素价电子数等于主族族序数。
(2)按要求填表：
电子排布式
价电子排布式
S
1s22s22p63s23p4
3s23p4
Ca
1s22s22p63s23p64s2
4s2
Fe
1s22s22p63s23p63d64s2
3d64s2
Cu
1s22s22p63s23p63d104s1
3d104s1
Ge
1s22s22p63s23p63d104s24p2
4s24p2
2.轨道表示式
(1)用一个小圆圈(或方框)表示一个原子轨道，在圆圈(或方框)内用箭头“↑”或“↓”标明原子核外电子排布的式子称为轨道表示式。
以铝原子为例，轨道表示式中各符号、数字的意义为
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(2)写出下列原子的轨道表示式：
①O：；
②Na：。
(3)在轨道表示式中也可以用方框表示一个原子轨道，如Na：。
3．原子结构示意图
(1)原子结构简(示意)图：圆圈内数字表示质子数，弧线表示电子层，弧线内数字表示该电子层中的电子数。
(2)写出下列原子或离子的结构示意图：
①K：；②Fe：；
③Mg2＋：；④Cl－：。
(1)主族元素原子的最外层电子称为价电子。过渡元素原子的价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。
(2)电子排布式书写注意问题
①虽然电子排布是遵循能量最低原则的，但书写电子排布式时应按照电子层的顺序书写。如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，而不写作1s22s22p63s23p64s23d6。
②简化电子排布式
为避免电子排布式书写繁琐，可把内层电子排布达到稀有气体结构的部分用相应稀有气体的元素符号外加“[ ]”表示。如S：[Ne]3s23p4，Ca：[Ar]4s2，Fe：[Ar]3d64s2，Ge：[Ar]3d104s24p2。
③离子的电子排布式
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原子转化为离子有两种情况：一是由原子失去电子转化为阳离子，失电子的顺序与电子填入的顺序有所不同，失电子时，首先失去的是最外电子层上的电子，同层则按能级由高到低失电子；二是由原子得到电子转化为阴离子，得到的电子填入原子轨道的顺序与基态原子电子的排布顺序相同。
④特殊原子的电子排布式
有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满(如p6和d10)、半充满(如p3和d5)和全空(如p0和d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。
提醒 元素原子的价电子排布式不一定是最外层的电子排布式，主族元素的价电子排布式是最外层电子排布式，过渡元素的最外层是价电子，但有的内层电子也是价电子，如Fe原子价电子排布式为3d64s2。
例4 下列有关核外电子排布式或轨道表示式不正确的是( )
A．24Cr的电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1
B．K的简化电子排布式：[Ar]4s1
C．N原子的轨道表示式：
D．S原子的轨道表示式：
答案 D
解析 S原子的轨道表示式违反了洪特规则，正确的应是。
例5 按要求写出电子排布式、原子结构示意图或轨道表示式。
(1)基态Cu＋的电子排布式：______________________________________________________。
(2)基态P原子的价电子排布式：___________________________________________________。
(3)17Cl的轨道表示式：________________________________________________________。
(4)第4周期中最外层仅有1个电子的所有基态原子的电子排布式：____________________。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d10(或[Ar]3d10)
(2)3s23p3
(3)
(4)[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1
解析 (1)基态Cu原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，失去1个电子所得Cu＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d10或[Ar]3d10。(2)P原子最外层为第三层，且有5个电子，所以其价电子排布式为3s23p3。 (3)Cl的电子排布式为1s22s22p63s23p5，轨道表示式为。
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(4)第4周期最外层只有1个电子的最外层电子排布式为4s1，此时3s、3p应已填满，3d轨道可能全空、半充满或全充满，即其电子排布式为[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1。
易错警示
(1)电子排布式的书写顺序与核外电子进入轨道的顺序不同。电子排布式的书写顺序按电子层由里到外和s、p、d的顺序，而核外电子进入轨道的顺序按照基态原子在原子轨道上的排布顺序。
(2)基态原子失电子时，由外层向里层，同层则按能级由高到低顺序失电子。如Cr([Ar]3d54s1)→Cr3＋([Ar]3d3)
1．以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是( )
A． B.
C．1s2 D.
