高中化学人教版（2019）选择性必修2 第一章 第一节原子结构 第1课时 能层与能级　基态与激发态

第一节　原子结构
第1课时　能层与能级　基态与激发态
[核心素养发展目标]　
1.通过认识原子结构与核外电子排布理解能层与能级的关系。
2.通过核外电子能量不同分析，理解激态与激发态的含义与关系。
3.能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。
一、能层与能级
1920年，丹麦科学家玻尔在氢原子模型基础上，提出构造原理，开启了用原子结构解释元素周期律的篇章。1925年以后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释。1936年，德国科学家马德隆发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理。
1．能层
(1)含义：根据核外电子的能量不同，将核外电子分为不同的能层(电子层)。
(2)序号及符号
能层序号一、二、三、四、五、六、七……分别用K、L、M、N、O、P、Q……表示，其中每层所容纳的电子数最多为2n2个。
(3)能量关系
能层越高，电子的能量越高，能量的高低顺序为E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q)。
2．能级
(1)含义：根据多电子原子的同一能层的电子的能量也可能不同，将它们分为不同能级。
(2)表示方法：分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f等表示，如n能层的能级按能量由低到高的排列顺序为ns、np、nd、nf等。
3．能层、能级与最多容纳的电子数
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
……
……
……
……
最多电子数
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
……
……
……
……
2
8
18
32
……
……
……
2n2
由上表可知：
(1)能层序数等于该能层所包含的能级数，如第三能层有3个能级。
(2)s、p、d、f
各能级可容纳的最多电子数分别为1、3、5、7的2倍。
(3)原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数是2n2(n为能层的序数)。
(1)2d表示L层上的d能级(　　)
(2)同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐减小(　　)
(3)各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束(　　)
(4)4s、4p、4d、4f能量的高低顺序为E(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)(　　)
(5)3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数不相同(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
1．根据Be、N、Ne、Na、Mg五种元素的原子结构，回答下列问题：
(1)只有K层与L层的原子有________。
答案　Be、N、Ne
(2)含有M层的原子有________。
答案　Na、Mg
(3)最外层电子数相同的原子有________。
答案　Be、Mg
(4)每一层电子数都符合2n2的有________。
答案　Ne
2．若n＝3，以下能级符号错误的是(　　)
A．np
B．nf
C．nd
D．ns
答案　B
3．下列能级符号表示正确且最多容纳的电子数按照从少到多的顺序排列的是(　　)
A．1s、2p、3d
B．1s、2s、3s
C．2s、2p、2d
D．3p、3d、3f
答案　A
二、基态与激发态　原子光谱
1．基态原子与激发态原子
(1)基态原子：处于最低能量状态的原子。
(2)激发态原子：基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。
(3)基态、激发态相互间转化的能量变化
基态原子激发态原子
2.光谱
(1)光谱的成因及分类
(2)光谱分析：在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
(1)光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一(　　)
(2)霓虹灯光、激光、萤光都与原子核外电子跃迁吸收能量有关(　　)
(3)产生激光的前提是原子要处于激发态(　　)
(4)电子跃迁时只吸收能量(　　)
(5)同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量(　　)
(6)激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×
1．回答下列问题：
