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2022届高三统考化学人教版一轮课件：选修3 第1节 原子结构与性质
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这是一份2022届高三统考化学人教版一轮课件：选修3 第1节 原子结构与性质，共60页。PPT课件主要包含了-2-，-3-，考点一，考点二，基础梳理，考点突破，-4-，-5-，-6-，-7-等内容，欢迎下载使用。
考纲要求:1.了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理,能正确书写1~36号元素原子核外电子、价电子的电子排布式和电子排布图。 2.了解电离能的含义,并能用以说明元素的某些性质。 3.了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。 4.了解电负性的概念,并能用以说明元素的某些性质。
原子核外电子的排布及其表示方法1.能层、能级与原子轨道(1)能层。根据多电子原子的核外电子的能量不同,将核外电子分成不同的能层,用n表示,n=1,2,3,4,…,n越大,该能层中的电子能量越高。原子核外的每一能层(序号为n)最多可容纳的电子数为2n2。(2)能级。多电子原子中,同一能层的电子,能量也可能不同,还可以把它们分成能级;同一能层里,能级的能量按s、p、d、f……的顺序升高。
(3)原子轨道的形状和能量高低。
2.基态原子核外电子排布规律(1)能量最低原理:原子的电子排布遵循构造原理,能使整个原子的能量处于最低状态。构造原理即基态原子核外电子进入原子轨道的顺序。示意图如下:
(2)泡利原理:1个原子轨道里最多容纳2个电子,且它们的自旋状态相反。(3)洪特规则:电子排布在同一能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,且自旋状态相同。洪特规则的特例:当能量相同的原子轨道在全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f 0)状态时,体系的能量最低。如24Cr的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1, 而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
3.原子结构示意图:11Na的原子结构示意图为 。表明原子核外各电子层上排布的电子数。
4.电子排布式(1)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。电子排布式中各符号、数字的意义为:(以钾原子为例) (2)电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示,以简化电子排布式。例如K的电子排布式可写成[Ar]4s1。(3)元素的化学性质与价电子关系密切,人们常常只表示出原子的价电子排布。如铁原子3d64s2。
(3)原子状态与原子光谱。①原子的状态。基态原子:处于最低能量的原子。激发态原子:当基态原子的电子吸收能量后,电子会跃迁到较高能级,变成激发态原子。②基态、激发态及光谱示意图。
1.核外电子的排布规律(1)遵守三大基本原理:能量最低原理、泡利原理、洪特规则。(2)能级交错现象:核外电子的能量并不是完全按能层序数的增加而升高,不同能层的能级之间的能量高低有交错现象,如E(3d)>E(4s)、E(4d)>E(5s)、E(5d)>E(6s)、E(6d)>E(7s)、E(4f)>E(5p)、E(4f)>E(6s)等。
例1(1)化学作为一门基础自然科学,在材料科学、生命科学、能源科学等诸多领域发挥着重要作用。①高温超导材料钇钡铜氧的化学式为YBaCu3O7,其中 的Cu以罕见的Cu3+形式存在。Cu在元素周期表中的位置为 ,基态Cu3+的核外电子排布式为 。 ②(2018全国Ⅰ,节选)下列Li原子电子排布图表示的状态中,能量最低和最高的分别为 、 (填标号)。
③(2018全国Ⅱ,节选)基态Fe原子价层电子的电子排布图为 ,基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为 形。
(2)物质的结构决定物质的性质。请回答下列涉及物质结构和性质的问题:①第二周期中,元素的第一电离能处于B与N之间的元素有 种。②某元素位于第四周期第Ⅷ族,其基态原子的未成对电子数与基态碳原子的未成对电子数相同,则其基态原子的价层电子排布式为 。
答案 (1)①第四周期第ⅠB族 1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8 ②D C ③ 哑铃 (2)①3 ②3d84s2
解析 (1)①据元素周期表得,铜在周期表中位于第四周期第ⅠB族;铜是29号元素,故Cu3+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8。②基态Li原子能量最低,而电子排布图中D图所示状态为基态。处于激发态的电子数越多,原子能量越高,A中只有1个1s电子跃迁到2s轨道;B中1s轨道中的两个电子1个跃迁到2s轨道,另一个跃迁到2p轨道;C中1s轨道的两个电子都跃迁到2p轨道,故C表示的能量最高。③基态Fe原子价层电子的电子排布图为 ,基态S原子电子占据的最高能级为3p,其电子云轮廓图为哑铃形。
