高中化学苏教版（2021） 选择性必修2 专题2 第一单元 第2课时 原子核外电子的排布
文档属性
| 名称 | 高中化学苏教版（2021） 选择性必修2 专题2 第一单元 第2课时 原子核外电子的排布 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2021-12-14 21:26:16 | ||
图片预览
文档简介
第2课时 原子核外电子的排布
[核心素养发展目标]
1.从微观层面理解原子的组成及结构，了解核外电子的排布规则，培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
2.能结合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则书写和说明1～36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式，发展证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
一、核外电子的排布原理及表示方法
(一)核外电子的排布原理
原子核外电子运动状态的描述涉及电子层、原子轨道和电子自旋。
构造原理：科学家经过研究发现，电子是按顺序填充的，填满一个能级之后再填充下一个能级，这种规律称为构造原理。
1．能量最低原理
(1)能量最低原理
原子核外电子先占据能量低的轨道，然后依次进入能量较高的轨道，这样使整个原子处于能量最低的状态。
(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下列顺序：
①电子所排的轨道顺序：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由上图可知，各轨道的能量高低顺序，可由下列公式得出：ns<(n－2)f<(n－1)d2．泡利不相容原理
(1)内容：每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态不同的电子。
(2)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轨道的原子轨道数分别为1,3,5,7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。
3．洪特规则
(1)内容：原子核外电子在能量相同的各个轨道上排布时，电子尽可能分占在不同的原子轨道上，且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。
(2)特例：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。
(二)核外电子排布的表示方法
1．电子排布式
(1)概念：将轨道上所排布的电子数标注在该轨道符号右上角，并按照电子层从左到右的顺序排列的式子。
(2)表示方法
(3)写出下列原子的电子排布式：
①16S：1s22s22p63s23p4；
②20Ca：1s22s22p63s23p64s2；
③26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2。
(4)为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成“原子实”，以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，得到简化的电子排布式。上述四种原子的简化电子排布式为
①[Ne]3s23p4；②[Ar]4s2；③[Ar]3d64s2。
(5)在简化的电子排布式中，省去相应的稀有气体的元素符号后剩下的部分称为外围电子排布式。上述四种原子的外围电子排布式为①3s23p4；②4s2；③3d64s2。
2．轨道表示式
(1)概念：将每一个原子轨道用一个方框表示，在方框内标明基态原子核外电子排布的式子称为轨道表示式。
(2)表示方法
(3)写出下列基态原子的轨道表示式：
①O：；
②Na：。
1．下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子？为什么？
A.
B.
C.
提示 A 根据洪特规则，基态原子中，填入原子轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
2．为什么基态氦原子的电子排布式是1s2而不是1s12s1
提示 氦原子核外有2个电子，根据能量最低原理和泡利不相容原理，基态氦原子的2个电子以自旋相反的形式填充在能量最低的1s轨道中，且1s轨道和2s轨道能量相差较大，所以基态氦原子不会出现2个电子单独分占1s、2s轨道的情况。
3．为什么基态K和Ca的外围电子排布是4s1和4s2，而不是3d1和3d2。
提示 根据构造原理，3d轨道的能量大于4s轨道的能量，所以依据能量最低原理，电子填入能量低的原子轨道可使整个原子的能量最低。
4．(1)铬原子的核外电子排布式是[Ar]3d54s1还是[Ar]3d44s2？为什么？
提示 是[Ar]3d54s1，因为3d54s1均为半充满结构，更稳定。
(2)铜原子的核外电子排布式是[Ar]3d104s1，还是[Ar]3d94s2？为什么？
提示 是[Ar]3d104s1，因为3d104s1一个全充满，一个半充满，更稳定。
1．若以E(nl)表示某原子轨道的能量，以下各式正确的是( )
A．E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)
B．E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)
C．E(4s)D．E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d)
答案 B
解析 原子核外电子排布的轨道能量顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p……可选出答案。
