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2课时学案 鲁科版选修3
第2课时 核外电子排布与元素周期表、原子半径
[学习目标定位] 1.了解核外电子排布规律与元素周期表中周期、族划分的关系，并能解释它们之间的变化规律。2.了解原子半径的意义及其测定方法，知道原子半径与原子核外电子排布的关系，并能解释原子半径在周期表中的变化规律。
一、核外电子排布与元素周期表
1．原子核外电子排布与周期的划分
(1)填写下表：
周期
价电子排布
最外层最多容纳
电子数
各周期增加能级
元素
种数
ⅠA族
0族
1
1s1
1s2
2
1s
2
2
2s1
2s22p6
8
2s、2p
8
3
3s1
3s23p6
8
3s、3p
8
4
4s1
4s24p6
8
4s、3d、4p
18
5
5s1
5s25p6
8
5s、4d、5p
18
6
6s1
6s26p6
8
6s、4f、5d、6p
32
7
7s1
7s、5f、6d(未完)
未完
(2)观察分析上表，讨论原子核外电子排布与周期划分的本质联系。
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①根据能级能量的差异，可将能量相近的能级分为七个能级组，同一能级组内，各能级能量相差较小，各能级组之间能量相差较大。
②每一个能级组对应一个周期，且该能级组中最大的电子层数等于元素的周期序数。
③一个能级组最多容纳的电子数等于对应的周期所含的元素种数。
2．原子核外电子排布与族的划分
(1)将下列各主族元素的价电子数、价电子排布式填入表中：
族数
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
价电子排布式
ns1
ns2
ns2np1
ns2np2
ns2np3
ns2np4
ns2np5
列数
1
2
13
14
15
16
17
价电子数
1
2
3
4
5
6
7
(2)以第4周期副族元素为例，填写下表：
副族元素
21Sc
22Ti
23V
24Cr
25Mn
29Cu
30Zn
族数
ⅢB
ⅣB
ⅤB
ⅥB
ⅦB
ⅠB
ⅡB
价电子排布式
3d14s2
3d24s2
3d34s2
3d54s1
3d54s2
3d104s1
3d104s2
价电子数目
3
4
5
6
7
(3)依据上述表格，分析讨论族的划分与原子核外电子排布的关系。
族的划分依据与原子的价电子数目和价电子排布密切相关。
①同主族元素原子的价电子排布相同，价电子全部排布在最外层的ns或nsnp轨道上。族序数与价电子数相同。
②稀有气体的价电子排布为1s2或ns2np6。
③过渡元素(副族和第Ⅷ族)同一纵行原子的价电子排布基本相同。价电子排布式为(n－1)d1～10ns1～2，第ⅢB～ⅦB族的族序数与价电子数相同，第ⅠB、ⅡB族的族序数＝ns轨道上的电子数，第Ⅷ族的价电子数分别为8、9、10。
3．原子核外电子排布与区的划分
分区
族数
价电子排布
s区
ⅠA、ⅡA、He
ns1～2
p区
ⅢA～0族(He除外)
ns2np1～6
d区
ⅢB～Ⅷ
(n－1)d1～9ns1～2
ds区
ⅠB、ⅡB
(n－1)d10ns1～2
f区
ⅢB
(n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2
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(1)最外层电子排布与周期表的关系
①原子的电子层数＝能级中最高能层序数＝周期序数
②主族元素原子的最外层电子数＝主族元素原子的价电子数＝主族序数
(2)对价电子认识的误区提醒
①价电子不一定是最外层电子，只有主族元素的价电子才是最外层电子。对于过渡元素还包括部分内层电子。
②元素的价电子数不一定等于其所在族的族序数。这只对主族元素成立，对部分过渡元素是不成立的。
③同一族元素的价电子排布不一定相同，如过渡元素中的镧系元素和锕系元素就不相同，在第Ⅷ族中部分元素的价电子排布也不相同。
例1 价电子排布式为5s25p3的元素是( )
A．第5周期ⅢA族 B．51号元素
C．非金属元素 D．Te
答案 B
解析 5s25p3,5指的是电子层数，即属于第5周期，价电子指的是最外层电子数，主族元素所在族序数等于最外层电子数，即属于第ⅤA族元素，属于主族元素，又因为最后一个电子填充在p能级上，属于p区，按照核外电子排布的规律，推出此元素是锑(Sb)，B正确。
