2019届高考化学二轮复习原子结构学案

2019届高考化学二轮复习原子结构学案

原子结构 知识体系 中子 N（不带电荷） 同位素 （核素） 原子核 → 质量数（A=N+Z） 近似相对原子质量 质子 Z（带正电荷） → 核电荷数 元素 → 元素符号 原子结构 最外层电子数决定主族元素的 决定原子呈电中性 电子数（Z 个） 化学性质及最高正价和族序数 体积小，运动速率高（近光速），无固定轨道 核外电子 运动特征 电子云（比喻） 小黑点的意义、小黑点密度的意义。 排布规律 → 电子层数 周期序数及原子半径 表示方法 → 原子（离子）的电子式、原子结构示意图 基础过关 第 1 课时 原子结构 1. 三个基本关系 （1）数量关系：质子数 = 核电荷数 = 核外电子数（原子中） （2）电性关系： ①原子中：质子数=核电荷数=核外电子数 ②阳离子中：质子数>核外电子数 或 质子数=核外电子数+电荷数 ③阴离子中：质子数<核外电子数 或 质子数=核外电子数-电荷数 （3）质量关系：质量数 = 质子数 + 中子数 2. 对于公式：质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N），无论原子还是离子，该公式均适 应。 原子可用 XA Z 表示，质量数 A 写在原子的右上角，质子数 Z 写在原子的左下角，上下 两数值的差值即为中子数。原子周围右上角以及右下角或上面均可出现标注，注意不同 位置标注的含义，右上角为离子的电性和电荷数，写作 n  ；右下角为微粒中所含 X 原子 决定 X)(A Z 的个数，上面标注的是化合价，写作  n 形式，注意与电荷的标注进行正确区分，如由氧 的一种同位素形成的过氧根离子，可写作 16 8 -1O 2 2 。 原子结构及离子结构中各种基本微粒间的关系 原子种类 微粒之间的关系 中性原子 A Z 原子序数=核电荷数=核内质子数= 核外电子数 质量数=质子数+ 中子数 阳离子 A n 原子序数=核电荷数=核内质子数= 核外电子数+n 阴离子 A m- Z 原子序数=核电荷数=核内质子数= 核外电子数-m 3．核外电子 核外电子的运动状态 1．原子结构理论的发展。经历了以下五个发展阶段： ①1803 年英国化学家道尔顿家建立了原子学说； ②1903 年汤姆逊发现了电子建立了“葡萄干布丁”模型； ③1911 年英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验提出原子结构的核式模型； ④1913 年丹麦科学家玻尔建立了核外电子分层排布的原子结构模型； ⑤20 世纪 20 年代建立了现代量子力学模型。 2．核外电子运动特征：在很小的空间内作高速运动，没有确定的轨道。 3．电子运动与宏观物体运动的描述方法的区别 描述宏观物质的运动：计算某时刻的位置、画出运动轨迹等。 描述电子的运动：指出它在空间某区域出现的机会的多少。 4．核外电子运动状态的形象化描述——电子云：电子在原子核外高速运动，像带负电的 “云雾”笼罩在原子核的周围，人们形象地把它叫做电子云。电子云实际上是对电子在原子 核外空间某处出现的概率多少的形象化描述，图中的小黑点不表示电子的个数，而是表示电 子在该空间出现的机会多少。参见上页“氢原子基态电子云图”。 5．核外电子运动状态的具体化描述 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f 起点 ⑴核外电子的运动状态，由能层、能级、电子云的空间伸展方向、电子的自旋状态四个 方面来描述，换言之，用原子轨道（或轨道）和电子的自旋状态来描述。 ⑵能层（电子层、用主量子数 n 表示）：按核外电子能量的高低及离核平均距离的远近， 把核外电子的运动区域分为不同的能层（电子层）。目前 n 的取值为 1、2、3、4、5、6、7， 对应的符号是英文字母 K、L、M、N、O、P、Q。一般地说：n 值越大，电子离核的平均距离越 远、能量越高，即 E(n=1)＜E(n=2)＜E(n=3)＜E(n=4)＜……。 ⑶能级（电子亚层、用角量子数 l 表示）：在多电子原子中，同一能层（电子层）的电子， 能量也可能不同，还可以把它们分为不同的能级或电子亚层（因为这些不同的能量状态的能 量是不连续的，像楼梯的台阶一样，因为称为能级）。用角量子数 l 来描述这些不同的能量状 态。对于确定的 n 值，角量子数 l 的取值有 n 个：0、1、2、3、（n-1），分别用 s、p、d、f…… 表示。E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf) ＜……。 ⑷电子云的空间伸展方向（用磁量子数 m 表示）：对于确定的能层和能级（n、l 已知）， 能级的能量相同，但电子云在空间的伸展方向不一定相同，每一个空间伸展方向称为一个轨 道，用磁量子数 m 来描述。不同能层的相同能级，其空间伸展方向数相同，即轨道数相同。 S 能级（亚层）是球形，只有 1 个伸展方向；p 能级（亚层）是亚铃形，有 3 个伸展方向 （三维坐标的三个方向）；d、f 能级（亚层）形状比较复杂，分别有 5、7 个伸展方向。 ⑸原子轨道（或轨道）：电子在原子核外出现的空间区域，称为原子轨道。在量子力学中， 由能层（电子层、主量子数 n）、能级（电子亚层、角量子数 l）和电子云的空间伸展方向（磁 量子数 m）来共同描述。 由于原子轨道由 n、l、m 决定，由此可以推算出：s、p、d、f 能级（亚层）分别有 1、3、 5、7 个轨道；n=1、2、3、4、…时，其对应电子层包含的轨道数分别为 1、4、9、16…，即对于主量子数为 n 的电子层，其轨道数为 n2。 ⑹电子的自旋状态：电子只有顺时针和逆时针两种自旋方向，用自 旋量子数 ms 表示。 核外电子的运动状态 原子轨道（轨道） 电子的自旋状态 能层（电子层） 能级（电子亚层） 空间伸展方向 主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 自旋量子数 ms 典型例题 【例 1】水是最宝贵的资源之一。下列表述正确的是 A．H2O 的电子式为 .. .. H :O:H        B．4℃时，纯水的 pH=7 C． 16 2D O 中，质量数之和是质子数之和的两倍 D．273K、101kPa，水分子间的平均距离 d ： d （气态）＞ d （液态）＞ d （固态） 【答案】C 【解析】本题主要考查的是有关水的化学基本用语。A 项，水是共价化合物，其分子的电子 式为 ；B 项，温度升高，水的电离程度增大， C 项，一个 分子 中，其质量数为 20，质子数为 10，D 项，在温度压强一定时，它只能呈一种状态。综上分析 可知，本题选 C 项 【例 2】(河南 2019 届高三上学期期中考试)下列叙述正确的 ( ) A． 14N 和 15N 具有相同的质量数 B． 14N 和 15N 所含的电子数不同 C．N4 和 N2 是同素异形体 D. 14N 和 N4 互为同位素 答案 C 基础过关 第 2 课时 原子核外电子排布规律 1．构造原理 ⑴构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按右图顺序填入 核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。 ⑵能级交错：由构造原理可知，电子先进入 4s 轨道，后进入 3d 轨道，这种现象叫能级 交错。 ⑶说明：构造原理并不是说 4s 能级比 3d 能级能量低（实际上 4s 能级比 3d 能级能量高）， 而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低。也就是说，整个原子的能量不能机械 地看做是各电子所处轨道的能量之和。 2．能量最低原理 现代物质结构理论证实，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，简称能量最低原理。 构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低，而不局限于某个能级。 3．泡利原理和洪特规则 ⑴泡利（不相容）原理：基态多电子原子中，不可能同时存在 4 个量子数完全相同的电 子。换言之，一个轨道里最多只能容纳两个电子，且电旋方向相反（用“↑↓”表示），这个 原理称为泡利（Pauli）原理。 ⑵洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一 个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特（Hund）规则。比如，p3 的轨道式为 ↑ ↑ ↑ 或 ↓ ↓ ↓ ，而不是 ↑↓ ↑ 。 ⑶洪特规则特例：当 p、d、f 轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于 较稳定的状态。即 p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14 时，是较稳定状态。 