答案 D
解析 A项只能表示最外层电子数；B项只表示核外的电子分层排布情况；C项具体到各能层的电子数；而D项包含了能层数、能级数以及轨道内电子的自旋方向，故该项正确。
2．以下电子排布式表示基态原子电子排布的是( )
A．1s22s22p63s13p3
B．1s22s22p63s23p63d104s14p1
C．1s22s22p63s23p63d24s1
D．1s22s22p63s23p63d104s24p1
答案 D
解析 基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p2，A错误；基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d104s2，B错误；基态核外电子排布应该是1s22s22p63s23p63d14s2，C错误； 1s22s22p63s23p63d104s24p1符合原子核外电子排布规律，D正确。
3．下列微粒的核外电子的表示方法中正确的是( )
A．碳原子的轨道表示式：
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B．磷原子价电子轨道表示式：
C．铬原子的价电子排布式：3d44s2
D．Fe2＋的电子排布式：1s22s22p63s23p63d44s2
答案 A
解析 A项表示C原子的轨道表示式，正确；B项不符合洪特规则；C项不符合洪特规则特例，应为3d54s1；D项Fe2＋应为Fe原子失去4s上的两个电子，而不是失去3d上的两个电子，应为1s22s22p63s23p63d6。
4．已知元素X的原子最外层电子排布式为nsn－1npn＋2，则X元素的原子序数为( )
A．9 B．10 C．17 D．18
答案 C
解析 n－1＝2，则n＝3，即最外层电子排布式为3s23p5，为氯元素。
5．下列轨道表示式所表示的元素原子中，能量处于最低状态的是( )
答案 C
解析 要使各原子能量处于最低状态(即基态)，核外电子必须遵循三大原则进行排布。A项中2s轨道没有排满电子就排在了2p轨道上，显然能量不是最低的；B项中2p轨道上的电子排布不符合洪特规则，三个电子各占一个p轨道且自旋状态相同时，能量最低；C项中2p3为半充满状态，能量最低；D项中2p轨道未排满就排3s轨道，能量不是最低的。故正确答案为C。
6．(1)下列原子或离子的电子排布正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原则的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利不相容原理的是________。
①Ca2＋：1s22s22p63s23p6
②F－：1s22s23p6
③P：
④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe：1s22s22p63s23p63d64s2
⑥Mg2＋：1s22s22p6
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⑦C：
(2)①氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)为__________________________。
②Co基态原子核外电子排布式为____________________________________。
③Fe3＋基态核外电子排布式为__________________。
答案 (1)①⑤⑥ ②④ ③ ⑦
(2)①
②[Ar]3d74s2(或1s22s22p63s23p63d74s2)
③[Ar]3d5(或1s22s22p63s23p63d5)
解析 (1)根据核外电子排布规律，②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道而不是3p轨道，正确的应为1s22s22p6；③中没有遵循洪特规则——电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋方向相同，最外层的轨道表达式应为；④中忽略了能量相同的原子轨道在半充满状态时，体系的能量较低，原子较稳定，正确的应为1s22s22p63s23p63d54s1；⑦中违反泡利不相容原理，正确的应为。(2)①氮是7号元素，其价层电子的轨道表达式为。②Co的原子序数为27，其基态原子核外电子的排布式为[Ar]3d74s2。③Fe3＋基态核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5。
[对点训练]
题组1 基态原子核外电子排布原则
1．下列排布不符合泡利不相容原理的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 C
解析 由于泡利不相容原理指的是一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自旋方向必须相反，所以只有C项不满足此原理。
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2．若将P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p3p，它违背了( )
A．能量守恒原理 B．泡利不相容原理
C．能量最低原则 D．洪特规则
答案 D
解析 对于基态原子，电子在能量相同的轨道上排布时，将尽可能分占不同的轨道并且自旋方向相同。若将P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p3p，它违背了洪特规则。
3．(2018·扶余市第一中学期末)下列电子排布式中，原子处于激发状态的是( )
A．1s22s22p5
B．1s22s22p43s2
C．1s22s22p63s23p63d54s2
D．1s22s22p63s23p63d34s2
答案 B