2．下列有关碳原子的轨道表示式中，能量最低的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 D
解析 根据洪特规则，原子的核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D中的排布符合洪特规则，能量最低。
3．写出15P、25Mn的轨道表示式，并按要求填空。
15P：，有6个电子对，有3个单电子。
25Mn：
，有25种空间运动状态，有5个单电子，属于半充满状态。
4．下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利不相容原理的是__________。
①Ca2＋：1s22s22p63s23p6
②F－：1s22s23p6
③P：
④Fe：1s22s22p63s23p63d64s2
⑤Mg2＋：1s22s22p6
⑥C：
答案 ①④⑤ ② ③ ⑥
解析 根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排满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——电子在同一能级的不同轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋状态相同，正确的应为；⑥违反泡利不相容原理，正确的应为。
二、光谱与光谱分析
1．光谱形成原因
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。
2．光谱分类
3．光谱分析
在现代化学中，人们可通过原子发射光谱或吸收光谱来检测元素，称为光谱分析。
1．许多金属元素都可以发生焰色反应，请用原子结构的知识解释其原因。
提示 基态原子吸收能量，电子从基态跃迁到激发态后，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，将能量以光的形式释放出来。
2．金属元素的焰色反应属于吸收光谱还是发射光谱？
提示 光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一，焰色反应属于发射光谱。
电子跃迁形式
(1)电子从能量较低的轨道跃迁至能量较高的轨道
吸收光谱
(2)电子从能量较高的轨道跃迁回能量较低的轨道
发射光谱
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(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)×
2．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。
1．下列叙述正确的是( )
A．原子轨道就是电子层
B．每个电子层最多可容纳的电子数是2n2
C．同一电子层中的不同原子轨道的能量高低相同
D．不同电子层中的s轨道的能量高低相同
答案 B
解析 对于同一电子层里能量不同的电子，又将其分为不同的原子轨道，故A错误；每个电子层最多可容纳的电子数是2n2，故B正确；同一电子层中不同原子轨道，能量按照s、p、d、f的顺序升高，故C错误；不同电子层中的s轨道的能量不同，电子层越大，s轨道的能量越高，例如：E(1s)2．第N电子层所含原子轨道类型数目、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电子层含有的原子轨道分别为s、p、d、f，最多可以容纳32个电子，D正确。
3．下列现象和应用与电子跃迁无关的是( )
A．激光 B．焰色反应
C．燃烧放热 D．霓虹灯
答案 C
4．写出19～36号元素原子的外围电子排布式(用ZX表示元素原子)。
答案 19K 4s1、20Ca 4s2、21Sc 3d14s2、22Ti 3d24s2、23V 3d34s2、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、26Fe 3d64s2、27Co 3d74s2、28Ni 3d84s2、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、31Ga 4s24p1、32Ge 4s24p2、33As 4s24p3、34Se 4s24p4、35Br 4s24p5、36Kr 4s24p6
5．(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元素原子核外电子总数多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电子层(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元素原子的核外电子总数多5，而Y元素原子的L层电子只比X元素原子的L层电子多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 构造原理与核外电子表示方法
1．下列各离子的电子排布式错误的是( )
A．Na＋ 1s22s22p6 B．F－ 1s22s22p6
C．N3＋ 1s22s22p6 D．O2－ 1s22s22p6
答案 C
解析 本题的关键是判断所给的电子数与离子符号是否相符。Na＋、F－、O2－都含有10个电子，A、B、D均正确；N3＋含有4个电子，故C项错误。
2．下列电子排布式表示的是基态原子核外电子排布的是( )
A．1s22s22p63s13p3
B．1s22s22p63s23p63d104s14p1
C．1s22s22p63s23p63d24s2
D．1s22s22p63s23p63d104s14p2
答案 C
解析 A项，Si原子的核外电子数为14，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2，错误；B项，Zn原子的核外电子数为30，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2，错误；C项，Ti原子的核外电子数为22，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，正确；D项，Ga原子的核外电子数为31，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1，错误。
