第一章 原子结构与性质 原子结构（解析版）
文档属性
| 名称 | 第一章 原子结构与性质 原子结构（解析版） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-01-21 10:46:57 | ||
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文档简介
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专题01 原子结构
【核心素养分析】
1、宏观辨识与微观探析：通过认识原子结构及核外电子排布，辨识微观粒子的运动状态不同于宏观物体的运动状态。
2、证据推理与模型认知：结合原子结构模型的演变过程，能论证证据与模型的建立及其发展之间的关系。
【目标导航】
本专题主要考查：原子核外电子的跃迁及简单应用，能级与原子轨道。1~36号元素基态原子和单核离子核外电子排布式（包括简化的电子排布式)价层电子排布式和轨道表示式（电子排布图)的书写，核外电子运动状态（包括未成对电子数)的判断，能级分布等。试题难度中等或较小。考查形式：以选择题形式单独考查，或结合其他物质结构与性质知识在非选择题中出现。
【重难点精讲】
一、原子结构模型的演变
1.1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期表
2.19世纪初，道尔顿提出了近代原子学说
3.1913年，丹麦科学家玻尔提出了氢原子模型
4.1920年，丹麦科学家波尔提出了构造原理
5.1925年，丹麦科学家波尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”厘清了核外电子的可能状态
6.1936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理论
二、能层与能级
1.能层（相当于必修中的电子层）
（1）定义：核外电子按能量不同分成能层。
（2）电子的能层由内向外排序，其序号、符号以及所能容纳的最多电子数及能层的能量与能层离原子核距离的关系：
能层 一 二 三 四 五 六 七
符号 K L M N O P Q
最多电子数 2 8 18 32 50 72 98
离核远近 近 远
能量高低 低 高
即能层越高，电子的能量越高，离原子核越远
（3）能层数量规律: ①每一层最多容纳的电子数：2n2个。②最外层电子数不超过8个（K层为最外层时不超过2个）。③次外层电子数不超过18个，倒数第三层不超过32个。
（4）能层能量规律: ①原子核外电子总是尽可能先排布在能量较低的能层上，然后由内向外依次排布在能量逐渐升高的能层。②能层越高，电子的能量越高。③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)定义：同一能层的电子，还被分成不同能级（s、p、d、f 等）。
(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。
(3)能级的符号和所能容纳的最多电子数如下表：
能层 1 2 3 4 5
能层符号 K L M N O
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p ……
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6
2 8 18 32 ……2n2
(4)能层与能级的有关规律
①能级的个数=所在能层的能层序数
②能级的字母代号总是以s、p、d、f排序，字母前的数字是它们所处的能层序数，它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1,3,5,7…的2倍。即s级最多容纳2个电子，p级最多容纳6个电子，d级最多容纳10个电子，f级最多容纳14个电子
③英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s…能级最多都只能容纳2个电子。
④每一能层最多容纳电子数为2n2（n为能层序数）
⑤各能级所在能层的取值：ns(n≥1)；np(n≥2)；nd(n≥3)；nf(n≥4)。
⑥能级能量大小的比较：先看能层，一般情况下，能层序数越大，能量越高；再看同一能层各能级的能量顺序为：E(ns)< E(np)⑦不同能层中同一能级，能层序数越大，能量越高。例如：E(1s)< E(2s)⑧不同原子同一能层，同一能级的能量大小不同。例如：Ar的1s能级的能量≠S的1s能级的能量
【思考与讨论】参考答案：
(1)能级数=能层序数(n)；一个能层最多容纳的电子数为2n2。
(2)s、p、d、f能级最多容纳的电子数依次为2、6、10、14；不管哪个能层，d能织最多容纳的电子数均相同（均为10）。
(3)第五能层最多容纳的电子数为2n2=2×52=50；电子分列容纳在s、p、d、f……能级中，各能级最多容纳的电子数依次为2、6、10、14……。
三、基态与激发态 原子光谱
1.基态与激发态
(1)基态原子：处于最低能量状态的原子叫做基态原子。
(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，变为激发态原子
(3)基态原子与激发态原子的关系
【特别提醒】①电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移),而原子得失电子发生的是化学变化。
②电子可以从基态跃迁到激发态，相反也可以从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态，释放能量。光（辐射）是电子跃迁释放能量的重要形式。举例：焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED灯光等
③激发态原子不稳定，易释放能量变为基态原子。
④一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。如1s22s22p2 表示基态碳原子，1s22s12p3为激发态碳原子（电子数不变）。
2.原子光谱
(1)定义：不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。
(2)形成原因：
(3)分类及其特征：
吸收光谱：明亮背景的暗色谱线