例2 按电子排布，可以把周期表中的元素划分为5个区，以下元素属于p区的是( )
A．Fe B．Mg C．Br D．Cu
答案 C
解析 Fe的外围电子排布式为3d64s2，属于d区元素，A错误；Mg的外围电子排布式为3s2，属于s区元素，B错误；Br的外围电子排布式为4s24p5，属于p区元素，C正确；Cu的外围电子排布式为3d104s1，属于ds区元素，D错误。
二、核外电子排布与原子半径
1．由于原子并不是一个具有明确“边界”的实体，人们便假定原子是一个球体，并采用统计的方法来测定它的半径。
2．微粒半径大小的判断方法规律
(1)同周期元素的原子半径、最高价阳离子半径、最低价阴离子半径：随着核电荷数增多，都依次减小(稀有气体除外)。
(2)同主族元素的原子半径、相同价态阳离子半径和阴离子半径：随着核电荷数增多，都依次增大。
(3)核外电子排布(即电子层结构)相同的离子半径：随核电荷数增多，半径依次减小。
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(4)同种元素形成的粒子半径：阳离子<中性原子<阴离子，且阳离子价态越高，半径越小。
如：Fe3＋
Na>Li B．Na＋>Mg2＋>Al3＋
C．Mg2＋>Na＋>F－ D．Cl－>F－>F
答案 C
解析 同主族，由上到下微粒半径逐渐增大，A项正确；核外电子排布相同的微粒，核电荷数越大，微粒半径越小，B项正确；C项应该为F－>Na＋>Mg2＋；D项可引入Cl，顺序为Cl－>Cl>F－>F，正确。
例4 已知短周期元素的离子aA2＋、bB＋、cC3－、dD－都具有相同的电子层结构，则下列叙述正确的是( )
A．原子半径：A>B>D>C
B．原子序数：d>c>b>a
C．离子半径：C3－>D－>B＋>A2＋
D．单质的还原性：A>B>D>C
答案 C
解析 aA2＋、bB＋、cC3－、dD－都是短周期元素的离子，电子层结构相同，其在周期表中的相对位置关系可表示为
…
cC3－
dD－
bB＋
aA2＋
…
因而四种元素的原子序数由大到小的顺序为a>b>d>c；元素原子半径的大小顺序为r(B)>r(A)>r(C)>r(D)；电子层结构相同的离子，阴离子半径必大于阳离子半径，且带负电荷越多半径越大，阳离子带正电荷越多半径越小，故离子半径由大到小的顺序为r(C3－)>r(D－)>r(B＋)>r(A2＋)；单质中同周期的A、B为金属，A原子序数大于B，故还原性应为B>A，同周期非金属元素C、D，C的原子序数小于D，C的还原性应大于D。
易错警示
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(1)同周期从左到右元素的离子半径并不是逐渐减小。同周期元素阳离子半径(或阴离子半径)从左到右逐渐减小，而阴离子半径大于阳离子半径。
(2)并不是电子层数越多，原子半径越大，如锂原子半径大于氯原子半径。
(3)比较微粒半径，首先分析是哪种微粒，是原子还是(阴、阳)离子，然后再比较电子层数和电子数。
1．价电子排布式为5s25p1的元素，位于周期表中( )
A．第4周期ⅤA族 B．第5周期ⅢA族
C．第5周期ⅠA族 D．第4周期ⅢA族
答案 B
解析 电子层数＝周期数，价电子数＝主族元素的族序数，所以该元素位于第5周期ⅢA族。
2．具有以下结构的原子，一定属于主族元素的是( )
A．最外层有1个电子的原子
B．最外层电子排布式为ns2的原子
C．最外层有3个未成对电子的原子
D．次外层无未成对电子的原子
答案 C
解析 原子最外层有一个电子的原子可能是ⅠA族、ⅥB族(如Cr：3d54s1)、ⅠB族(如Cu：3d104s1)元素的原子，不一定是主族元素，A项不正确；最外层电子排布式为ns2的原子有He，ⅡA族、ⅢB～ⅦB族、ⅡB族元素的原子，B项不正确；原子最外层有3个未成对电子的元素，其原子最外层有5个电子，一定是主族元素，C项正确；原子次外层无未成对电子的有：全部主族元素、0族元素、ⅠB和ⅡB族元素，D项不正确。
3．具有下列电子排布式的原子中，半径最大的是( )
A．1s22s22p63s23p3 B．1s22s22p3
C．1s22s22p5 D．1s22s22p63s23p4
答案 A
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解析 由核外电子排布知识可知A为磷原子，B为氮原子，C为氟原子，D为硫原子。根据同周期从左到右原子半径逐渐减小，同主族由上到下原子半径逐渐增大，故原子半径最大的是磷原子。