3．下列硼原子轨道表示式表示的状态中，能量最高的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 C
4．某原子核外共有6个电子，分布在K与L电子层上，其基态原子在L层分布中正确的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 D
解析 A项中2s轨道上应有两个电子；B项2p轨道上的两个电子的自旋状态应相同；C项违反洪特规则，电子应尽可能占据不同轨道。
5．下列各项叙述错误的是( )
A．若硫原子的轨道表示式为，违反了泡利不相容原理
B．若第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理
C．氮原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利不相容原理
D．泡利不相容原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件
答案 A
解析 若硫原子的轨道表示式为，3p轨道电子排布违反了洪特规则，故A错误；第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，若写成1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理，故B正确；氮原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利不相容原理，故C正确；泡利不相容原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件，故D正确。
题组二 光谱与光谱分析
6．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的能量，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，是因为不同金属元素吸收能量，电子发生跃迁，形成不同颜色的光，正确；⑦日光灯通电发光，是因为原子受到激发时电子会释放出可见光子，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。
7．元素Na的焰色反应呈黄色，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。
8．A原子的结构示意图为，则X、Y及该原子3d轨道上的电子数不可能的组合是( )
A．18、8、0 B．20、8、0
C．25、13、5 D．30、18、10
答案 A
解析 若X＝18，则原子核外各层电子数分别为2、8、8，应为Ar，故A错误；若X＝20，则原子核外各层电子数分别为2、8、8、2,3d轨道上的电子数为0，故B正确；若X＝25，则原子核外各层电子数分别为2、8、13、2，应为Mn，3d轨道上的电子数为5，故C正确；若X＝30，则原子核外各层电子数分别为2、8、18、2，应为Zn,3d轨道上的电子数为10，故D正确。
题组三 核外电子排布规律的应用
9．已知元素X的基态原子最外层电子排布为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 X的基态原子最外层电子排布为3s23p5，为氯元素。
10．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轨道有一个空轨道的基态原子和核外电子排布式为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式为1s22s22p63s23p63d64s2的原子
C．最外层电子数是核外电子总数的原子和外围电子排布式为4s24p5的原子
D．2p轨道有一个未成对电子的基态原子和外围电子排布式为2s22p5的原子
答案 B
解析 3p轨道有一个空轨道，说明3p上有2个电子，外围电子排布式为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，外围电子排布式为3d64s2的元素是铁元素，B选项符合题意；外围电子排布式为4s24p5，则3d上已排满10个电子，核外电子排布式为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，其电子排布式也是1s22s22p63s23p63d104s24p5，二者是同种元素的原子，C选项不符合题意；2p轨道有一个未成对电子，可以是2p1，也可以是2p5，因此二者可能属于同种元素的原子，D项不符合题意。
11．具有如下电子层结构的原子，其相应元素一定属于同一主族的是( )
A．3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子
B．3p轨道上只有1个空轨道的原子和4p轨道上只有1个空轨道的原子
C．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s22p6的原子
D．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s2的原子
答案 B
解析 p轨道有3个原子轨道，最多可以容纳6个电子，根据泡利不相容原理和洪特规则，当p轨道上有2个电子或4个电子时，p轨道上有2个未成对电子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A不符合题意；p轨道上有1个空轨道，说明另外两个轨道各容纳了1个电子，加上s轨道上的2个电子，最外层是4个电子，属于第ⅣA族元素，故B符合题意；最外层电子排布式为1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有气体元素，但不属于主族元素，故C不符合题意；最外层电子排布式为1s2的原子为He，位于0族，而最外层电子排布为2s2的原子是Be，属于第ⅡA族元素，故D不符合题意。