吸收光谱是________的电子跃迁为________的电子产生的，此过程中电子________能量；发射光谱是________的电子跃迁为________的电子产生的，此过程中电子________能量。
答案　基态　激发态　吸收　激发态　基态　释放
2．如图是锂、氦、汞原子的吸收光谱和发射光谱。其中图________是原子由基态转化为激发态时的光谱，图________是原子由激发态转化为基态时的光谱。不同元素的原子光谱上的特征谱线不同，请在图中将同种元素原子的吸收光谱和发射光谱连接起来。
答案　①③⑤　②④⑥　如图所示
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
答案　B
解析　能层是电子层，对于同一能层里能量不同的电子，又将其分为不同的能级，故A错误；每个能层最多可容纳的电子数是2n2，故B正确；同一能层里不同能级，能量按照s、p、d、f的顺序升高，故C错误；不同能层中的s能级的能量不同，能层越大，s能级的能量越高，例如：E(1s)2．以下能级符号正确的是(　　)
A．3f
B．2d
C．4s
D．2f
答案　C
解析　第三能层有3个能级(3s、3p、3d)，没有3f能级，故A错误；第二能层有2个能级(2s和2p)，没有2d能级，故B错误；第四能层有4个能级(4s、4p、4d,4f)，故C正确；第二能层有2个能级(2s和2p)，没有2f能级，故D错误。
3．第N能层所含能级数、最多容纳电子数分别为(　　)
A．3、18
B．4、24
C．5、32
D．4、32
答案　D
解析　第N能层为第4层，含有的能级分别为s、p、d、f，最多可以容纳32个电子，D正确。
4．下列现象和应用与电子跃迁无关的是(　　)
A．激光
B．焰色试验
C．燃烧放热
D．霓虹灯
答案　C
5．K层有________个能级，用符号表示为________；L层有________个能级，用符号分别表示为__________；M层有________个能级，用符号分别表示为________。由此可推知n能层最多可能有________个能级，能量最低的两个能级其符号分别表示为________。
答案　1　1s　2　2s、2p　3　3s、3p、3d　n　ns、np
6．(1)已知短周期元素A、B，A元素原子的最外层电子数为m，次外层电子数为n；B元素原子的M层(有电子)电子数为m－n－1，L层电子数为m＋n＋2，则A为________(填元素符号，下同)，B为________。
(2)已知X元素原子的L层比Y元素原子的L层少3个电子，Y元素原子的核外电子总数比X元素原子的多5，则X、Y分别为________、________。
答案　(1)C　Na　(2)N　Mg
解析　(1)短周期元素的原子最多有三个能层(K、L、M)，则A元素原子的次外层只可能为K层或L层，n只可能是2或8，又因为B元素原子的L层电子数为m＋n＋2，而L层最多容纳8个电子，所以n只可能等于2。由m＋n＋2＝8，得m＝4。故A元素原子的核外电子排布情况为K层2个电子，L层4个电子，则A为C；B元素原子的核外电子排布情况为K层2个电子，L层8个电子，M层1个电子，则B为Na。(2)根据题意，Y元素原子的核外电子总数比X元素原子的多5，而Y元素原子的L层电子只比X元素原子的多3个，故Y元素原子的最外层不是L层，而是M层，根据核外电子排布规律可知，其L层为次外层时只能排8个电子，则X元素原子的L层有5个电子，其原子核外电子数为2＋5＝7，故X为N；Y元素原子核外电子数为7＋5＝12，故Y为Mg。
题组一　能层的理解与应用
1．在基态多电子原子中，关于核外电子能量的叙述错误的是(　　)
A．最易失去的电子能量最高
B．离核最远的电子能量最高
C．p能级电子能量一定高于s能级电子能量
D．在离核最近的区域内运动的电子能量最低
答案　C
解析　最易失去的电子，性质活泼，所以能量最高，A正确；离核最近的区域内运动的电子能量最低，离核越远区域内运动的电子能量越高，B、D正确；处于同一能层时，p能级电子能量一定高于s能级电子能量，C错误。
2．某元素原子的核外有三个能层，最外能层有4个电子，该原子核内的质子数为(　　)
A．14
B．15
C．16
D．17
答案　A
解析　原子核外共有三个能层，最内层只有1s能级，可容纳2个电子，第二层有2s、2p两个能级，可容纳1×2＋3×2＝8个电子，最外层有4个电子，所以该原子核外有14个电子，又因在原子中核外电子数等于核内质子数，故选A。
3．在同一个原子中，M能层上的电子与Q能层上的电子的能量(　　)
A．前者大于后者
B．后者大于前者
C．前者等于后者
D．无法确定
答案　B
4．下列说法中有错误的是(　　)
A．某原子K层上只有一个电子
B．某离子M层和L层上的电子数均为K层的4倍
C．某原子M层上的电子数为L层电子数的4倍
D．存在核电荷数与最外层电子数相等的离子
答案　C
解析　氢原子K层上只有一个电子，A正确；Cl－、K＋等离子M层和L层上的电子数均为K层的4倍，B正确；原子核外已有M层，则L层为全排满，即8个电子，这样M层就有32个电子，而M层为第三层，最多容纳的电子数为18个，故不可能，C错误；O2－核电荷数为8，核外最外层电子数也为8，D正确。
题组二　能层和能级