(2)①同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第ⅡA族、第ⅤA族元素第一电离能大于相邻元素,根据电离能的变化规律,第一电离能介于B、N之间的第二周期元素有Be、C、O三种元素。②元素位于第四周期第Ⅷ族,其基态原子的未成对电子数与基态碳原子的未成对电子数相同,基态碳原子的电子排布式为1s22s22p2,未成对电子数为2,则该元素为Ni,其基态原子的价层电子排布式为3d84s2。
易错警示 (1)出现d轨道时,虽然电子排布按ns、(n-1)d、np的顺序填充,但书写核外电子排布式时,仍把(n-1)d放在ns前,如Ti:1s22s22p63s23p63d24s2正确,Ti:1s22s22p63s23p64s23d2错误。(2)基态原子失电子生成金属阳离子时,应先失去最外层上的电子,如铁原子核外电子排布式为[Ar]3d64s2,失电子变为Fe2+,失去的不是能量高的3d能级上的电子,而是能量低的4s能级上的电子。所以Fe2+的基态核外电子排布式正确的为[Ar]3d6,其他[Ar]3d44s2、[Ar]3d54s1均错误。
跟踪训练1.A、B、C、D、E、F代表6种元素。请回答下列问题:(1)A元素基态原子的最外层有2个未成对电子,次外层有2个电子,其元素符号为 。 (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的元素符号为 ,C的元素符号为 。 (3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满,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 。 (5)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,则n= ;原子中能量最高的是 电子。
答案:(1)C或O (2)Cl K(3)Fe [Ar]3d64s2(或1s22s22p63s23p63d64s2)(4)Cu [Ar]3d104s1(或1s22s22p63s23p63d104s1) (5)2 2p
(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D为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。(5)s能级只有1个原子轨道,故最多只能容纳2个电子,即n=2,所以F元素的原子最外层电子排布式为2s22p3,由此可知F是N元素;根据核外电子排布的能量最低原理,可知氮原子的核外电子中的2p能级能量最高。
2.(1)基态14C原子的核外存在 对自旋状态相反的电子,硅原子的电子排布式为 。 (2)基态Si原子中,电子占据的最高能层具有的原子轨道数为 , 1 ml氮气分子中σ键和π键的物质的量之比为 ;基态钛原子的价电子排布式为 。 (3)基态Fe2+的电子排布式为 。 (4)Fe2+的价层电子排布图(或轨道表示式)是 , Cu原子的电子排布式是 。
答案:(1)2 1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2(2)9 1∶2 3d24s2(3)1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6(4) 1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1
解析:(1)14C的电子排布式为1s22s22p2,两个s轨道上分别有2个自旋状态相反的电子,根据洪特规则,另两个p电子分占两个2p轨道且电子自旋状态相同;硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2;(2)硅原子的质子数为14,根据电子排布式,其最高能层为M层,具有的原子轨道数为9;每个氮气分子中有1个σ键和2个π键,N2中σ键和π键的物质的量之比为1∶2;Ti是22号元素,其价电子包括M层d能级与N层s能级上的电子;(3)基态Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6;(4)铁的原子序数是26,根据核外电子排布规律知,亚铁离子的价层电子排布图(或轨道表示式)是 ;铜的原子序数是29,则铜的电子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
原子结构与元素周期律1.原子结构与元素周期表的关系
2.元素周期表的分区(1)根据核外电子排布分区。
3.电离能(1)含义:气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要最低能量叫做第一电离能。常用符号I1表示,单位为kJ·ml-1。(2)电离能的递变规律。①同一元素:I1
5.对角线规则在元素周期表中,某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的。如右图所示。