12．下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是( )
A．原子核外L电子层的未成对电子数与M电子层的未成对电子数相等的原子
B．原子核外M电子层上仅有两个电子的X原子与原子核外N电子层上仅有两个电子的Y原子
C．2p轨道只有1个空轨道的X原子和3p轨道只有1个空轨道的Y原子
D．最外层都只有一个电子的X、Y原子
答案 C
解析 L电子层(M电子层)只有1个未成对电子的可能是Li或F(Na或Cl)，L电子层(M电子层)有2个未成对电子的可能是C或O(Si或S)，A项错误；B项中X为Mg，Y可能为Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C项为C()和Si()；D项中最外层只有1个电子的原子中，氢原子与碱金属元素原子化学性质不相似。
13．某元素基态原子的最外层电子数为2，价层电子数为5，并且该元素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．该元素基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d34s2
B．该元素为V
C．该元素为第ⅡA族元素
D．该元素属于过渡元素
答案 C
解析 该元素基态原子最外层电子数为2，而价层电子数为5，说明价层电子排布为(n－1)d3ns2，并且该元素是同族中原子序数最小的元素，则该元素价层电子排布为3d34s2，为V元素，位于第ⅤB族，属于过渡元素。
14．(1)金属铝质轻且有良好的防腐蚀性，在国防工业中有非常重要的作用。铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向，有________种不同运动状态的电子。
(2)基态铁原子有________个未成对电子，三价铁离子的电子排布式为________________。
(3)29Cu＋的外围电子排布式为________。
答案 (1)4 13 (2)4 1s22s22p63s23p63d5 (3)3d10
解析 (1)Al原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，原子中存在s、p两种形状的电子云，s电子云呈球形，有1种伸展方向，而p电子云呈纺锤形，有3种伸展方向，则铝原子核外电子云共有4种不同的伸展方向。由于每个核外电子的运动状态都不完全相同，所以铝原子核外共有13种不同运动状态的电子。
(2)26号元素Fe的核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，则基态Fe原子上有4个未成对的电子，当Fe原子失去2个4s电子和1个3d电子，就得到了Fe3＋，因此Fe3＋的电子排布式是1s22s22p63s23p63d5。
(3)29号元素Cu的简化电子排布式为[Ar]3d104s1，原子失去电子时首先失去最外层电子，即Cu＋的简化电子排布式为[Ar]3d10，则其外围电子排布式为3d10。
15．某元素A原子的L层要比M层少6个电子，它有两种常见的阳离子a和b(其中a的化合价大于b的化合价)。则：
(1)a的M层比N层多________个电子；b的L层比M层少________个电子。a的稳定性________(填“大于”或“小于”)b的稳定性。
(2)写出A的电子排布式：_______________________________________________________。
a的最外层电子轨道表示式为____________________________________________________。
答案 (1)13 6 大于
(2)1s22s22p63s23p63d64s2
解析 本题考查的是由原子核外电子排布推断元素名称。由于第一、二层电子排布不出现轨道交错，由题意可知A元素的L层已填满，共有8个电子，可得A的M层上有14个电子，则A的第三层电子排布为3s23p63d6，即可得A的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，即A为Fe原子，其两种阳离子为Fe3＋和Fe2＋，阳离子a的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，阳离子b的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，再根据洪特规则，a的3d轨道处于半充满状态，a比b稳定。
16．A、B、C、D、E代表5种元素。请填空：
(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，其外围电子的轨道表示式为____________。
(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子层结构都与氩相同，B元素的原子结构示意图为______，C的元素符号为________。
(3)D元素的正三价离子的3d轨道为半充满，D的元素符号为____________，其基态原子的电子排布式为________________________________________________________________。
(4)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，E的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为________________________________________。
答案 (1)
(2) K
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
解析 本题考查由电子排布推断元素符号，解决这类题一般先推出电子排布式，求出核电荷数。
(1)A元素基态原子外围电子的轨道表示式由题意可写成：。
(2)B－、C＋的电子层结构都与Ar相同，即核外都有18个电子，则B为17号元素Cl，C为19号元素K。
