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第22讲 原子结构 原子核外电子排布
第五章
2024
内容索引
01
02
03
考点一 原子结构 核素和同位素
考点二 原子核外电子的排布
真题演练 角度拓展
复习目标
1知道元素、核素的含义,知道1~36号元素基态原子核外电子的排布。
2知道原子核外电子的能级排布顺序,了解原子核外电子排布的构造原理。
3认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则等。
考点一 原子结构 核素和同位素
必备知识 自主预诊
1.原子结构
(1)构成原子的粒子及作用
(2)粒子之间的数量关系
2.元素、核素和同位素
(1)元素、核素和同位素的概念及关系
(2)同位素的特征
①同一元素的各种核素的中子数不同,质子数相同,化学性质几乎完全相同,物理性质差异较大;
②同一元素的各种稳定核素在自然界中所占的原子百分数(丰度)不变。
(3)常见的重要核素及其应用
易错辨析
(1)所有的原子(或离子)都是由质子、中子和电子构成的。( × )
(4)1 mol重水和1 mol水中,中子数之比为2∶1。( × )
关键能力 考向突破
考向1 元素、核素和同位素的概念辨析
答案 B
的相对原子质量是该元素的各种天然同位素的相对原子质量和所占的物质的量分数算出的平均值,14 g钕元素对应的钕原子的物质的量并非0.1 mol,含有的电子也不是6 mol,D错误。
考向2 微粒中各粒子数的关系及计算
答案 D
归纳总结
1.判断同位素的两个要点
2.原子结构和同位素的四个认识误区
对点训练
铋可改善钢的加工性能。元素周期表中铋与砷(As)同主族,其最稳定的同
答案 C
考点二 原子核外电子的排布
必备知识 自主预诊
1.能层、能级和原子轨道
(1)能层(n)
核外电子按能量不同分成能层,电子的能层由内向外排序,通常用符号K、L、M、N……表示,能量依次升高。
(2)能级
同一能层里的电子按能量不同将其分成不同的能级,通常用s、p、d、f等表示;同一能层里,各能级的能量按ns、np、nd、nf的顺序依次升高。
(3)电子云
①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;
②同一原子的能层越高,s电子云半径越大。
(4)原子轨道
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,即电子在核外经常出现的区域。
空间运动状态种类=原子轨道数目
原子轨道 轨道形状 轨道数目
s 球形 1
p 哑铃形 3
d — 5
f — 7
2.基态、激发态和原子光谱
(1)基态、激发态和原子光谱的关系
(2)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。利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。
3.基态原子的核外电子排布
(1)核外电子排布“三原则”
微点归纳当能量相同的原子轨道在全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时原子的能量最低,如24Cr的电子排布式为[Ar]3d54s1,29Cu的电子排布式为[Ar]3d104s1。
(2)构造原理
如图为构造原理示意图,即基态原子核外电子在原子轨道上的填充顺序图示。
易错辨析
(1)每个能层的能级都是从s能级开始,至f能级结束,能级数等于该能层序数。( × )
(2)2p和3p轨道的形状均为哑铃形,但其能量不同。( √ )
(3) 表示的原子处于最低能量状态。( × )
(4)基态碳原子核外电子的空间运动状态有4种,核外电子的运动状态有6种。( √ )
关键能力 考向突破
考向1 原子核外电子排布的规范表示
例1.氧是地壳中含量最多的元素,下列有关基态氧原子的表述不规范的是( )
A.核外电子排布式:1s22s22p4
B.价电子排布式:2s22p4
答案 C
考向2 基态、激发态及能量的比较