5．下列有关能层和能级的叙述中正确的是(　　)
A．M能层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子
B．3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多容纳7个电子
C．无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2
D．任一能层都有s、p能级，但不一定有d能级
答案　C
解析　A项，M能层有s、p、d共3个能级，最多容纳
18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子，从N能层开始有f能级，最多容纳14个电子，不存在3f能级；C项，每个能层都从s能级开始，且s能级最多容纳2个电子；D项，K能层只有s能级，不含有p能级。
6．某一能层上nd能级最多所能容纳的电子数为(　　)
A．6
B．10
C．14
D．15
答案　B
解析　d能级有5个轨道，每个轨道最多能容纳2个电子，所以nd能级最多能容纳10个电子。
7．下列各能层不包含d能级的是(　　)
A．O能层
B．P能层
C．M能层
D．K能层
答案　D
解析　多电子原子中，同一能层的电子可分为不同的能级，K层只有s能级，L层有s、p能级，从M层开始有d能级。
8．下列多电子原子不同能级能量高低的比较错误的是(　　)
A．1s＜2s＜3s
B．2p＜3p＜4p
C．3s＜3p＜3d
D．4s＞3d＞3p
答案　D
解析　在多电子原子中，从3d能级开始有“能级交错”现象，实际4s能级的能量小于3d，所以D错误。
题组三　原子的激发态、基态与光谱
9．下列关于同一种原子中的基态和激发态说法中，正确的是(　　)
A．基态时的能量比激发态时高
B．激发态时比较稳定
C．由基态转化为激发态过程中吸收能量
D．电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
答案　C
解析　同一原子处于激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确；电子从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。
10．以下现象与核外电子的跃迁有关的是(　　)
①霓虹灯发出有色光　②棱镜分光　③激光器产生激光
④石油蒸馏　⑤凸透镜聚光　⑥燃放的焰火，在夜空中呈现五彩缤纷的礼花　⑦日光灯通电发光　⑧冷却结晶
A．①③⑥⑦
B．②④⑤⑧
C．①③⑤⑥⑦
D．①②③⑤⑥⑦
答案　A
解析　①霓虹灯发出有色光，因为灯管中的稀有气体原子吸收能量，电子发生跃迁，发射出不同颜色的光，正确；②棱镜分光是由于不同色彩的光在玻璃中的折射率不同引起的，与电子跃迁无关，错误；③激光的产生就是在外部刺激的情况下，很多高能的电子同时释放相位和能级相同能量，这些能量成为颜色一样的光子，有的在激光器内反射，继续与电子碰撞，释放更多的与它相同的光子，有的离开激光器，形成激光，与电子跃迁有关，正确；④石油蒸馏是利用石油中各成分的沸点不同加以分离，与电子跃迁无关，错误；⑤凸透镜聚光是由光的折射形成的，与电子跃迁无关，错误；⑥燃放的焰火，是因为不同金属离子吸收能量，电子发生跃迁，形成不同的颜色的光，正确；⑦日光灯通电发光，是因为电子受到激发的时候原子就会释放出可见光子形成的，与电子跃迁有关，正确；⑧冷却结晶，是由于温度降低，物质的溶解度减小，析出溶质，与电子跃迁无关。
11．元素Na的焰色试验呈黄色，从能量变化的角度其光谱类型属于(　　)
A．发射光谱
B．吸收光谱
C．连续光谱
D．线状光谱
答案　A
解析　焰色反应是待测物的金属元素吸收能量后，原子中的电子发生跃迁变为激发态，而激发态不稳定，释放能量变为较低能量的激发态或基态，产生发射光谱。
12．对焰色试验的描述正确的是(　　)
A．焰色试验只是金属单质特有的性质
B．焰色试验是化学变化
C．焰色试验是金属原子从基态跃迁到激发态时，将能量以光的形式表现出来
D．焰色试验是金属原子或离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，将能量以光的形式表现出来的现象
答案　D
解析　焰色试验是大多数金属元素的性质，是物理变化，从基态→激发态要吸收能量，从激发态→基态会释放能量。
13．图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是(　　)
答案　D
解析　燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得的光能都是电子跃迁时能量以光的形式释放出来导致的，而平面镜成像则是光线反射的结果。
14．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
答案　A
解析　霓虹灯之所以能发光，是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的能级，能量较高能级上的电子会很快以光的形式释放能量而跃迁回能量较低的能级。
15．填空。