(3)D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。
(4)根据题意要求，首先写出电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1，该元素为29号元素Cu。
[核心素养发展目标]
1.从微观层面理解原子的组成及结构，了解核外电子的排布规则，培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
2.能结合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则书写和说明1～36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式，发展证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
一、核外电子的排布原理及表示方法
(一)核外电子的排布原理
原子核外电子运动状态的描述涉及电子层、原子轨道和电子自旋。
构造原理：科学家经过研究发现，电子是按顺序填充的，填满一个能级之后再填充下一个能级，这种规律称为构造原理。
1．能量最低原理
(1)能量最低原理
原子核外电子先占据能量低的轨道，然后依次进入能量较高的轨道，这样使整个原子处于能量最低的状态。
(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下列顺序：
①电子所排的轨道顺序：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由上图可知，各轨道的能量高低顺序，可由下列公式得出：ns<(n－2)f<(n－1)d
(1)内容：每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态不同的电子。
(2)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轨道的原子轨道数分别为1,3,5,7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。
3．洪特规则
(1)内容：原子核外电子在能量相同的各个轨道上排布时，电子尽可能分占在不同的原子轨道上，且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。
(2)特例：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。
(二)核外电子排布的表示方法
1．电子排布式
(1)概念：将轨道上所排布的电子数标注在该轨道符号右上角，并按照电子层从左到右的顺序排列的式子。
(2)表示方法
(3)写出下列原子的电子排布式：
①16S：1s22s22p63s23p4；
②20Ca：1s22s22p63s23p64s2；
③26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2。
(4)为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成“原子实”，以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，得到简化的电子排布式。上述四种原子的简化电子排布式为
①[Ne]3s23p4；②[Ar]4s2；③[Ar]3d64s2。
(5)在简化的电子排布式中，省去相应的稀有气体的元素符号后剩下的部分称为外围电子排布式。上述四种原子的外围电子排布式为①3s23p4；②4s2；③3d64s2。
2．轨道表示式
(1)概念：将每一个原子轨道用一个方框表示，在方框内标明基态原子核外电子排布的式子称为轨道表示式。
(2)表示方法
(3)写出下列基态原子的轨道表示式：
①O：；
②Na：。
1．下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子？为什么？
A.
B.
C.
提示 A 根据洪特规则，基态原子中，填入原子轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
2．为什么基态氦原子的电子排布式是1s2而不是1s12s1
提示 氦原子核外有2个电子，根据能量最低原理和泡利不相容原理，基态氦原子的2个电子以自旋相反的形式填充在能量最低的1s轨道中，且1s轨道和2s轨道能量相差较大，所以基态氦原子不会出现2个电子单独分占1s、2s轨道的情况。
3．为什么基态K和Ca的外围电子排布是4s1和4s2，而不是3d1和3d2。
提示 根据构造原理，3d轨道的能量大于4s轨道的能量，所以依据能量最低原理，电子填入能量低的原子轨道可使整个原子的能量最低。
4．(1)铬原子的核外电子排布式是[Ar]3d54s1还是[Ar]3d44s2？为什么？
提示 是[Ar]3d54s1，因为3d54s1均为半充满结构，更稳定。
(2)铜原子的核外电子排布式是[Ar]3d104s1，还是[Ar]3d94s2？为什么？
提示 是[Ar]3d104s1，因为3d104s1一个全充满，一个半充满，更稳定。
1．若以E(nl)表示某原子轨道的能量，以下各式正确的是( )
A．E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)
B．E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)
C．E(4s)
答案 B
解析 原子核外电子排布的轨道能量顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p……可选出答案。
2．下列有关碳原子的轨道表示式中，能量最低的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 D
解析 根据洪特规则，原子的核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D中的排布符合洪特规则，能量最低。