发射光谱：暗色背景的明亮谱线
(4)原子光谱的应用——光谱分析
①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。
②生产生活：光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED 灯光等都与核外电子跃迁释放能量有关。
四、构造原理与电子排布式
1.构造原理
(1)内容：以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
(2)构造原理示意图：图中用小圆圈表示一个能级，每一行对应一个能层，箭头引导的曲线显示递增电子填入能级的顺序。
注：电子填充的常见一般规律：
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s
(3)能级交错：构造原理告诉我们，随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。这种现象被称为能级交错。
注：①构造原理呈现的能级交错源于光谱学事实，是经验的，而不是任何理论推导的结果。构造原理是一个思维模型，是个假想过程。
②能级交错现象是电子随核电荷数递增而出现的填入电子顺序的交错，并不意味着先填的能级能量一定比后填的能级能量低
2.电子排布式
(1)定义：电子排布式是用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。
(2)表示方法：
(3)书写方法——“三步法”（构造原理是书写基态原子电子排布式的主要依据）
第一步：按照构造原理写出电子填入能级的顺序，1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s
第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子。
第三步：去掉空能级，并按照能层顺序排列即可得到电子排布式。
注：(1)在书写电子排布式时，一般情况下，能层低的能级要写在左边，而不是按构造原理的顺序写。
（4）在得出构造原理之前，由原子光谱得知有些过渡金属元素基态原子电子排布不符合构造原理，如Cr和Cu的最后两个能级的电子排布分别为3d54s1和3d104s1。由此可见，构造原理是被理想化了的。
(5)简化电子排布式
①定义：将原子中已经达到稀有气体元素原子结构的部分，用相应的稀有气体元素符号外加方括号表示的式子称为简化电子排布式。
②表示方法：如氮、钠、钙的简化电子排布式分别为[He]2s22p3、[Ne]3s1 、[Ar]4s2。
(6)价层电子排布式
①价电子层的定义：为突出化合价与电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。
②价电子的位置：
对于主族元素和零族元素来说，价电子就是最外层电子。表示方法：nsx或nsxnpy
对于副族和第VIII族元素来说，价电子除最外层电子外，还可能包括次外层电子。
表示方法：(n-1)dxnsy 或 ndx (钯4d10) 或 (n-2)fx(n-1)dynsz 或(n-2)fxnsy
③举例：元素周期表中给出了元素的价层电子排布式。如Cl的价层电子排布式为3s23p5,Cr的价层电子排布式为3d54s1。
【思考与讨论】参考答案：
(1)氦：1s2 氖：2s22p6 氩：3s23p6 氪：4s24p6 氙：5s25p6 氡：6s26p6 ：7s27p6
除氦外的通式：ns2np6(n为周期数)。
(2)方括号里的符号表示内层电子排布达到稀有气体结构的部分(如钠的电子排布式中的[Ne]表示1s22s22p6)。氧的简化电子排布式为[He]2s22p4,硅的简化电子排布式为[Ne]3s23p2,铜的简化电子排布式为[Ar]3d104s1。
(3)价层电子排布：Na :3s1 Al :3s23p1 Cl: 3s23p5 Mn:3d54s2 Br: 4s24p5。
五、电子云与原子轨道
1.电子云
(1)概率密度：用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则称为概率密度，用ρ表示。
(2)电子云：由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。换句话说，电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。
注：①电子云图表示电子在核外空间出现概率的相对大小。电子云图中小点越密，表示电子出现的概率越大。
②电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子实际出现的次数。
③电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。
(3)电子云轮廓图：
①绘制电子云轮廓图的目的：表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。例如，绘制电子云轮廓图时，把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来
②s电子、p电子的电子云轮廓图
s电子的电子云轮廓图：所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是球形，只是球的半径不同。
同一原子的能层越高，s电子云的半径越大，如下图所示。这是由于1s、2s、3s……电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。
图：同一原子的s电子的电子云轮廓图
p电子的电子云轮廓图：p电子云轮廓图是哑铃状的。每个p能级都有3个相互垂直的电子云，分别称为px、py,和pz，右下标x、y、z分别是p电子云在直角坐标系里的取向，如图所示。p电子云轮廓图的平均半径随能层序数的增大而增大。
图：px、py、pz的电子云轮廓图
2.原子轨道
(1)定义：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。
(2)不同能层的能级、原子轨道及电子云轮廓图
注：①同一能层中，不同能级原子轨道的能量及空间伸展方向不同；但同一能级的几个原子轨道的能量相同
②人们把同一能级的几个能量相同的原子轨道称为简并轨道。