(1)用符号填写能层所含能级种类：
K层：________；L层：________；M层：________；N层：________。
(2)用数字填写能级所能容纳最多电子数目：
s：________；p：________；d：________；f：________。
(3)比较下列能级的能量高低(填“<”“＝”或“>”)。
①4s________3s________2s________1s；
②4f________4d________4p________4s；
③1s________2p________3d________4f。
答案　(1)1s　2s、2p　3s、3p、3d　4s、4p、4d、4f
(2)2　6　10　14
(3)①>　>　>　②>　>　>　③<　<　<
16．(1)1861年德国人基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)和本生(R.W.Bunsen)研究锂云母的某谱时，发现在深红区有一新线，从而发现了铷元素，他们研究的是________________________________
________________________________________。
(2)含有钾元素的盐的焰色试验为________色。许多金属盐都可以发生焰色试验，其原因是________________________________________________________________________。
答案　(1)原子光谱
(2)紫　电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低的基态时，以一定波长(可见光区域)光的形式释放能量
17．(1)Cl原子核外电子能量最高的电子所在的能级是________。
(2)基态Si原子中，核外电子占据最高能层的符号为________，该能层上有________个能级，电子数为________。
答案　(1)3p　(2)M　3　4
解析　(1)Cl原子核外有17个电子，排布在1s、2s、2p、3s、3p
5个能级上，能量最高的是3p能级。
(2)Si原子核外有14个电子，K、L、M能层上分别有2、8、4个电子，所以电子占据的最高能层为M能层，该能层有3s、3p、3d三个能级，排有4个电子。
18．下表给出了五种元素的相关信息，其中A、B、C、D为短周期元素。
元素
相关信息
A
在常温、常压下，其单质是气体，随着人类对环境的认识和要求的提高，它将成为备受青睐的清洁燃料
B
工业上通过分离液态空气获得其单质，其某种同素异形体是保护地球地表环境的重要屏障
C
植物生长三要素之一，它能形成多种氧化物，其中一种是早期医疗中使用的麻醉剂
D
室温下其单质呈粉末状固体，加热易熔化。该单质在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰
E
它是人体不可缺少的微量元素，其单质也是日常生产和生活中不可缺少的金属原材料，常用于制造桥梁、楼房等
根据上述信息填空：
(1)B元素的基态原子含有________个能层，其中第二能层中有哪几个能级：________；画出D的原子结构示意图________________。
(2)C与A形成的某一化合物能和C与B形成的另一无色化合物(这两种化合物分子中原子个数比皆为1∶2)一起用作火箭助推剂，写出两者发生反应生成无毒物质的化学方程式：________________________________________________________________________。
(3)某矿藏主要含D、E两种元素组成的化合物，它在空气中高温条件下生成一种刺激性气体和一种红色氧化物。试写出化学方程式：____________________________________________。
答案　(1)2　2s和2p　　(2)2N2H4＋N2O43N2＋4H2O　(3)4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2
解析　(1)氢气是一种清洁燃料，所以A为氢元素；臭氧对紫外线有吸收作用，是保护地球地表环境的重要屏障，所以B为氧元素，其基态原子含有K层与L层2个能层，L层为第二能层，有s、p两个能级(即2s和2p)；氮、磷、钾是植物生长三要素，N2O俗名“笑气”，是早期医疗中使用的麻醉剂，所以C为氮元素；单质硫在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰，所以D为硫元素；日常生产和生活中最常用的金属是铁、铜和铝，其中只有铁是人体不可缺少的微量元素，所以E为铁元素。
(2)氮和氢形成的原子个数比为1∶2的化合物为N2H4，氮和氧形成的原子个数比为1∶2的化合物有NO2和N2O4，其中N2O4是无色气体，NO2是红棕色气体，N2H4和N2O4反应生成无毒的N2和H2O。
(3)我国主要以黄铁矿(其主要成分是FeS2)为原料制备硫酸，其第一阶段的主要反应是煅烧黄铁矿，反应为4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2。