3．写出15P、25Mn的轨道表示式，并按要求填空。
15P：，有6个电子对，有3个单电子。
25Mn：
，有25种空间运动状态，有5个单电子，属于半充满状态。
4．下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是________，违反洪特规则的是________，违反泡利不相容原理的是__________。
①Ca2＋：1s22s22p63s23p6
②F－：1s22s23p6
③P：
④Fe：1s22s22p63s23p63d64s2
⑤Mg2＋：1s22s22p6
⑥C：
答案 ①④⑤ ② ③ ⑥
解析 根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排满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——电子在同一能级的不同轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋状态相同，正确的应为；⑥违反泡利不相容原理，正确的应为。
二、光谱与光谱分析
1．光谱形成原因
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。
2．光谱分类
3．光谱分析
在现代化学中，人们可通过原子发射光谱或吸收光谱来检测元素，称为光谱分析。
1．许多金属元素都可以发生焰色反应，请用原子结构的知识解释其原因。
提示 基态原子吸收能量，电子从基态跃迁到激发态后，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，将能量以光的形式释放出来。
2．金属元素的焰色反应属于吸收光谱还是发射光谱？
提示 光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一，焰色反应属于发射光谱。
电子跃迁形式
(1)电子从能量较低的轨道跃迁至能量较高的轨道
吸收光谱
(2)电子从能量较高的轨道跃迁回能量较低的轨道
发射光谱
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(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)×
2．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。
1．下列叙述正确的是( )
A．原子轨道就是电子层
B．每个电子层最多可容纳的电子数是2n2
C．同一电子层中的不同原子轨道的能量高低相同
D．不同电子层中的s轨道的能量高低相同
答案 B
解析 对于同一电子层里能量不同的电子，又将其分为不同的原子轨道，故A错误；每个电子层最多可容纳的电子数是2n2，故B正确；同一电子层中不同原子轨道，能量按照s、p、d、f的顺序升高，故C错误；不同电子层中的s轨道的能量不同，电子层越大，s轨道的能量越高，例如：E(1s)
A．3、18 B．4、24
C．5、32 D．4、32
答案 D
解析 第N电子层含有的原子轨道分别为s、p、d、f，最多可以容纳32个电子，D正确。
3．下列现象和应用与电子跃迁无关的是( )
A．激光 B．焰色反应
C．燃烧放热 D．霓虹灯
答案 C
4．写出19～36号元素原子的外围电子排布式(用ZX表示元素原子)。
答案 19K 4s1、20Ca 4s2、21Sc 3d14s2、22Ti 3d24s2、23V 3d34s2、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、26Fe 3d64s2、27Co 3d74s2、28Ni 3d84s2、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、31Ga 4s24p1、32Ge 4s24p2、33As 4s24p3、34Se 4s24p4、35Br 4s24p5、36Kr 4s24p6
5．(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元素原子核外电子总数多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电子层(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元素原子的核外电子总数多5，而Y元素原子的L层电子只比X元素原子的L层电子多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 构造原理与核外电子表示方法
1．下列各离子的电子排布式错误的是( )
A．Na＋ 1s22s22p6 B．F－ 1s22s22p6
C．N3＋ 1s22s22p6 D．O2－ 1s22s22p6
答案 C
解析 本题的关键是判断所给的电子数与离子符号是否相符。Na＋、F－、O2－都含有10个电子，A、B、D均正确；N3＋含有4个电子，故C项错误。
2．下列电子排布式表示的是基态原子核外电子排布的是( )
A．1s22s22p63s13p3
B．1s22s22p63s23p63d104s14p1
C．1s22s22p63s23p63d24s2
D．1s22s22p63s23p63d104s14p2
答案 C
解析 A项，Si原子的核外电子数为14，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2，错误；B项，Zn原子的核外电子数为30，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2，错误；C项，Ti原子的核外电子数为22，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，正确；D项，Ga原子的核外电子数为31，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1，错误。