(3)各能级所含原子轨道的数目
能级符号 ns np nd nf
轨道数目 1 3 5 7
六、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
1.电子自旋
（1）定义：电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋。电子自旋可以比喻成地球的自转。
（2）两种取向及表示方法：电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向。
常用方向相反的箭头“↑”和“↓”表示自旋状态相反的电子。
注：①自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。
②能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关
③一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。
2、泡利原理
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理（也称为泡利不相容原理）。
3、电子排布的轨道表示式
(1)含义：轨道表示式(又称电子排布图)是表述电子排布的一种图式。
举例：如氢和氧的基态原子的轨道表示式：
(2)书写要求：
①在轨道表示式中，用方框(也可用圆圈)表示原子轨道，1个方框代表1个原子轨道，通常在方框的下方或上方标记能级符号。
②不同能层及能级的原子轨道的方框必须分开表示，能量相同（同一能层相同能级）的原子轨道(简并轨道)的方框相连。
③箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或 “↓”称单电子(或称未成对电子);箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。
④轨道表示式的排列顺序与电子排布式顺序一致，即按能层顺序排列。有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
⑤轨道表示式中能级符号右上方不能标记电子数。
(3)书写方法：以Si原子为例，说明轨道表示式中各部分的含义：
4.洪特规则
(1)内容：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，称为洪特规则。
注： ①洪特规则只针对电子填入简并轨道而言，并不适用于电子填入能量不同的轨道。
②当电子填入简并轨道时，先以自旋平行依次分占不同轨道，剩余的电子再以自旋相反依次填入各轨道。
(2)特例：简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较高的稳定性。
举例：如基态24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2 ；
基态29Cu的电子排布式为[Ar]3d104s1，易错写为[Ar]3d94s2。
5.能量最低原理
(1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。
(2)说明：
①基态原子的能量最低，故基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道组合。
②整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定，相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低(如所有主族元素的基态原子);而当相邻能级能量相差不太大时，有1~2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥能而使整个原子能量最低(如所有副族元素的基态原子)。
③基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则和能量最低原理。
【思考与讨论】参考答案：
(1)电子排布要满足能量最低原理，能量1s<2s,即应先排满能量低的1s能级，再排2s能级。
(2)电子排布要满足泡利原理：在同一原子轨道中的电子自旋状态相反。还要满足洪特规则：填入简
并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
(3)根据构造原理，电子按照3p→4s→3d的顺序填充，Sc的电子排布式为1s22s22p63s23p63d14s2,4s能级最多排2个电子。
【典题精练】
考点1、考查原子结构发展历史
例1.人类对原子结构的认识经历了一个漫长的、不断深化的过程。下列说法错误的是
A．1803年，英国化学家道尔顿提出了原子论，他认为原子是不可被分割的
B．1904年，汤姆孙提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型
C．1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验提出了原子结构的核式模型
D．1913年，波尔根据原子光谱实验建立了核外电子分层排布的原子结构模型，他认为在不同轨道上运动的电子具有相同的能量，能量值是连续的
【解析】A．1803年，英国化学家道尔顿提出了原子论，他认为物质是由原子直接构成的，原子是一个不可再分割的实心球体，故A正确；B．1904年，汤姆孙在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子的内部结构，故B正确；C．1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验提出了原子结构的核式模型，原子是由原子核和核外电子构成的，故C正确；D．1913年，波尔根据原子光谱实验建立了核外电子分层排布的原子结构模型，他认为在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，能量值是不连续的，故D错误；故选D。
【答案】D
考点2、考查能层与能级的理解
例2.下列关于能层和能级的说法正确的是
A．原子核外每能层最多可容纳的电子数为n2
B．能层序数较大的能级，能量不一定较高