4．某元素的最外层电子数为2，价电子数为5，并且是同族中原子序数最小的元素，关于该元素的判断错误的是( )
A．电子排布式为1s22s22p63s23p63d34s2
B．该元素为V
C．该元素为ⅡA族元素
D．该元素位于d区
答案 C
解析 该元素的最外层电子数为2，并且为同族元素中原子序数最小的，所以该元素为第2周期或第4周期元素。又因其价电子数≠最外层电子数，可推出该元素并不是第2周期元素，应为第4周期元素，价电子排布式为3d34s2，故为23号元素V，d区元素。
5．完成下列小题。
(1)填表：
原子电子排布式
族
周期
区
①1s22s22p63s2
②[Kr]4d105s25p2
③[Ar]3d14s2
(2)某元素M2＋的3d轨道上有5个电子，试推出：
①M原子的核外电子排布式为___________________________________________。
②M原子的最外层和最高能级组中电子数分别为____________、____________。
③M元素在元素周期表中的位置为第______周期______族。
答案 (1)①ⅡA 3 s ②ⅣA 5 p ③ⅢB 4 d
(2)①1s22s22p63s23p63d54s2 ②2 7 ③4 ⅦB
解析 (2)①因M2＋的3d未充满，4p轨道肯定无电子。该元素原子失电子时，应先失4s电子再失3d电子，故M的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2。②M原子最外层有2个电子，即4s2，最高能级组为(4s、3d、4p)，共有7个电子。③元素周期的划分是以能级组的划分为内在依据，元素所在周期数等于核外最高能级电子所在的能级组数，故该元素属于第4周期。对于ⅢB～ⅦB族的价电子数与族序数相同，该元素M的价电子排布为3d54s2，价电子数为7，故M位于第ⅦB族。
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[对点训练]
题组1 核外电子排布与元素在周期表中的位置
1．价电子排布式为3d104s1的元素在周期表中应位于( )
A．第4周期ⅠB族 B．第5周期ⅡB族
C．第4周期ⅦB族 D．第5周期ⅢB族
答案 A
解析 根据该元素的价电子排布式可知其电子层数为4，因此它位于第4周期。由3d轨道为全满结构可知该元素位于ds区，由最外层4s轨道上有1个电子可知它位于第ⅠB族。
2．如果n为第ⅡA族中某元素的原子序数，则原子序数为(n＋1)的元素可能位于( )
A．ⅢA或ⅢB B．ⅣA
C．ⅠB D．ⅠA
答案 A
解析 在元素周期表中，第2、3周期的第ⅡA族与第ⅢA族元素相邻，其原子序数相差1；第四、五、六、七周期的第ⅡA族与第ⅢB族相邻，其原子序数相差1；所以原子序数为(n＋1)的元素位于第ⅢA或ⅢB族。
3．(2018·扶余市第一中学期末)根据电子排布的特点，Cu在周期表中属于( )
A．ds区 B．p区 C．d区 D．s区
答案 A
解析 铜为29号元素，核外电子排布式为1s2 2s22p63s23p63d10 4s1。按照构造原理，价层电子排布式应为3d94s2，当3d处于半充满或全充满时，能量最低，最稳定，所以Cu的4s2上的一个电子将填充在3d上，故Cu在元素周期表中属于ds区。
4．主族元素A和B可形成组成为AB2的离子化合物，则A、B两原子的最外层电子排布分别为( )
A．ns2np2和ns2np4 B．ns2和ns2np4
C．ns2和ns2np5 D．ns2和ns2
答案 C
解析 由A和B为主族元素，且二者能形成AB2型的离子化合物，知A为第ⅡA族元素，B为第ⅦA族元素，故A元素原子的最外层电子排布为ns2，B元素原子的最外层电子排布为ns2np5。
5．元素周期表共有18个纵行，从左到右排为1～18列，即碱金属是第1列，稀有气体是第18列。按这种规定，下列说法正确的是( )
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A．第9列元素中不完全是金属元素
B．第15列元素的原子最外层电子的排布式为ns2np3
C．最外层电子数为ns2的元素都在第2列
D．第10、11列为ds区的元素，形成化合物种类最多的元素在第14列
答案 B
解析 第9列元素为第Ⅷ族元素，全部属于金属元素，A项错误；第15列为第ⅤA族元素，其最外层电子的排布式为ns2np3，B项正确；最外层电子数为ns2的元素除第ⅡA族(第2列)外，还有He以及部分过渡金属元素，C项错误；ds区元素是第11、12列元素，D项错误。