3．下列硼原子轨道表示式表示的状态中，能量最高的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 C
4．某原子核外共有6个电子，分布在K与L电子层上，其基态原子在L层分布中正确的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 D
解析 A项中2s轨道上应有两个电子；B项2p轨道上的两个电子的自旋状态应相同；C项违反洪特规则，电子应尽可能占据不同轨道。
5．下列各项叙述错误的是( )
A．若硫原子的轨道表示式为，违反了泡利不相容原理
B．若第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理
C．氮原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利不相容原理
D．泡利不相容原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件
答案 A
解析 若硫原子的轨道表示式为，3p轨道电子排布违反了洪特规则，故A错误；第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，若写成1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理，故B正确；氮原子的轨道表示式为，符合洪特规则和泡利不相容原理，故C正确；泡利不相容原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件，故D正确。
题组二 光谱与光谱分析
6．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的能量，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，是因为不同金属元素吸收能量，电子发生跃迁，形成不同颜色的光，正确；⑦日光灯通电发光，是因为原子受到激发时电子会释放出可见光子，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。
7．元素Na的焰色反应呈黄色，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。
8．A原子的结构示意图为，则X、Y及该原子3d轨道上的电子数不可能的组合是( )
A．18、8、0 B．20、8、0
C．25、13、5 D．30、18、10
答案 A
解析 若X＝18，则原子核外各层电子数分别为2、8、8，应为Ar，故A错误；若X＝20，则原子核外各层电子数分别为2、8、8、2,3d轨道上的电子数为0，故B正确；若X＝25，则原子核外各层电子数分别为2、8、13、2，应为Mn，3d轨道上的电子数为5，故C正确；若X＝30，则原子核外各层电子数分别为2、8、18、2，应为Zn,3d轨道上的电子数为10，故D正确。
题组三 核外电子排布规律的应用
9．已知元素X的基态原子最外层电子排布为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 X的基态原子最外层电子排布为3s23p5，为氯元素。
10．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轨道有一个空轨道的基态原子和核外电子排布式为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式为1s22s22p63s23p63d64s2的原子
C．最外层电子数是核外电子总数的原子和外围电子排布式为4s24p5的原子
D．2p轨道有一个未成对电子的基态原子和外围电子排布式为2s22p5的原子
答案 B
解析 3p轨道有一个空轨道，说明3p上有2个电子，外围电子排布式为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，外围电子排布式为3d64s2的元素是铁元素，B选项符合题意；外围电子排布式为4s24p5，则3d上已排满10个电子，核外电子排布式为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，其电子排布式也是1s22s22p63s23p63d104s24p5，二者是同种元素的原子，C选项不符合题意；2p轨道有一个未成对电子，可以是2p1，也可以是2p5，因此二者可能属于同种元素的原子，D项不符合题意。
11．具有如下电子层结构的原子，其相应元素一定属于同一主族的是( )
A．3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子
B．3p轨道上只有1个空轨道的原子和4p轨道上只有1个空轨道的原子
C．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s22p6的原子
D．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s2的原子
答案 B
解析 p轨道有3个原子轨道，最多可以容纳6个电子，根据泡利不相容原理和洪特规则，当p轨道上有2个电子或4个电子时，p轨道上有2个未成对电子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A不符合题意；p轨道上有1个空轨道，说明另外两个轨道各容纳了1个电子，加上s轨道上的2个电子，最外层是4个电子，属于第ⅣA族元素，故B符合题意；最外层电子排布式为1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有气体元素，但不属于主族元素，故C不符合题意；最外层电子排布式为1s2的原子为He，位于0族，而最外层电子排布为2s2的原子是Be，属于第ⅡA族元素，故D不符合题意。
12．下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是( )
A．原子核外L电子层的未成对电子数与M电子层的未成对电子数相等的原子
B．原子核外M电子层上仅有两个电子的X原子与原子核外N电子层上仅有两个电子的Y原子