前 36 号元素中，全空状态的有 4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有 10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、 29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。 4．原子光谱 ⑴基态：电子按构造原理的顺序进入原子核外的轨道，此时整个原子的能量最低，称之 为基态。 基态原子是处于最低能量状态的原子。 ⑵激发态：基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高的能级，此时原子的能量较 基态高，叫激发态。 基态和激发态间、不同激发态间能量是不连续的，像楼梯的台阶一样。 ⑶电子的跃迁：电子由较高能量的激发态(可有多个激发态)跃迁到较低能量的激发态或 基态时，会放出能量，发光是释放能量的主要形式之一。反之，电子由较低能量的基态或激 发态跃迁到激发态或能量较高的激发态时，会吸收能量，吸收光是吸收能量的形式之一。 ⑷原子光谱：不同元素原子的电子发生跃迁时，会吸收或释放不同波长的光，可以用光 谱仪来记录、鉴别，称之为原子光谱。 在现代化学中，利用不同元素的原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。 5．核外电子排布的一般规则 ⑴每个电子层（主量子数为 n）所能容纳的电子数最多为 2n2 个（泡利原理）。 ⑵原子最外层电子数目不能超过 8 个（K 层为最外层时不能超过 2 个）；能级交错。 ⑶原子次外层电子数目不能超过 18 个（K 层为次外层时不能超过 2 个）。能级交错。 6．核外电子排布的表示方法 ⑴原子结构简（示意）图： 圆圈内数字表示质子数，弧线表示能层（电 子层），弧线内数字表示该能层（电子层）中的电子数。如镁原子的原子结构简 图为（见右图）： ⑵电子排布式：在能级符号的右上方用数字表示该能级上排布的电子数目的式子。有原 子的电子排布式、原子最外层的电子排布式、离子的电子排布式等不同的用法。 例如，氯原子的电子排布式为 1s22s22p63s23p5；氯离子 Cl-的电子排布式为 1s22s22p63s23p6； 氯原子最外层的电子排布式 3s23p5。 为避免电子结构过长，通常把内层已达到稀有气体的电子层写成“原子芯”（原子实），并 以稀有气体符号加方括号表示。例如： 氯 [Ne]3s23p5 钪 [Ar] 3d14s2 ⑶轨道表示式：表示电子所处轨道及自旋状态的式子。 如 7N 的轨道表示式为 1s 2s 2p ↑↓ ↑↓ 典型例题 【例 1】碳族元素包括：C、Si、 Ge、 Sn、Pb。 (1)碳纳米管有单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过 杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间靠 结合在一起。 (2)CH4 中共用电子对偏向 C，SiH4 中共用电子对偏向 H，则 C、Si、H 的电负性由大到小的顺序 为 。 (3)用价层电子对互斥理论推断 SnBr2 分子中 Sn—Br 的键角 120°（填“＞”“＜”或“＝”）。 (4)铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是：Pb4+处于立方晶胞顶点，Ba2+处于晶胞中心，O2- 处于晶胞棱边中心，该化合物化学式为 ，每个 Ba2+与 个 O2-配位。 解析：(1)石墨的每个碳原子用 sp2 杂化轨道与邻近的三个碳原子以共价键结合，形成无限的六 边形平面网状结构，每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的 2P 轨道，并含有一 个未成对电子，这些平面网状结构再以范德华力结合形成层状结构。因碳纳米管结构与石墨 ↑ ↑ ↑ 类似，可得答案。 (2)共用电子对偏向电负性大的原子，故电负性：C＞H ＞Si。 (3) SnBr2 分子中，Sn 原子的价层电子对数目是（4+2）/2=3，配位原子数为 2，故 Sn 原子含有 故对电子，SnBr2 空间构型为 V 型，键角小于 120°。 (4)每个晶胞含有 Pb4+：8× 8 1 =1 个，Ba2+：1 个，O2-：12× 4 1 =3 个，故化学式为：PbBaO3。