自主巩固(1)根据前四周期元素原子核外电子排布特点,回答下列问题:①外围电子层排布有2个未成对电子的有C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni;有3个未成对电子的有N、P、As、V、C。②未成对电子数与周期数相等的元素有H、C、O、P、Fe。(2)根据4s24p4回答问题:该元素位于p区,为第四周期ⅥA族,是硒元素(填名称)。
(3)第四周期中,未成对电子数最多的元素是铬(填名称)。①它位于第ⅥB族。②核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。③它有4个能层,7个能级,24种运动状态不同的电子。④价层电子排布式为3d5 4s1,价层电子排布图为
1.原子结构与元素性质的递变规律
例2新型储氢材料是开发利用氢能的重要研究方向。(1)①Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由TiCl4与LiBH4反应制得。基态氯原子中,电子占据的最高能层符号为 ,该能层具有的原子轨道数为 。Li、B、H三种元素的电负性由小到大的排列顺序为 。 ②金属氢化物是具有良好发展前景的储氢材料。LiH中,离子半径:Li+ (填“>”“=”或“<”)H-。 某储氢材料是短周期金属元素M的氢化物。M的部分电离能如下表所示:
M是 (填元素符号)。
(2)(2018全国Ⅲ,节选)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由Zn和Cu组成。第一电离能I1(Zn) (填“大于”或“小于”)I1(Cu),原因是 。 (3)太阳能电池板材料除单晶硅外,还有铜、铟、镓、硒等化学物质。①基态硅原子的电子排布式为 。 ②硒为ⅥA族元素,与其相邻的元素有砷和溴,则三种元素的电负性由小到大的顺序为 (用元素符号表示)。
答案 (1)①M 9 Li
归纳总结 (1)“外围电子排布”即“价电子层”,对于主族元素,价电子层就是最外电子层,而对于过渡元素原子不仅仅是最外电子层。(2)金属活动性顺序与元素相应的电离能大小顺序不完全一致,故不能根据金属活动性顺序判断电离能的大小。(3)共价化合物中,两种元素电负性差值越大,它们形成共价键的极性就越强。
跟踪训练3.A、B、C、D、E、F、G、H是元素周期表前四周期常见的元素,且原子序数依次增大,其相关信息如下表:
请用化学用语填空:(1)A元素位于元素周期表第 周期 族;B和C的第一电离能比较,较大的是 ;C和F的电负性比较,较小的是 。(2)G元素的低价阳离子的结构示意图是 ,F原子的价电子的电子排布图是 ,H的基态原子核外电子排布式是 。 (3)G的高价阳离子的溶液与H单质反应的离子方程式为 ;与E元素成对角线关系的某元素的最高价氧化物的水化物具有两性,写出该两性物质与D的最高价氧化物的水化物反应的化学方程式: 。
答案:(1)二 ⅣA N Cl
1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1 (3)2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+ Be(OH)2+2NaOH═Na2BeO2+2H2O
解析:A的原子核外有6种不同运动状态的电子,即核外共有6个电子,A为碳元素。C的基态原子中s电子总数与p电子总数相等,则核外电子排布式为1s22s22p4,C是氧元素。由于A、B、C原子序数依次增大,故B是氮元素。E的基态原子最外层电子排布式为3s23p1,是铝元素。D的原子半径在同周期元素中最大,且D的原子序数比C大比E小,故D是钠元素。F的基态原子的最外层p轨道有两个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反,说明p轨道上有5个电子,是氯元素。G的基态原子核外有7个能级且能量最高的能级上有6个电子,则其电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,是铁元素。H是我国使用最早的合金中的最主要元素,是铜元素。
4.自然界中存在大量的金属元素,其中钠、镁、铝、铁、铜等在工农业生产中有着广泛的应用。(1)请写出Fe的基态原子核外电子排布式 。 (2)金属A的原子只有3个电子层,其第一至第四电离能如下:
则A原子的价电子排布式为 。
(3)合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气体中的CO(Ac-代表CH3COO-),其反应是:[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3 [Cu(NH3)3CO]Ac[醋酸羰基三氨合铜(Ⅰ)] ΔH<0①C、N、O三种元素的第一电离能由小到大的顺序为 。 ②配合物[Cu(NH3)3CO]Ac中心原子的配位数为 。 ③在一定条件下NH3与CO2能合成尿素[CO(NH2)2],尿素中碳原子和氮原子轨道的杂化类型分别为 ; 1 ml尿素分子中,σ键的数目为 NA(设NA代表阿伏加德罗常数的值)。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2 (2)3s2(3)①C
(3)①C、N、O三种元素是同一周期的元素,一般情况下,原子序数越大,元素的第一电离能越大,而氮元素的原子最外层电子处于半充满状态为稳定状态,失去电子比O还难,所以三种元素的第一电离能由小到大的顺序为C