例2.[2022全国乙卷,35(1)]氟原子激发态的电子排布式有 ,其中能量较高的是 (填字母)。
a.1s22s22p43s1 b.1s22s22p43d2
c.1s22s12p5 d.1s22s22p33p2
答案 a、d d
解析 基态F原子核外有9个电子,其基态原子电子排布式为1s22s22p5,核外电子总数为9,故属于激发态的有a和d;由于3p能级的能量高于3s能级,故能量较高的是d。
归纳总结
1.基态原子核外电子排布的表示方法(以基态磷原子为例)
2.核外电子排布的常见错误
3.判断核外电子的空间运动状态
对点训练
1.下列关于能层与能级的说法正确的是( )
A.同一原子中,符号相同的能级上排布电子的能量一定相同
B.任意能层的能级总是从ns能级开始,且能级总数一定等于该能层序数
C.同样是p能级,在不同的能层中所容纳的最多电子数是不同的
D.多电子原子中,同一能层上排布电子的能量一定相同
答案 B
解析 同一原子中,符号相同的能级上排布电子的能量不一定相同,如1s、2s、3s、4s能级上排布电子的能量逐渐升高,A错误;任意能层的能级总是从ns能级开始,np、nd、nf能级不一定存在,但能级总数一定等于该能层序数,B正确;np能级在任何能层最多排布电子数均为6,C错误;多电子原子中,同一能层可能有ns、np、nd等能级,不同能级上排布电子的能量不同,D错误。
2.下列说法不正确的是( )
A.同一原子中,1s、2s、3s电子的能量相同
B.1s22s12p1是激发态原子的电子排布式
C.基态溴原子的简化电子排布式是[Ar]3d104s24p5
D.某基态原子的价电子排布可能是3d54s1
答案 A
解析 同一原子中,1s、2s、3s能级离核越来越远,故1s、2s、3s电子的能量逐渐升高,A错误;1s22s12p1的2s轨道未排满电子,而能量较高的2p轨道排布1个电子,故表示激发态原子,B正确;基态Cr原子核外有24个电子,核外电子排布式为[Ar]3d54s1,其价电子排布式为3d54s1,D正确。
真题演练 角度拓展
角度一核素、同位素及粒子之间的数量关系
答案 B
角度拓展
(1)(2022广东卷,2D)核电站反应堆所用铀棒中含有的 互为同位素。( )
(2)(2022浙江6月选考,7B)35Cl和37Cl互为同位素,O2和O3互为同素异形体。( )
(3)(2022浙江1月选考,7A)32S和34S互为同位素,C70和纳米碳管互为同素异形体。( )
(4)(2021海南卷,7A)0.1 mol 27Al3+中含有的电子数为1.3NA。( )
√
√
√
×
角度二基态原子的核外电子排布
2.(1)[2022广东卷,20(1)]Se与S同族,基态硒原子价电子排布式为 。
(2)[2022海南卷,19(1)]基态O原子的电子排布式为 ,其中未成对电子有 个。
(3)[2022全国甲卷,35(1)]基态F原子的价电子排布图(轨道表示式)为 。
答案 (1)4s24p4 (2)1s22s22p4 2
解析 (1)Se与S同族,处于S元素的下一周期,基态S原子价电子排布式为3s23p4,推知基态Se原子价电子排布式为4s24p4。
(2)基态O原子核外有8个电子,电子排布式为1s22s22p4,其价电子轨道表示
角度拓展
(1)[2022山东卷,16(1)]基态Ni原子的价电子排布式为 。
(2)[2022湖南卷,18(1)]基态Se原子的核外电子排布式为[Ar] 。
(3)[2022河北卷,10(1)]基态S原子的价电子中,两种自旋状态的电子数之比为 。
(4)[2021山东卷,16(1)]基态F原子核外电子的运动状态有 种。
答案 (1)3d84s2 (2)3d104s24p4 (3)1∶2(或2∶1)
(4)9
归纳总结
判断原子核外电子的运动状态
(1)描述原子核外电子运动状态有4个参数:能层、能级、原子轨道和自旋方向;
(2)原子核外不同电子的运动状态不同,故核外电子的运动状态种类=核外电子总数。课时规范练22
一、选择题:每小题只有1个选项符合题意。
1.(2023天津河西区模拟)化学科学需要借助化学专用语言来描述,下列化学用语表达正确的是( )
A.基态硫原子的轨道表示式:
B.H2S的电子式:H∶S∶H
C.Be的原子结构示意图:
D.基态Cr的价层电子的轨道表示式:
答案:C
解析:基态硫原子核外有16个电子,其轨道表示式为,A错误;H2S的电子式为H,B错误;基态Cr的价层电子的轨道表示式为,D错误。
2.下列电子排布式中,表示的是激发态原子的是( )
A.1s22s22p6
B.1s22s22p63s23p63d104s2
C.1s22s22p33s1
D.1s22s22p63s23p63d54s1
答案:C
解析:1s22s22p33s1的2p轨道最多可填充6个电子,2p轨道填充3个电子,3s轨道填充1个电子,则该原子处于激发态,C正确。
3.Cs为第ⅠA族元素Cs是铯的一种放射性同位素,可用于某些癌症的治疗。下列关于Cs的说法,不正确的是( )
ACs原子核外电子数为55
BCs原子核内中子数为137
C.原子半径Cs>K
DCs的化学性质与K相似
答案:B
解析:Cs原子核内质子数为55,质量数为137,则中子数为82,B错误;Cs和K处于同主族,其化学性质相似,Cs处于下方,则Cs的原子半径大于K,C、D正确。
4.下列表述不正确的是( )
A.原子轨道能量:1s<2s<3s<4s
B.M电子层存在3个能级、9个原子轨道
C.p轨道电子的能量一定比s轨道高
D.同一周期,碱金属元素的第一电离能最小,最容易失电子
答案:C
解析:ns能级中原子轨道的能量随能层序数n的增大而升高,A正确;M层有3s、3p、3d能级,共有9个原子轨道,B正确;ns轨道电子的能量比(n-1)p轨道的高,C错误。
5.(2021天津卷,3)核聚变发电有望成为解决人类能源问题的重要手段之一,氘H)是核聚变反应的主要原料,下列有关叙述正确的是( )
AH的中子数为2
BH的核电荷数为1
CH是自然界中最轻的原子
DH是氢元素的一种同素异形体
答案:B
解析:H的中子数为2-1=1,A错误H的质子数为1,则核电荷数为1,B正确;自然界中最轻的原子是H,不是H,C错误H是氢元素的一种同位素,D错误。
6.(2021北京卷,2)下列有关放射性核素氚H)的表述不正确的是( )
AH原子核外电子数为1
BH原子核内中子数为3
CH2与H2化学性质基本相同
DH2O具有放射性
答案:B
解析:放射性核素H,质量数是3,质子数是1,中子数等于3-1=2,A正确,B错误H2与H2的相对分子质量不同,二者的沸点不同,但化学性质基本相同,C正确H是放射性核素,则H2O也具有放射性,D正确。
7.(2023湖南重点中学协作体联考改编)用中子轰击X原子产生α粒子(即氦核He)的核反应为He。已知元素Y在化合物中呈+1价。下列说法不正确的是( )
A.基态X原子核外有3种不同能量的电子
B.基态Y原子中电子占据的最高能级轨道呈球形
C.Y单质在空气中燃烧的产物是Y2O2
D.6Y和7Y互为同位素
答案:C
解析:根据核反应为He可知,X的质量数N为4+7-1=10,又因为Y在化合物中呈+1价,则推知Y位于第ⅠA族,质量数=质子数+中子数,Y的质量数为7,故Y为Li,X为B元素。基态Li原子核外电子排布式为1s22s1,2s能级轨道呈球形,B正确;Y为Li,在空气中燃烧的产物只有Li2O,C错误;6Li和7Li两者的质子数均为3,中子数不同,两者互为同位素,D正确。
8.宇宙中含量最丰富的元素氢有3种核素(H、D、T)。工业上利用反应堆的中子n),采用含Li的化合物做靶材生产氚(T)。下列说法正确的是( )
A.H、D、T互为同位素
B.H、D、T的物理和化学性质明显不同
C.H、D、T都具有放射性,都可用于制造氢弹
D.上述生产氚的过程中同时有3He生成
答案:A
解析:H、D、T是氢元素形成的3种不同核素,互为同位素,A正确;H、D、T的物理性质不同,化学性质基本相同,B错误;D和T可用于制造氢弹,H则不能,C错误;由质量守恒定律可知,生产氚的过程中不可能有3He生成,D错误。
9.(2023山东日照校际联考改编)某种具有高效率电子传输性能的有机发光材料的结构简式如图所示。下列关于该材料组成元素的说法错误的是( )
A.基态碳原子的空间运动状态有4种
B.基态N原子核外有7种运动状态不同的电子
C.基态原子中未成对电子数:Al>C>N>O>H
D.基态O原子的价电子轨道表示式:
答案:C
解析:基态碳原子核外电子占据1s、2s轨道和2个2p轨道,故碳原子的空间运动状态有4种,A正确;基态N原子核外有7个电子,其运动状态均不相同,故核外有7种运动状态不同的电子,B正确;基态原子中未成对电子数:N>C=O>Al=H,C错误;基态O原子的价电子排布式为2s22p4,故其价电子轨道表示式为,D正确。
10.1934年约里奥-居里夫妇在核反应中用α粒子(即氦核He)轰击金属原子X,得到核素Y,开创了人造放射性核素的先河:
HeYn
其中元素X、Y的最外层电子数之和为8。下列叙述正确的是( )
A.X的相对原子质量为26
B.X、Y均可形成三氯化物
C.基态X和Y原子中未成对电子数相同
D.Y仅有一种含氧酸
答案:B
解析:根据核反应方程式遵循质量守恒和电子守恒,X、Y原子的最外层电子数之和为8可知,X、Y分别为Al、P。Al的相对原子质量为27,A错误;Al、P可分别与Cl2反应生成AlCl3、PCl3,B正确;基态Al、P的价电子排布式分别为3s23p1、3s23p3,未成对电子数分别为1、3,C错误;P元素有多种化合价,有H3PO4、H3PO3、H3PO2等多种含氧酸,D错误。
11.(2023湖北鄂东南联盟高三检测)卤化金能与亚乙基硫脲形成盐,结构如图所示。其中X代表卤素原子,W的丰度最大的一种核素原子核无中子,原子半径M>Y>Z,且M的最高正价与最低负价代数和为4,下列说法不正确的是( )
A.简单氢化物的键角:Y>Z
B.M最外层电子有6种空间运动状态
C.该盐中Y、Z、M均达到8电子稳定结构
D.79Au原子中电子填入的最高能级为6s
答案:B
解析:W的丰度最大的一种核素原子核无中子,W为H元素;原子半径M>Y>Z,且M的最高正价与最低负价代数和为4,故M为S元素;Y能形成4个共价键,Y为C元素;Z形成3个共价键,Z为N元素。CH4是正四面体形结构,NH3为三角锥形结构,故简单氢化物的键角:Y>Z,A正确;M为S元素,最外层电子排布为3s23p4,M最外层电子有4种空间运动状态,B错误;该盐中Y、Z、M均达到8电子稳定结构,C正确;79Au位于第六周期第ⅠB族,原子中电子填入的最高能级为6s,D正确。
二、非选择题
12.(1)[2021天津卷,13(1)]基态Fe原子的价层电子排布式为 。
(2)[2021湖南卷,18(1)]基态硅原子最外层的电子排布图(轨道表示式)为 。
(3)[2021河北卷,17(1)]在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中,核外电子排布相同的是 (填离子符号)。
(4)[2021海南卷,19(1)]基态锰原子的价层电子排布式为 。
(5)[2021广东卷,20(1)]基态硫原子价电子排布式为 。
(6)[2021全国乙卷,35(1)]对于基态Cr原子,下列叙述正确的是 (填标号)。
A.轨道处于半充满时体系总能量低,核外电子排布式为[Ar]3d54s1
B.4s电子能量较高,总是在比3s电子离核更远的地方运动
(7)[2021河北卷,17(2)]原子中运动的电子有两种相反的自旋状态,若一种自旋状态用+表示,与之相反的用-表示,称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子,其价电子自旋磁量子数的代数和为 。
答案:(1)3d64s2 (2) (3)K+、P3- (4)3d54s2 (5)3s23p4 (6)A (7)+或-
解析:(6)基态原子满足能量最低原理,Cr有24个核外电子,轨道处于半充满时体系总能量低,核外电子排布式应为[Ar]3d54s1,A正确;Cr核外电子排布式为[Ar]3d54s1,由于能级交错,3d轨道的能量高于4s轨道的能量,即3d电子能量较高,B错误。
(7)对于基态的磷原子,其价电子排布式为3s23p3,其中3s轨道的2个电子自旋状态相反,自旋磁量子数的代数和为0;根据洪特规则可知,其3p轨道的3个电子的自旋状态相同,因此,基态磷原子的价电子的自旋磁量子数的代数和为+或-。
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