C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐减小
D．同一原子中，2p、3p、4p能容纳的电子数逐渐增多
【解析】A．原子核外每能层最多可容纳的电子数为2n2，故A错误；B．能层序数越大的能级能量不一定越高，如4s的能量低于3d，故B正确；C．不同能层的s轨道，能层序数越大的其能量越高，即1s<2s<3s，故C错误；D．p能级上有3个原子轨道，轨道数相同，故D错误。故选B。
【答案】B
【方法技巧】判断能级能量高低的方法
(1)首先看能层,一般能层序数越大,能量越高。
(2)再看能级,同一能层中的各能级,能量由低到高的顺序是ns(3)还要注意能级交错现象,即高能层的s、p能级的能量可能会小于低能层的d、f能级,如4s<3d,6p<5f等。
考点3、考查电子云和原子轨道的理解
例3.下列关于电子云和原子轨道的说法正确的是
A．通常用小黑点来表示电子的多少，黑点密度大，电子数目大
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子在球壳上运动
C．黑点密度大，单位体积内电子出现的机会大
D．p能级的原子轨道呈哑铃型，随着能层序数的增大，p能级原子轨道数也在增多
【解析】A．小黑点表示电子在核外空间某处出现的机会，不表示电子数目，故A错误；B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故B错误；C．小黑点密度大表示电子在原子核外空间的单位体积内电子出现的概率大，故C正确；D．每个p轨道都含有3个相互垂直的轨道，故D错误；故选：C。
【答案】C
【易错提醒】对电子云图的理解
1.电子云图表示电子在核外空间出现概率的相对大小。电子云图中的小点越密，表示电子出现的概率越大。
2.电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子真实出现的次数。
3.电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。
考点4、核外电子排布的表示方法
例4.钛(Ti)是一种机械强度大、容易加工的耐高温金属，常用于制造合金。下列有关的化学用语中错误的是
A．原子结构示意图：
B．简化电子排布式：
C．轨道表示式：
D．电子排布式：
【解析】A．Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，因此原子结构示意图：，故A项正确；B．Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，因此简化电子排布式为，故B项正确；C．根据洪特规则[电子在能量相同的轨道(即等价轨道)上排布时，总是尽可能分占不同的轨道且自旋方向同向]可知，图示3d轨道电子排布错误，故C项错误；D．由A项分析可知，D项正确；综上所述，错误的是C项。
【答案】C
【名师归纳】核外电子排布的表示方法有：原子结构示意图、电子排布式、简化电子排布式、轨道表示式。
考点5、考查基态原子核外电子排布原则
例5.下列各项叙述错误的是
A．若硫原子核外电子排布图为，则违反了泡利原理
B．若21号Sc元素的基态原子电子排布式为，则违反了构造原理
C．铍原子的核外电子排布图为，符合洪特规则和泡利原理
D．原子的电子排布式由能释放特定能量产生发射光谱
【解析】A．根据洪特规则，填入简并轨道的电子总是先单独分占且自旋平行，该排布图违反了洪特规则，A错误；B．根据构造原理，最后两个能级的电子应先填入4s轨道再填入3d轨道，该排布式违反了构造原理，B正确；C．铍元素原子序数为4，1s、2s能级均只有一个原子轨道，该排布图符合洪特规则与泡利原理，C正确；D．该变化表示电子从较高能量的激发态跃迁到基态，释放出能量，故会产生发射光谱，D正确；故选A。
【答案】A
【名师点拨】基态原子的核外电子在原子轨道上排布要遵循三个原则，即泡利原理、洪特规则和能量最低原理。这三个原则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的。也就是说核外电子在原子轨道上排布要同时遵循这三个原则。
考点6、考查原子核外电子的运动状态
例6.按照量子力学对原子核外电子运动状态的描述，下列说法不正确的是
A．原子的核外电子处于能量最低的状态称为基态
B．在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的两个电子
C．原子核外电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，会辐射或吸收能量
D．电子云图中点密集的地方表示电子在此处单位体积内出现的数量多
【解析】A．基态是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，基态原子是处于最低能量状态的原子，A正确；B．1个原子中有几个电子就有几种运动状态，在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的两个电子，B正确；C．原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，不同的轨道能量不同，且能量是量子化的，电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量，C正确；D．小黑点密度大表示电子在原子核外空间的单位体积内出现的概率大，D错误；故选D。
【答案】D
考点7、考查原子光谱的应用
例7.下列现象与原子核外电子的跃迁无关的是
A．激光笔产生红色光线
B．金属钠在空气中燃烧时火焰呈黄色
C．用光束照射胶体时产生光亮的通路
D．焰火在夜空中呈现五彩缤纷的图案
【解析】当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态。相反，电子从较高能量的激发态跃迁到降低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光是电子释放能量的重要形式之一。我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、烟都与火等原子核外电子发生跃迁释放的能量的有关。A．激光笔产生红色光线是可见光，与原子核外电子的跃迁有关，故A正确；B．金属元素的焰色反应，与原子核外电子的跃迁有关，故B正确；C．用光束照射胶体时产生光亮的通路是胶体的性质，是丁达尔效应，与原子核外电子的跃迁无关，故C错误；D．燃放的焰火在夜空中呈现五彩缤纷的礼花为金属元素的焰色反应，与原子核外电子的跃迁有关，故D正确；故选：C。