1.锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:(1)基态锗原子的核外电子排布式为[Ar] ,有 个未成对电子。 (2)光催化还原CO2制备CH4反应中,带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大到小的顺序是 。
答案:(1)3d104s24p2 2 (2)O>Ge>Zn解析:(1)Ge是第四周期第ⅣA族元素,是32号元素,电子排布式为[Ar]3d104s24p2,2个4p电子分别位于2个不同轨道上,有2个未成对电子。(2)一般来说,元素的非金属性越强,吸引电子能力就越强,则电负性越大,电负性由大到小的顺序为O>Ge>Zn。
2. 东晋《华阳国志·南中志》卷四中已有关于白铜的记载,云南镍白铜(铜镍合金)闻名中外,曾主要用于造币,亦可用于制作仿银饰品。回答下列问题:(1)镍元素基态原子的电子排布式为 ,3d能级上的未成对电子数为 。 (2)单质铜及镍都是由 键形成的晶体;元素铜与镍的第二电离能分别为ICu=1 958 kJ·ml-1、INi=1 753 kJ·ml-1,ICu>INi的原因是 。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d84s2或[Ar]3d84s2 2(2)金属 铜失去的是全充满的3d10电子,镍失去的是4s1电子
解析:(1)镍为28号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2或[Ar]3d84s2,3d能级上的电子排布图为 ,故3d能级上未成对电子数为2。(2)金属晶体中金属阳离子和自由电子以金属键结合。Ni、Cu的外围电子排布式分别为3d84s2、3d104s1,二者的第二电离能是:Cu失去的是全充满的3d10上的1个电子,而镍失去的是4s1上的1个电子。
3.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料,可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题:(1)写出基态砷原子的核外电子排布式 。 (2)根据元素周期律,原子半径Ga (填“大于”或“小于”,下同) As,第一电离能Ga As。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3 (2)大于 小于解析 (1)As的原子序数是33,则基态砷原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3。(2)Ga和As位于同一周期,同周期主族元素从左向右原子半径逐渐减小,则原子半径Ga>As;由于As的4p能级处于半充满状态,稳定性强,因此第一电离能Ga
(2)硒、硅均能与氢元素形成气态氢化物,若“Si—H”中共用电子对偏向氢原子,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒与硅的电负性相对大小为Se (填“>”或“<”)Si。与Si同周期部分元素的电离能如图所示,其中a、b和c分别代表 (填字母)。 A.a为I1、b为I2、c为I3 B.a为I2、b为I3、c为I1C.a为I3、b为I2、c为I1D.a为I1、b为I3、c为I2
答案 (1)[Ar]3d104s1(或1s22s22p63s23p63d104s1) CuO中Cu2+的价电子排布式为3d9,Cu2O中Cu+的价电子排布式为3d10,后者3d轨道处于稳定的全充满状态而前者不是 (2)> B
解析 (1)Cu为第29号元素,位于元素周期表中第四周期第ⅠB族,所以基态Cu原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1;CuO中Cu+的价电子排布式为3d9,Cu2O中Cu2+的价电子排布式为3d10,3d10为稳定结构,所以在高温时能生成Cu2O。(2)若“Si—H”中共用电子对偏向氢原子,说明硅显正价,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒的氢化物中硒显负价,所以硒与硅的电负性相对大小为Se>Si;在第三周期元素中,钠原子失去1个电子后,就已经达到稳定结构,所以钠的第二电离能最大;镁原子最外层为2个电子,失去2个电子后为稳定结构,所以镁的第三电离能最大;即得a代表第二电离能I2,b代表第三电离能I3,c代表第一电离能I1。
(5)用上述金属卤化物光电材料制作的太阳能电池在使用过程中会产生单质铅和碘,降低了器件效率和使用寿命。我国科学家巧妙地在此材料中引入稀土铕(Eu)盐,提升了太阳能电池的效率和使用寿命,其作用原理如图(c)所示,用离子方程式表示该原理 , 。
解析 (1)Ti是22号元素,根据构造原理可知其电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2。(2)Ti与F电负性差异大,TiF4为离子化合物,而TiCl4、TiBr4、TiI4为分子晶体,随相对分子质量增大,分子间作用力增大,熔点升高。(3)根据Ca、Ti、O三种元素在周期表中的位置关系和电负性的变化规律可知电负性大小顺序为O>Ti>Ca。金属离子与氧离子之间的作用力是离子键。Ca2+的配位O2-位于12条棱上,Ca2+的配位数为12。