Ba2+ 处于晶胞中心，只有 1 个，O2-处于晶胞棱边中心，共 12 个，故每个 Ba2+与 12 个 O2-配位 答案：(1) sp2 范德华力 (2) C＞H ＞Si (3) ＜ 【例 2】 X、Y、Z、W 是元素周期表前四周期中的四种常见元素，其相关信息如下表： 元素 相关信息 X X 的基态原子核外 3 个能级上有电子，且每个能级上的电子数相等 Y 常温常压下，Y 单质是淡黄色固体，常在火山口附近沉积 Z Z 和 Y 同周期,Z 的电负性大于 Y W W 的一种核素的质量数为 63，中子数为 34 （1）Y 位于元素周期表第 周期表 族，Y 和 Z 的最高价氧化物对应的水化物的酸 性较强的是 （写化学式）。 （2）XY2 是一种常用的溶剂，XY2 的分子中存在 个σ键。在 H―Y、H―Z 两种共价键中， 键的极性较强的是 ，键长较长的是 。 （3）W 的基态原子核外电子排布式是 。W2Y 在空气中煅烧生成 W2O 的 化学方程式是 。 （4）处理含 XO、YO2 烟道气污染的一种方法，是将其在催化剂作用下转化为单质 Y。 已知： XO(g)+ 1 2 O2(g)=XO2(g)  H=－283.0 kJ·mol－2 Y(g)+ O2(g)=YO2(g)  H=－296.0 kJ·mol－1 此反应的热化学方程式是 。 答案：(1)3 VIA HClO4 (2)2 H-Z H-Y (3)[Ar]3d104s1 2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2 (4)2CO(g)+SO2(g)=S(s)+2CO2 (g) △H=-270kJ/mol 解析：由表中可知，X 为 C Y 为 S Z 为 Cl W 为 Cu 基础过关 第 3 课时 相对原子质量 同位素及相对原子质量 同 位 素 定义 具有相同质子数和不同中子数的同一元素的原子互称同位素 特性 1. 同一元素的各种同位素化学性质几乎完全相同. 2. 天然存在的某种元素里,不论是游离态还是化合态,各种同位素 的原子含量一般是不变的. 判定 方法 它反映的是同种元素的不同原子间的关系.故单质、化合物间不可能 是同位素。如 H2 和 D2 及 H2O 和 D2O 之间不存在同位素关系。只有质子 数相同而中子数不同的原子才是同位素；如 16 8O 和 18 8O 是同位素，而 且 14 6C 和 14 7N 不是同位素。 注意 天然存在的元素中，许多都有同位素（但并非所有元素都有同位素）。 因而发现的原子种数多于元素的种数。 相 对 原 子 质 量 和 近 似 相 对 原 子 质 同位素的 相对原子 质量和近 似相对原 子质量 按初中所学的相对原子质量的求算方式是：一个原子的质量与一个 12C 原子质量的 12 1 的比值。显然，所用原子质量是哪种同位素原子的 质量，其结果只能是该同位素的相对原子质量。故该定义严格说应 是同位素的相对原子质量。该比值的近似整值即为该同位素的近似 相对原子质量，其数值等于该同位素的质量数。 元素的相 对原子质 量和近似 相对原子 质量 因天然元素往往不只一种原子，因而用上述方法定义元素的相对原 子质量就不合适了。元素的相对原子质量是用天然元素的各种同位 素的相对原子质量及其原子含量算出来的平均值。数字表达式为 M =M1×a1%+M2×a2%+……。若用同位素的质量数替代其相对原子量 进行计算，其结果就是元素的近似相对原子质量（计算结果通常取 整数）。我们通常采用元素的近似相对原子质量进行计算。 量 典型例题 【例 1】（汕头二模）某元素一种同位素的原子的质子数为 m，中子数为 n，则下列说法正确 的是( ) A.不能由此确定该元素的原子量 B.这种元素的原子量为(m+n) C.若碳原子质量为 w g，此原子的质量为(m+n)w g D.核内中子的总质量小于质子的总质量 [解析]元素的相对原子质量是各同位素相对原子质量的平均值，所以 A 正确，B 不正确。 由相对原子质量的概念，若设该核素一个原子的质量为 x，并且我们用该核素的质量数代替核 素的相对原子质量时，方有 nmw x  12 ，即 x= 12 )( wnm  ，C 不正确。在原子核内，一个中 子的质量比一个质子的质量略大，但核内的质子数和中子数无法确定，因此 D 不正确。 ［答案］A [规律总结]分清相对原子质量、质量数的有关概念，切不可用核素的相对原子质量代替 元素的相对原子质量。 【例 2】元素周期表中ⅠA 族元素有 R′和 R″两种同位素， R′和 R″的原子量分别为 a 和 b， R 元素中 R′和 R″原子的百分组成分别为 x 和 y ，则 R 元素的碳酸盐的式量是 A．2（ax+by）+60 B． ax+by+60 C．（ax+by）/2+60 D． ay+bx+60 【 解析】本题考察元素（平均）相对原子质量的计算。根据题给信息，R 元素有两种同 位素，其（平均）相对原子质量为（ax+by）。根据ⅠA 族元素 R 的碳酸盐的化学式为 R2CO3， 求得其相对分子质量。答案：A。