解析 B选项中原子的核外电子没有填充满2p能级，而电子填充到了能量更高的3s能级，与基态原子核外电子填充的能级顺序不符，原子能量较高，处于激发态，A、C、D三选项中原子的核外电子排布符合基态原子核外电子填充的能级顺序和能量最低原则，泡利不相容原理及洪特规则，原子处于基态，故原子处于激发状态的是答案B。
4．某元素原子3d轨道上有5个电子，则该原子最外层电子排布可能是( )
A．4s1 B．4s24p1
C．4s24p3 D．3s23p63d5
答案 A
解析 最外层电子排布为4s24p1的元素为Ga,3d轨道上有10个电子，B错误；最外层电子排布为4s24p3的元素为As,3d轨道上有10个电子，C错误；4s能级能量小于3d，某元素原子3d轨道上有5个电子，则4s能级上肯定有电子，D错误。
5．(2018·晋江市季延中学期中)某元素质量数为51，中子数为28，其原子未成对电子数为( )
A．0 B．1 C．2 D．3
答案 D
解析 元素质量数为51，中子数为28，由于质量数＝质子数＋中子数，则质子数＝51—28＝23。质子数＝核外电子数，即核外电子数也是23，根据核外电子排布规律可知，其排布式是1s22s22p63s23p63d34s2，因此其基态原子中未成对电子数为3个，D项正确。
题组2 原子核外电子排布的表示方法
6．(2018·深州中学期中)下列关于钠元素的几种表达式错误的是( )
A．Na＋的轨道表示式：
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B．Na＋的结构示意图：
C．Na的电子排布式：1s22s22p63s1
D．Na的简化电子排布式：[Na]3s1
答案 D
解析 Na的简化电子排布式为[Ne]3s1。即上一周期的稀有气体(元素符号)＋该原子的价电子排布。
7．主族元素原子失去最外层电子形成阳离子，主族元素的原子得到电子填充在最外层形成阴离子。下列各原子或离子的电子排布式错误的是( )
A．Ca2＋：1s22s22p63s23p6
B．O2－：1s22s22p4
C．Cl－：[Ne]3s23p6
D．Ar：1s22s22p63s23p6
答案 B
解析 本题主要考查根据构造原理来书写电子排布式，已知氧原子的电子排布式为1s22s22p4，故O2－的电子排布式应为1s22s22p6，B项错误，A、C、D三项均正确。
8．下列离子中外层d轨道达半充满状态的是( )
A．Cr3＋ B．Cu＋
C．Co3＋ D．Fe3＋
答案 D
解析 Cr3＋的价电子排布式为3d3，d轨道不是半充满状态，故A错误；Cu＋的价电子排布式为3d10，d轨道处于全充满状态，故B错误；Co3＋的价电子排布式为3d6，d轨道不是半充满状态，故C错误；Fe3＋的价电子排布式为3d5，d轨道达半充满状态，故D正确。
题组3 根据电子排布式推断元素
9．4p轨道填充一半的元素，其原子序数是( )
A．15 B．33 C．35 D．51
答案 B
解析 4p轨道填充一半的元素，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3，原子序数为33。
10．某元素的3p轨道上有两个未成对电子，因此其( )
A．第三电子层上有4个电子
B．最高正价为＋2
C．最高正价为＋4
D．第二电子层没有未成对电子
答案 D
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解析 由于3p轨道上有两个未成对电子，所以该原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2或者1s22s22p63s23p4。
11．若某元素原子处于能量最低状态时，价电子排布式为4d15s2，则下列说法正确的是( )
A．该元素原子处于能量最低状态时，原子中共有3个未成对电子
B．该元素原子核外共有5个电子层
C．该元素原子的N层共有8个电子
D．该元素原子最外层有3个电子
答案 B
解析 该元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2，该元素原子处于能量最低状态时，原子中只有4d1中的一个未成对电子，A项错误；由核外电子排布式可知该元素原子有5个电子层，N层共有9个电子，最外层有2个电子，C、D项错误，B项正确。
12．某主族元素的原子，M层上有一个半充满的能级，这种原子的质子数( )
A．只能是7 B．只能是15
C．是11或15 D．是11或13
答案 C
13．下列各组表述中，两个微粒一定不属于同种元素原子的是( )
A．3p能级有一个空轨道的基态原子和核外电子排布为1s22s22p63s23p2的原子
B．M层全充满而N层为4s2的原子和核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2的原子
C．最外层电子数是核外电子总数的的原子和价电子排布为4s24p5的原子
D．2p能级有一个未成对电子的基态原子和价电子排布为2s22p5的原子
答案 B
解析 3p能级有一个空轨道，说明3p上填2个电子，价电子排布为3s23p2，两微粒相同，A选项不符合题意；M层全充满而N层为4s2，M层上有d轨道，即：3s23p63d10，是锌元素，价电子排布为3d64s2的元素是铁元素，B选项符合题意；价电子排布为4s24p5，则3d上已排满10个电子，核外电子排布为1s22s22p63s23p63d104s24p5，最外层电子数是核外电子总数的的原子，可按下述方法讨论：若最外层电子数为1，核外电子总数为5不可能，最外层电子数为2，核外电子总数为10不可能，只有最外层电子数为7，核外电子总数为35时合理，其电子排布也是1s22s22p63s23p63d104s24p5，二者是同种元素的原子，C选项不符合题意；2p能级有一个未成对电子，可以是2p1，也可以是2p5，因此二者不一定属于同种元素的原子，D项不符合题意。
[综合强化]
14．根据核外电子的排布特点推断元素