【答案】C
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专题01 原子结构
【核心素养分析】
1、宏观辨识与微观探析：通过认识原子结构及核外电子排布，辨识微观粒子的运动状态不同于宏观物体的运动状态。
2、证据推理与模型认知：结合原子结构模型的演变过程，能论证证据与模型的建立及其发展之间的关系。
【目标导航】
本专题主要考查：原子核外电子的跃迁及简单应用，能级与原子轨道。1~36号元素基态原子和单核离子核外电子排布式（包括简化的电子排布式)价层电子排布式和轨道表示式（电子排布图)的书写，核外电子运动状态（包括未成对电子数)的判断，能级分布等。试题难度中等或较小。考查形式：以选择题形式单独考查，或结合其他物质结构与性质知识在非选择题中出现。
【重难点精讲】
一、原子结构模型的演变
1.1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期表
2.19世纪初，道尔顿提出了近代原子学说
3.1913年，丹麦科学家玻尔提出了氢原子模型
4.1920年，丹麦科学家波尔提出了构造原理
5.1925年，丹麦科学家波尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”厘清了核外电子的可能状态
6.1936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理论
二、能层与能级
1.能层（相当于必修中的电子层）
（1）定义：核外电子按能量不同分成能层。
（2）电子的能层由内向外排序，其序号、符号以及所能容纳的最多电子数及能层的能量与能层离原子核距离的关系：
能层 一 二 三 四 五 六 七
符号 K L M N O P Q
最多电子数 2 8 18 32 50 72 98
离核远近 近 远
能量高低 低 高
即能层越高，电子的能量越高，离原子核越远
（3）能层数量规律: ①每一层最多容纳的电子数：2n2个。②最外层电子数不超过8个（K层为最外层时不超过2个）。③次外层电子数不超过18个，倒数第三层不超过32个。
（4）能层能量规律: ①原子核外电子总是尽可能先排布在能量较低的能层上，然后由内向外依次排布在能量逐渐升高的能层。②能层越高，电子的能量越高。③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)定义：同一能层的电子，还被分成不同能级（s、p、d、f 等）。
(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。
(3)能级的符号和所能容纳的最多电子数如下表：
能层 1 2 3 4 5
能层符号 K L M N O
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p ……
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6
2 8 18 32 ……2n2
(4)能层与能级的有关规律
①能级的个数=所在能层的能层序数
②能级的字母代号总是以s、p、d、f排序，字母前的数字是它们所处的能层序数，它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1,3,5,7…的2倍。即s级最多容纳2个电子，p级最多容纳6个电子，d级最多容纳10个电子，f级最多容纳14个电子
③英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s…能级最多都只能容纳2个电子。
④每一能层最多容纳电子数为2n2（n为能层序数）
⑤各能级所在能层的取值：ns(n≥1)；np(n≥2)；nd(n≥3)；nf(n≥4)。
⑥能级能量大小的比较：先看能层，一般情况下，能层序数越大，能量越高；再看同一能层各能级的能量顺序为：E(ns)< E(np)
【思考与讨论】参考答案：
(1)能级数=能层序数(n)；一个能层最多容纳的电子数为2n2。
(2)s、p、d、f能级最多容纳的电子数依次为2、6、10、14；不管哪个能层，d能织最多容纳的电子数均相同（均为10）。
(3)第五能层最多容纳的电子数为2n2=2×52=50；电子分列容纳在s、p、d、f……能级中，各能级最多容纳的电子数依次为2、6、10、14……。
三、基态与激发态 原子光谱
1.基态与激发态
(1)基态原子：处于最低能量状态的原子叫做基态原子。
(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，变为激发态原子
(3)基态原子与激发态原子的关系
【特别提醒】①电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移),而原子得失电子发生的是化学变化。
②电子可以从基态跃迁到激发态，相反也可以从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态，释放能量。光（辐射）是电子跃迁释放能量的重要形式。举例：焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED灯光等
③激发态原子不稳定，易释放能量变为基态原子。
④一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。如1s22s22p2 表示基态碳原子，1s22s12p3为激发态碳原子（电子数不变）。
2.原子光谱
(1)定义：不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。
(2)形成原因：
(3)分类及其特征：
吸收光谱：明亮背景的暗色谱线
发射光谱：暗色背景的明亮谱线
(4)原子光谱的应用——光谱分析
①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。