6．已知某元素＋3价离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，该元素在周期表中的位置是( )
A．第3周期Ⅷ族 B．第4周期ⅢB族
C．第4周期Ⅷ族 D．第4周期ⅤB族
答案 C
解析 由离子的电子排布式可推出原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，价电子排布式为3d64s2，因为排布在d、s轨道，且共有8个价电子，所以为Ⅷ族元素。
题组2 核外电子排布与微粒半径比较
7．下列各组微粒半径之比大于1的是( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 微粒半径比值大于1，即比例式中分子的微粒半径应大于分母的微粒半径。A项中元素属同周期关系，r(Na)>r(Mg)，比值小于1；B项中元素属同周期关系，r(P)>r(Cl)，比值大于1；C项中属核外电子排布相同的两种微粒，应为r(Na＋)>r(Al3＋)，比值小于1；D项中属同周期元素形成的不同离子，K＋核外有3层电子，Br－核外有4层电子，显然，r(K＋)②>③>④ B．③>④>①>②
C．③>①>②>④ D．①>②>④>③
答案 C
解析 由题意可知：X、Y、Z2－、W分别为S、Cl、S2－、F。S、Cl、S2－、F粒子半径大小排列顺序为r(S2－)>r(S)>r(Cl)>r(F)，故C项正确。
9．下列关于微粒半径的说法正确的是( )
A．原子序数越大，原子半径越大
B．核外电子层结构相同的单核粒子，半径相同
C．质子数相同的不同单核粒子，电子数越多半径越大
D．电子层数少的元素的原子半径一定小于电子层数多的元素的原子半径
答案 C
解析 由于同周期主族元素原子半径从左到右逐渐减小，故ⅦA族的原子半径不一定比上一周期ⅠA族元素原子半径大，如r(Li)>r(S)>r(Cl)；对于核外电子层结构相同的单核离子和原子，半径是不同的；质子数相同的不同单核粒子，阴离子半径>原子半径>阳离子半径；同周期主族元素，原子序数增大，原子半径减小。
题组3 元素的“位—构—性”之间的关系
10．下列四种元素中，其单质氧化性最强的是( )
A．基态原子含有未成对电子最多的第2周期元素
B．位于周期表第3周期ⅢA族的元素
C．原子最外电子层排布式为2s22p6的元素
D．原子最外电子层排布式为3s23p5的元素
答案 D
解析 第2周期含未成对电子数最多的是N原子；B为Al；C为稀有气体Ne；D为Cl。N2、Al、Ne、Cl2中，Cl2的氧化性最强。
11．下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是( )
A．原子核外电子排布式为1s2的X原子与原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子
B．原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子
C．2p轨道上有一对成对电子的X原子和3p轨道上只有一对成对电子的Y原子
D．最外层都只有一个电子的X、Y原子
答案 C
解析 本题考查的是核外电子排布的知识。A项，1s2结构的原子为He,1s22s2结构的原子为Be，两者性质不相似；B项，X原子为Mg，N层上有2个电子的Y原子有多种元素，如第4周期中Ca、Fe等都符合，化学性质不一定相似；C项，p轨道有一对成对电子，应是np4
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，为同主族的元素，化学性质一定相似；D项，最外层只有1个电子的可以是第ⅠA族元素，过渡元素中也有很多最外层只有 1个电子的，故化学性质不一定相似。
12．元素X、Y、Z在周期表中的相对位置如图所示，已知Y元素原子的价电子排布式为ns(n－1)np(n＋1)，则下列说法不正确的是( )
X
Y
Z
A.Y元素原子的价电子排布式为4s24p4
B．Y元素在周期表的第3周期ⅥA族
C．X元素位于元素周期表的p区
D．Z元素原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3
答案 A