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(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________；其价层电子的轨道表示式为________________________。
(2)B元素的正三价离子的3d能级为半充满，B的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为________________________，其原子的结构示意图为________。
(3)C元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子且只有一个未成对电子，C的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为___________________________________________。
(4)D元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝________；原子中能量最高的是________电子，核外电子轨道表示式为________。
答案 (1)N
(2)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2
(3)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
(4) 2 2p
解析 (1)A元素基态原子的轨道表示式由题意可写成：，则该元素核外有7个电子，为氮元素，其元素符号为N。(2)B元素原子失去2个4s电子和1个3d电子后变成＋3价离子，其原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2即26号元素铁。(3)C元素的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，故E为Cu。(4)D最外层电子排布式为2s22p4。
15．下表列出了核电荷数为21～25的元素的最高正价，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)已知基态铬原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1，其并未严格按照基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序进行排布，为什么核外电子这样排布呢？_______________
________________________________________________________________________。
(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价，你发现的规律是__________
________________________________________________________________________。
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答案 (1)1s22s22p63s23p63d14s2(或[Ar]3d14s2)
1s22s22p63s23p63d24s2(或[Ar]3d24s2)
1s22s22p63s23p63d34s2(或[Ar]3d34s2)
1s22s22p63s23p63d54s2(或[Ar]3d54s2)
(2)由洪特规则的特例，可知能量相同的原子轨道半充满状态一般比较稳定
(3)五种元素的最高正价数值等于各元素基态原子的最外电子层s电子和次外电子层d电子数目之和
解析 (1)根据原子序数和基态原子核外电子排布原则可以写出4种元素原子的核外电子排布式。
(2)由洪特规则的特例，可知能量相同的原子轨道全充满、半充满或全空的状态一般比较稳定。
(3)由最高正价数值与对应的核外电子排布式，可以得出最高正价数值等于各元素基态原子的最外电子层s电子和次外电子层d电子数目之和。
16．有A、B、C、D、E、F六种短周期主族元素，它们的原子序数依次增大，其中A元素原子核外电子仅有一种原子轨道；B元素原子核外p电子数比s电子数少1；C元素原子的最外层电子排布可表示为asaap2a；D为金属元素且M层上有一个未成对的p电子；E元素的原子核外最外层p轨道半充满；F元素原子的价电子排布式为3s23p5。
(1)写出下列元素的元素符号：A________、C________、F________。
(2)写出基态D原子的电子排布式：__________________________________________。
写出基态E原子的核外电子轨道表示式：__________________。
(3)D元素原子核外电子云有________种不同的伸展方向，共有________种不同运动状态的电子，________种不同能级的电子。
(4)B元素单质和氢化物的电子式：单质________，氢化物________。
答案 (1)H O Cl (2)1s22s22p63s23p1
(3)4 13 5 (4)
解析 A原子只有一个原子轨道，可能是H或He，又因A是主族元素，则A为氢；B元素原子的核外电子排布为1s22s22p3，为氮；C的价电子排布为2s22p4，为氧；D元素原子的核外电子排布为1s22s22p63s23p1，为铝；E元素原子的核外电子排布为1s22s22p63s23p3，为磷；F为氯。(3)s轨道只有1种伸展方向、p轨道有3种伸展方向，Al核外电子排布为1s22s22p63s23p1，涉及3个s轨道、2个p轨道，因此其核外电子云(轨道)的伸展方向有4种；核外13个电子的运动状态各不相同，故核外有13种不同运动状态的电子，有1s、2s、2p、3s、3p共5个能级。
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