②生产生活：光(辐射)是电子释放能量的重要形式之一。焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED 灯光等都与核外电子跃迁释放能量有关。
四、构造原理与电子排布式
1.构造原理
(1)内容：以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
(2)构造原理示意图：图中用小圆圈表示一个能级，每一行对应一个能层，箭头引导的曲线显示递增电子填入能级的顺序。
注：电子填充的常见一般规律：
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s
(3)能级交错：构造原理告诉我们，随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。这种现象被称为能级交错。
注：①构造原理呈现的能级交错源于光谱学事实，是经验的，而不是任何理论推导的结果。构造原理是一个思维模型，是个假想过程。
②能级交错现象是电子随核电荷数递增而出现的填入电子顺序的交错，并不意味着先填的能级能量一定比后填的能级能量低
2.电子排布式
(1)定义：电子排布式是用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。
(2)表示方法：
(3)书写方法——“三步法”（构造原理是书写基态原子电子排布式的主要依据）
第一步：按照构造原理写出电子填入能级的顺序，1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s
第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子。
第三步：去掉空能级，并按照能层顺序排列即可得到电子排布式。
注：(1)在书写电子排布式时，一般情况下，能层低的能级要写在左边，而不是按构造原理的顺序写。
（4）在得出构造原理之前，由原子光谱得知有些过渡金属元素基态原子电子排布不符合构造原理，如Cr和Cu的最后两个能级的电子排布分别为3d54s1和3d104s1。由此可见，构造原理是被理想化了的。
(5)简化电子排布式
①定义：将原子中已经达到稀有气体元素原子结构的部分，用相应的稀有气体元素符号外加方括号表示的式子称为简化电子排布式。
②表示方法：如氮、钠、钙的简化电子排布式分别为[He]2s22p3、[Ne]3s1 、[Ar]4s2。
(6)价层电子排布式
①价电子层的定义：为突出化合价与电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。
②价电子的位置：
对于主族元素和零族元素来说，价电子就是最外层电子。表示方法：nsx或nsxnpy
对于副族和第VIII族元素来说，价电子除最外层电子外，还可能包括次外层电子。
表示方法：(n-1)dxnsy 或 ndx (钯4d10) 或 (n-2)fx(n-1)dynsz 或(n-2)fxnsy
③举例：元素周期表中给出了元素的价层电子排布式。如Cl的价层电子排布式为3s23p5,Cr的价层电子排布式为3d54s1。
【思考与讨论】参考答案：
(1)氦：1s2 氖：2s22p6 氩：3s23p6 氪：4s24p6 氙：5s25p6 氡：6s26p6 ：7s27p6
除氦外的通式：ns2np6(n为周期数)。
(2)方括号里的符号表示内层电子排布达到稀有气体结构的部分(如钠的电子排布式中的[Ne]表示1s22s22p6)。氧的简化电子排布式为[He]2s22p4,硅的简化电子排布式为[Ne]3s23p2,铜的简化电子排布式为[Ar]3d104s1。
(3)价层电子排布：Na :3s1 Al :3s23p1 Cl: 3s23p5 Mn:3d54s2 Br: 4s24p5。
五、电子云与原子轨道
1.电子云
(1)概率密度：用P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则称为概率密度，用ρ表示。
(2)电子云：由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。换句话说，电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。
注：①电子云图表示电子在核外空间出现概率的相对大小。电子云图中小点越密，表示电子出现的概率越大。
②电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子实际出现的次数。
③电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。
(3)电子云轮廓图：
①绘制电子云轮廓图的目的：表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。例如，绘制电子云轮廓图时，把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来
②s电子、p电子的电子云轮廓图
s电子的电子云轮廓图：所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是球形，只是球的半径不同。
同一原子的能层越高，s电子云的半径越大，如下图所示。这是由于1s、2s、3s……电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。
图：同一原子的s电子的电子云轮廓图
p电子的电子云轮廓图：p电子云轮廓图是哑铃状的。每个p能级都有3个相互垂直的电子云，分别称为px、py,和pz，右下标x、y、z分别是p电子云在直角坐标系里的取向，如图所示。p电子云轮廓图的平均半径随能层序数的增大而增大。
图：px、py、pz的电子云轮廓图
2.原子轨道
(1)定义：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。
各能级的一个伸展方向的电子云轮廓图即表示一个原子轨道。
(2)不同能层的能级、原子轨道及电子云轮廓图
注：①同一能层中，不同能级原子轨道的能量及空间伸展方向不同；但同一能级的几个原子轨道的能量相同
②人们把同一能级的几个能量相同的原子轨道称为简并轨道。
(3)各能级所含原子轨道的数目
能级符号 ns np nd nf
轨道数目 1 3 5 7
六、泡利原理、洪特规则、能量最低原理
1.电子自旋