考纲要求:1.了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理,能正确书写1~36号元素原子核外电子、价电子的电子排布式和电子排布图。 2.了解电离能的含义,并能用以说明元素的某些性质。 3.了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。 4.了解电负性的概念,并能用以说明元素的某些性质。
原子核外电子的排布及其表示方法1.能层、能级与原子轨道(1)能层。根据多电子原子的核外电子的能量不同,将核外电子分成不同的能层,用n表示,n=1,2,3,4,…,n越大,该能层中的电子能量越高。原子核外的每一能层(序号为n)最多可容纳的电子数为2n2。(2)能级。多电子原子中,同一能层的电子,能量也可能不同,还可以把它们分成能级;同一能层里,能级的能量按s、p、d、f……的顺序升高。
(3)原子轨道的形状和能量高低。
2.基态原子核外电子排布规律(1)能量最低原理:原子的电子排布遵循构造原理,能使整个原子的能量处于最低状态。构造原理即基态原子核外电子进入原子轨道的顺序。示意图如下:
(2)泡利原理:1个原子轨道里最多容纳2个电子,且它们的自旋状态相反。(3)洪特规则:电子排布在同一能级的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,且自旋状态相同。洪特规则的特例:当能量相同的原子轨道在全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f 0)状态时,体系的能量最低。如24Cr的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1, 而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
3.原子结构示意图:11Na的原子结构示意图为 。表明原子核外各电子层上排布的电子数。
4.电子排布式(1)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。电子排布式中各符号、数字的意义为:(以钾原子为例) (2)电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示,以简化电子排布式。例如K的电子排布式可写成[Ar]4s1。(3)元素的化学性质与价电子关系密切,人们常常只表示出原子的价电子排布。如铁原子3d64s2。
(3)原子状态与原子光谱。①原子的状态。基态原子:处于最低能量的原子。激发态原子:当基态原子的电子吸收能量后,电子会跃迁到较高能级,变成激发态原子。②基态、激发态及光谱示意图。
1.核外电子的排布规律(1)遵守三大基本原理:能量最低原理、泡利原理、洪特规则。(2)能级交错现象:核外电子的能量并不是完全按能层序数的增加而升高,不同能层的能级之间的能量高低有交错现象,如E(3d)>E(4s)、E(4d)>E(5s)、E(5d)>E(6s)、E(6d)>E(7s)、E(4f)>E(5p)、E(4f)>E(6s)等。
例1(1)化学作为一门基础自然科学,在材料科学、生命科学、能源科学等诸多领域发挥着重要作用。①高温超导材料钇钡铜氧的化学式为YBaCu3O7,其中 的Cu以罕见的Cu3+形式存在。Cu在元素周期表中的位置为 ,基态Cu3+的核外电子排布式为 。 ②(2018全国Ⅰ,节选)下列Li原子电子排布图表示的状态中,能量最低和最高的分别为 、 (填标号)。
③(2018全国Ⅱ,节选)基态Fe原子价层电子的电子排布图为 ,基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为 形。
(2)物质的结构决定物质的性质。请回答下列涉及物质结构和性质的问题:①第二周期中,元素的第一电离能处于B与N之间的元素有 种。②某元素位于第四周期第Ⅷ族,其基态原子的未成对电子数与基态碳原子的未成对电子数相同,则其基态原子的价层电子排布式为 。
答案 (1)①第四周期第ⅠB族 1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8 ②D C ③ 哑铃 (2)①3 ②3d84s2
解析 (1)①据元素周期表得,铜在周期表中位于第四周期第ⅠB族;铜是29号元素,故Cu3+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8。②基态Li原子能量最低,而电子排布图中D图所示状态为基态。处于激发态的电子数越多,原子能量越高,A中只有1个1s电子跃迁到2s轨道;B中1s轨道中的两个电子1个跃迁到2s轨道,另一个跃迁到2p轨道;C中1s轨道的两个电子都跃迁到2p轨道,故C表示的能量最高。③基态Fe原子价层电子的电子排布图为 ,基态S原子电子占据的最高能级为3p,其电子云轮廓图为哑铃形。
(2)①同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第ⅡA族、第ⅤA族元素第一电离能大于相邻元素,根据电离能的变化规律,第一电离能介于B、N之间的第二周期元素有Be、C、O三种元素。②元素位于第四周期第Ⅷ族,其基态原子的未成对电子数与基态碳原子的未成对电子数相同,基态碳原子的电子排布式为1s22s22p2,未成对电子数为2,则该元素为Ni,其基态原子的价层电子排布式为3d84s2。