C．2p轨道只有1个空轨道的X原子和3p轨道只有1个空轨道的Y原子
D．最外层都只有一个电子的X、Y原子
答案 C
解析 L电子层(M电子层)只有1个未成对电子的可能是Li或F(Na或Cl)，L电子层(M电子层)有2个未成对电子的可能是C或O(Si或S)，A项错误；B项中X为Mg，Y可能为Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C项为C()和Si()；D项中最外层只有1个电子的原子中，氢原子与碱金属元素原子化学性质不相似。
13．某元素基态原子的最外层电子数为2，价层电子数为5，并且该元素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．该元素基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d34s2
B．该元素为V
C．该元素为第ⅡA族元素
D．该元素属于过渡元素
答案 C
解析 该元素基态原子最外层电子数为2，而价层电子数为5，说明价层电子排布为(n－1)d3ns2，并且该元素是同族中原子序数最小的元素，则该元素价层电子排布为3d34s2，为V元素，位于第ⅤB族，属于过渡元素。
14．(1)金属铝质轻且有良好的防腐蚀性，在国防工业中有非常重要的作用。铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向，有________种不同运动状态的电子。
(2)基态铁原子有________个未成对电子，三价铁离子的电子排布式为________________。
(3)29Cu＋的外围电子排布式为________。
答案 (1)4 13 (2)4 1s22s22p63s23p63d5 (3)3d10
解析 (1)Al原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，原子中存在s、p两种形状的电子云，s电子云呈球形，有1种伸展方向，而p电子云呈纺锤形，有3种伸展方向，则铝原子核外电子云共有4种不同的伸展方向。由于每个核外电子的运动状态都不完全相同，所以铝原子核外共有13种不同运动状态的电子。
(2)26号元素Fe的核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2，则基态Fe原子上有4个未成对的电子，当Fe原子失去2个4s电子和1个3d电子，就得到了Fe3＋，因此Fe3＋的电子排布式是1s22s22p63s23p63d5。
(3)29号元素Cu的简化电子排布式为[Ar]3d104s1，原子失去电子时首先失去最外层电子，即Cu＋的简化电子排布式为[Ar]3d10，则其外围电子排布式为3d10。
15．某元素A原子的L层要比M层少6个电子，它有两种常见的阳离子a和b(其中a的化合价大于b的化合价)。则：
(1)a的M层比N层多________个电子；b的L层比M层少________个电子。a的稳定性________(填“大于”或“小于”)b的稳定性。
(2)写出A的电子排布式：_______________________________________________________。
a的最外层电子轨道表示式为____________________________________________________。
答案 (1)13 6 大于
(2)1s22s22p63s23p63d64s2
解析 本题考查的是由原子核外电子排布推断元素名称。由于第一、二层电子排布不出现轨道交错，由题意可知A元素的L层已填满，共有8个电子，可得A的M层上有14个电子，则A的第三层电子排布为3s23p63d6，即可得A的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，即A为Fe原子，其两种阳离子为Fe3＋和Fe2＋，阳离子a的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，阳离子b的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，再根据洪特规则，a的3d轨道处于半充满状态，a比b稳定。
16．A、B、C、D、E代表5种元素。请填空：
(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，其外围电子的轨道表示式为____________。
(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子层结构都与氩相同，B元素的原子结构示意图为______，C的元素符号为________。
(3)D元素的正三价离子的3d轨道为半充满，D的元素符号为____________，其基态原子的电子排布式为________________________________________________________________。
(4)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，E的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为________________________________________。
答案 (1)
(2) K
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
解析 本题考查由电子排布推断元素符号，解决这类题一般先推出电子排布式，求出核电荷数。
(1)A元素基态原子外围电子的轨道表示式由题意可写成：。
(2)B－、C＋的电子层结构都与Ar相同，即核外都有18个电子，则B为17号元素Cl，C为19号元素K。
(3)D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。
(4)根据题意要求，首先写出电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1，该元素为29号元素Cu。