（1）定义：电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋。电子自旋可以比喻成地球的自转。
（2）两种取向及表示方法：电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向。
常用方向相反的箭头“↑”和“↓”表示自旋状态相反的电子。
注：①自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。
②能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关
③一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。
2、泡利原理
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理（也称为泡利不相容原理）。
3、电子排布的轨道表示式
(1)含义：轨道表示式(又称电子排布图)是表述电子排布的一种图式。
举例：如氢和氧的基态原子的轨道表示式：
(2)书写要求：
①在轨道表示式中，用方框(也可用圆圈)表示原子轨道，1个方框代表1个原子轨道，通常在方框的下方或上方标记能级符号。
②不同能层及能级的原子轨道的方框必须分开表示，能量相同（同一能层相同能级）的原子轨道(简并轨道)的方框相连。
③箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或 “↓”称单电子(或称未成对电子);箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。
④轨道表示式的排列顺序与电子排布式顺序一致，即按能层顺序排列。有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。
⑤轨道表示式中能级符号右上方不能标记电子数。
(3)书写方法：以Si原子为例，说明轨道表示式中各部分的含义：
4.洪特规则
(1)内容：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，称为洪特规则。
注： ①洪特规则只针对电子填入简并轨道而言，并不适用于电子填入能量不同的轨道。
②当电子填入简并轨道时，先以自旋平行依次分占不同轨道，剩余的电子再以自旋相反依次填入各轨道。
(2)特例：简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较高的稳定性。
举例：如基态24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2 ；
基态29Cu的电子排布式为[Ar]3d104s1，易错写为[Ar]3d94s2。
5.能量最低原理
(1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。
(2)说明：
①基态原子的能量最低，故基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道组合。
②整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定，相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低(如所有主族元素的基态原子);而当相邻能级能量相差不太大时，有1~2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥能而使整个原子能量最低(如所有副族元素的基态原子)。
③基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则和能量最低原理。
【思考与讨论】参考答案：
(1)电子排布要满足能量最低原理，能量1s<2s,即应先排满能量低的1s能级，再排2s能级。
(2)电子排布要满足泡利原理：在同一原子轨道中的电子自旋状态相反。还要满足洪特规则：填入简
并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。
(3)根据构造原理，电子按照3p→4s→3d的顺序填充，Sc的电子排布式为1s22s22p63s23p63d14s2,4s能级最多排2个电子。
【典题精练】
考点1、考查原子结构发展历史
例1.人类对原子结构的认识经历了一个漫长的、不断深化的过程。下列说法错误的是
A．1803年，英国化学家道尔顿提出了原子论，他认为原子是不可被分割的
B．1904年，汤姆孙提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型
C．1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验提出了原子结构的核式模型
D．1913年，波尔根据原子光谱实验建立了核外电子分层排布的原子结构模型，他认为在不同轨道上运动的电子具有相同的能量，能量值是连续的
【解析】A．1803年，英国化学家道尔顿提出了原子论，他认为物质是由原子直接构成的，原子是一个不可再分割的实心球体，故A正确；B．1904年，汤姆孙在发现电子的基础上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型，开始涉及原子的内部结构，故B正确；C．1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验提出了原子结构的核式模型，原子是由原子核和核外电子构成的，故C正确；D．1913年，波尔根据原子光谱实验建立了核外电子分层排布的原子结构模型，他认为在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，能量值是不连续的，故D错误；故选D。
【答案】D
考点2、考查能层与能级的理解
例2.下列关于能层和能级的说法正确的是
A．原子核外每能层最多可容纳的电子数为n2
B．能层序数较大的能级，能量不一定较高
C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐减小
D．同一原子中，2p、3p、4p能容纳的电子数逐渐增多