易错警示 (1)出现d轨道时,虽然电子排布按ns、(n-1)d、np的顺序填充,但书写核外电子排布式时,仍把(n-1)d放在ns前,如Ti:1s22s22p63s23p63d24s2正确,Ti:1s22s22p63s23p64s23d2错误。(2)基态原子失电子生成金属阳离子时,应先失去最外层上的电子,如铁原子核外电子排布式为[Ar]3d64s2,失电子变为Fe2+,失去的不是能量高的3d能级上的电子,而是能量低的4s能级上的电子。所以Fe2+的基态核外电子排布式正确的为[Ar]3d6,其他[Ar]3d44s2、[Ar]3d54s1均错误。
跟踪训练1.A、B、C、D、E、F代表6种元素。请回答下列问题:(1)A元素基态原子的最外层有2个未成对电子,次外层有2个电子,其元素符号为 。 (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的元素符号为 ,C的元素符号为 。 (3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满,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 。 (5)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,则n= ;原子中能量最高的是 电子。
答案:(1)C或O (2)Cl K(3)Fe [Ar]3d64s2(或1s22s22p63s23p63d64s2)(4)Cu [Ar]3d104s1(或1s22s22p63s23p63d104s1) (5)2 2p
(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D为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。(5)s能级只有1个原子轨道,故最多只能容纳2个电子,即n=2,所以F元素的原子最外层电子排布式为2s22p3,由此可知F是N元素;根据核外电子排布的能量最低原理,可知氮原子的核外电子中的2p能级能量最高。
2.(1)基态14C原子的核外存在 对自旋状态相反的电子,硅原子的电子排布式为 。 (2)基态Si原子中,电子占据的最高能层具有的原子轨道数为 , 1 ml氮气分子中σ键和π键的物质的量之比为 ;基态钛原子的价电子排布式为 。 (3)基态Fe2+的电子排布式为 。 (4)Fe2+的价层电子排布图(或轨道表示式)是 , Cu原子的电子排布式是 。
答案:(1)2 1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2(2)9 1∶2 3d24s2(3)1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6(4) 1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1
解析:(1)14C的电子排布式为1s22s22p2,两个s轨道上分别有2个自旋状态相反的电子,根据洪特规则,另两个p电子分占两个2p轨道且电子自旋状态相同;硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2;(2)硅原子的质子数为14,根据电子排布式,其最高能层为M层,具有的原子轨道数为9;每个氮气分子中有1个σ键和2个π键,N2中σ键和π键的物质的量之比为1∶2;Ti是22号元素,其价电子包括M层d能级与N层s能级上的电子;(3)基态Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6;(4)铁的原子序数是26,根据核外电子排布规律知,亚铁离子的价层电子排布图(或轨道表示式)是 ;铜的原子序数是29,则铜的电子排布式是1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
原子结构与元素周期律1.原子结构与元素周期表的关系
2.元素周期表的分区(1)根据核外电子排布分区。
3.电离能(1)含义:气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要最低能量叫做第一电离能。常用符号I1表示,单位为kJ·ml-1。(2)电离能的递变规律。①同一元素:I1
5.对角线规则在元素周期表中,某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的。如右图所示。
自主巩固(1)根据前四周期元素原子核外电子排布特点,回答下列问题:①外围电子层排布有2个未成对电子的有C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni;有3个未成对电子的有N、P、As、V、C。②未成对电子数与周期数相等的元素有H、C、O、P、Fe。(2)根据4s24p4回答问题:该元素位于p区,为第四周期ⅥA族,是硒元素(填名称)。
(3)第四周期中,未成对电子数最多的元素是铬(填名称)。①它位于第ⅥB族。②核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。③它有4个能层,7个能级,24种运动状态不同的电子。④价层电子排布式为3d5 4s1,价层电子排布图为