解析 Y元素原子的价电子排布式为ns(n－1)np(n＋1)，由n－1＝2可得n＝3，Y元素原子的价电子排布式为3s23p4，则Y元素位于第3周期ⅥA族，Z位于第4周期ⅤA族，价电子排布式为4s24p3，电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3。X、Y、Z最外层电子均填充在p轨道上，故X、Y、Z均位于p区。
[综合强化]
13．X原子在第二电子层上只有一个空轨道，则X是___________________________________，
其轨道表示式为________；R原子的3p轨道上只有一个未成对电子，则R原子可能是________；Y原子的核电荷数为33，其外围电子排布式是________，其在元素周期表中的位置是________，属于________区的元素。
答案 C(或碳) Al或Cl 4s24p3 第4周期ⅤA族 p
解析 X原子在第二电子层上只有一个空轨道，则其电子排布式为1s22s22p2，则X是碳，其轨道表示式为。R原子的3p轨道上只有一个未成对电子，则其原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1或1s22s22p63s23p5，则R可能为Al或Cl。Y原子的核电荷数为33，根据构造原理和核外电子排布规则可知，Y原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3，电子层数为4，且最外层有5个电子，在元素周期表中位于第4周期ⅤA族，最后一个电子填充在4p轨道上，故属于p区元素。
14．已知An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都具有相同的电子层结构，则A、B、C、D的原子半径由大到小的顺序是
________________________________________________________________________，
离子半径由大到小的顺序是_______________________________________________，
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原子序数由大到小的顺序是________________________________________________。
答案 A>B>D>C D(n＋1)－>Cn－>An＋>B(n＋1)＋
B>A>C>D
解析 因An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都具有相同的电子层结构，可将A、B、C、D在周期表中的位置关系表示如下：
……
……
D
C
……
……
A
B
……
……
从上图不难判断A、B、C、D的原子半径由大到小的顺序是A>B>D>C；因四种离子的核外电子层结构相同，核电荷数小的离子半径大，因此可以判断离子半径从大到小的顺序是D(n＋1)－>Cn－>An＋>B(n＋1)＋；原子序数由大到小的顺序是B>A>C>D。
15．有A、B、C、D、E五种元素。其中A为第4周期元素，与D可形成1∶1和2∶1原子个数比的化合物；B为第4周期过渡元素，最高化合价为＋7；C和B是同周期的元素，具有相同的最高化合价；D的价电子排布式为nsnnpn＋2，E元素的基态原子核外有7个原子轨道填充了电子。
(1)试写出下面三种元素的元素符号：
A________、B________、C_________。
(2)写出D2－的电子排布式：______________________，基态E原子的电子排布式：_______________。
(3)B位于第________族，C位于第________族。
答案 (1)K Mn Br (2)1s22s22p6 1s22s22p63s23p1 (3)ⅦB ⅦA
解析 由B为第4周期过渡元素，最高化合价为＋7可推出B是锰元素；C和B是同周期的元素，具有相同的最高化合价，则C是溴元素；D的价电子排布式为nsnnpn＋2，D是氧元素；A为第4周期元素，与D可形成1∶1和2∶1原子个数比的化合物，A是钾元素；B位于第4周期，最高价为＋7价，根据族序数等于价电子数可知B位于第ⅦB族，Br原子最外层也是7个电子，属于主族元素，位于第ⅦA族；E元素的基态原子核外有7个原子轨道填充了电子，其核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，该元素应为Al。
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