【解析】A．原子核外每能层最多可容纳的电子数为2n2，故A错误；B．能层序数越大的能级能量不一定越高，如4s的能量低于3d，故B正确；C．不同能层的s轨道，能层序数越大的其能量越高，即1s<2s<3s，故C错误；D．p能级上有3个原子轨道，轨道数相同，故D错误。故选B。
【答案】B
【方法技巧】判断能级能量高低的方法
(1)首先看能层,一般能层序数越大,能量越高。
(2)再看能级,同一能层中的各能级,能量由低到高的顺序是ns
考点3、考查电子云和原子轨道的理解
例3.下列关于电子云和原子轨道的说法正确的是
A．通常用小黑点来表示电子的多少，黑点密度大，电子数目大
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子在球壳上运动
C．黑点密度大，单位体积内电子出现的机会大
D．p能级的原子轨道呈哑铃型，随着能层序数的增大，p能级原子轨道数也在增多
【解析】A．小黑点表示电子在核外空间某处出现的机会，不表示电子数目，故A错误；B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子不只在球壳内运动，还在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，故B错误；C．小黑点密度大表示电子在原子核外空间的单位体积内电子出现的概率大，故C正确；D．每个p轨道都含有3个相互垂直的轨道，故D错误；故选：C。
【答案】C
【易错提醒】对电子云图的理解
1.电子云图表示电子在核外空间出现概率的相对大小。电子云图中的小点越密，表示电子出现的概率越大。
2.电子云图中的小点并不代表电子，小点的数目也不代表电子真实出现的次数。
3.电子云图很难绘制，使用不方便，故常使用电子云轮廓图。
考点4、核外电子排布的表示方法
例4.钛(Ti)是一种机械强度大、容易加工的耐高温金属，常用于制造合金。下列有关的化学用语中错误的是
A．原子结构示意图：
B．简化电子排布式：
C．轨道表示式：
D．电子排布式：
【解析】A．Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，因此原子结构示意图：，故A项正确；B．Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，因此简化电子排布式为，故B项正确；C．根据洪特规则[电子在能量相同的轨道(即等价轨道)上排布时，总是尽可能分占不同的轨道且自旋方向同向]可知，图示3d轨道电子排布错误，故C项错误；D．由A项分析可知，D项正确；综上所述，错误的是C项。
【答案】C
【名师归纳】核外电子排布的表示方法有：原子结构示意图、电子排布式、简化电子排布式、轨道表示式。
考点5、考查基态原子核外电子排布原则
例5.下列各项叙述错误的是
A．若硫原子核外电子排布图为，则违反了泡利原理
B．若21号Sc元素的基态原子电子排布式为，则违反了构造原理
C．铍原子的核外电子排布图为，符合洪特规则和泡利原理
D．原子的电子排布式由能释放特定能量产生发射光谱
【解析】A．根据洪特规则，填入简并轨道的电子总是先单独分占且自旋平行，该排布图违反了洪特规则，A错误；B．根据构造原理，最后两个能级的电子应先填入4s轨道再填入3d轨道，该排布式违反了构造原理，B正确；C．铍元素原子序数为4，1s、2s能级均只有一个原子轨道，该排布图符合洪特规则与泡利原理，C正确；D．该变化表示电子从较高能量的激发态跃迁到基态，释放出能量，故会产生发射光谱，D正确；故选A。
【答案】A
【名师点拨】基态原子的核外电子在原子轨道上排布要遵循三个原则，即泡利原理、洪特规则和能量最低原理。这三个原则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的。也就是说核外电子在原子轨道上排布要同时遵循这三个原则。
考点6、考查原子核外电子的运动状态
例6.按照量子力学对原子核外电子运动状态的描述，下列说法不正确的是
A．原子的核外电子处于能量最低的状态称为基态
B．在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的两个电子
C．原子核外电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，会辐射或吸收能量
D．电子云图中点密集的地方表示电子在此处单位体积内出现的数量多
【解析】A．基态是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，基态原子是处于最低能量状态的原子，A正确；B．1个原子中有几个电子就有几种运动状态，在一个原子中，不可能出现运动状态完全相同的两个电子，B正确；C．原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，不同的轨道能量不同，且能量是量子化的，电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量，C正确；D．小黑点密度大表示电子在原子核外空间的单位体积内出现的概率大，D错误；故选D。
【答案】D
考点7、考查原子光谱的应用
例7.下列现象与原子核外电子的跃迁无关的是
A．激光笔产生红色光线
B．金属钠在空气中燃烧时火焰呈黄色
C．用光束照射胶体时产生光亮的通路
D．焰火在夜空中呈现五彩缤纷的图案
【解析】当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态。相反，电子从较高能量的激发态跃迁到降低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光是电子释放能量的重要形式之一。我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、烟都与火等原子核外电子发生跃迁释放的能量的有关。A．激光笔产生红色光线是可见光，与原子核外电子的跃迁有关，故A正确；B．金属元素的焰色反应，与原子核外电子的跃迁有关，故B正确；C．用光束照射胶体时产生光亮的通路是胶体的性质，是丁达尔效应，与原子核外电子的跃迁无关，故C错误；D．燃放的焰火在夜空中呈现五彩缤纷的礼花为金属元素的焰色反应，与原子核外电子的跃迁有关，故D正确；故选：C。
【答案】C
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