1.原子结构与元素性质的递变规律
例2新型储氢材料是开发利用氢能的重要研究方向。(1)①Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由TiCl4与LiBH4反应制得。基态氯原子中,电子占据的最高能层符号为 ,该能层具有的原子轨道数为 。Li、B、H三种元素的电负性由小到大的排列顺序为 。 ②金属氢化物是具有良好发展前景的储氢材料。LiH中,离子半径:Li+ (填“>”“=”或“<”)H-。 某储氢材料是短周期金属元素M的氢化物。M的部分电离能如下表所示:
M是 (填元素符号)。
(2)(2018全国Ⅲ,节选)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由Zn和Cu组成。第一电离能I1(Zn) (填“大于”或“小于”)I1(Cu),原因是 。 (3)太阳能电池板材料除单晶硅外,还有铜、铟、镓、硒等化学物质。①基态硅原子的电子排布式为 。 ②硒为ⅥA族元素,与其相邻的元素有砷和溴,则三种元素的电负性由小到大的顺序为 (用元素符号表示)。
答案 (1)①M 9 Li
归纳总结 (1)“外围电子排布”即“价电子层”,对于主族元素,价电子层就是最外电子层,而对于过渡元素原子不仅仅是最外电子层。(2)金属活动性顺序与元素相应的电离能大小顺序不完全一致,故不能根据金属活动性顺序判断电离能的大小。(3)共价化合物中,两种元素电负性差值越大,它们形成共价键的极性就越强。
跟踪训练3.A、B、C、D、E、F、G、H是元素周期表前四周期常见的元素,且原子序数依次增大,其相关信息如下表:
请用化学用语填空:(1)A元素位于元素周期表第 周期 族;B和C的第一电离能比较,较大的是 ;C和F的电负性比较,较小的是 。(2)G元素的低价阳离子的结构示意图是 ,F原子的价电子的电子排布图是 ,H的基态原子核外电子排布式是 。 (3)G的高价阳离子的溶液与H单质反应的离子方程式为 ;与E元素成对角线关系的某元素的最高价氧化物的水化物具有两性,写出该两性物质与D的最高价氧化物的水化物反应的化学方程式: 。
答案:(1)二 ⅣA N Cl
1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1 (3)2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+ Be(OH)2+2NaOH═Na2BeO2+2H2O
解析:A的原子核外有6种不同运动状态的电子,即核外共有6个电子,A为碳元素。C的基态原子中s电子总数与p电子总数相等,则核外电子排布式为1s22s22p4,C是氧元素。由于A、B、C原子序数依次增大,故B是氮元素。E的基态原子最外层电子排布式为3s23p1,是铝元素。D的原子半径在同周期元素中最大,且D的原子序数比C大比E小,故D是钠元素。F的基态原子的最外层p轨道有两个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反,说明p轨道上有5个电子,是氯元素。G的基态原子核外有7个能级且能量最高的能级上有6个电子,则其电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,是铁元素。H是我国使用最早的合金中的最主要元素,是铜元素。
4.自然界中存在大量的金属元素,其中钠、镁、铝、铁、铜等在工农业生产中有着广泛的应用。(1)请写出Fe的基态原子核外电子排布式 。 (2)金属A的原子只有3个电子层,其第一至第四电离能如下:
则A原子的价电子排布式为 。
(3)合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气体中的CO(Ac-代表CH3COO-),其反应是:[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3 [Cu(NH3)3CO]Ac[醋酸羰基三氨合铜(Ⅰ)] ΔH<0①C、N、O三种元素的第一电离能由小到大的顺序为 。 ②配合物[Cu(NH3)3CO]Ac中心原子的配位数为 。 ③在一定条件下NH3与CO2能合成尿素[CO(NH2)2],尿素中碳原子和氮原子轨道的杂化类型分别为 ; 1 ml尿素分子中,σ键的数目为 NA(设NA代表阿伏加德罗常数的值)。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2 (2)3s2(3)①C
(3)①C、N、O三种元素是同一周期的元素,一般情况下,原子序数越大,元素的第一电离能越大,而氮元素的原子最外层电子处于半充满状态为稳定状态,失去电子比O还难,所以三种元素的第一电离能由小到大的顺序为C
1.锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:(1)基态锗原子的核外电子排布式为[Ar] ,有 个未成对电子。 (2)光催化还原CO2制备CH4反应中,带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大到小的顺序是 。
答案:(1)3d104s24p2 2 (2)O>Ge>Zn解析:(1)Ge是第四周期第ⅣA族元素,是32号元素,电子排布式为[Ar]3d104s24p2,2个4p电子分别位于2个不同轨道上,有2个未成对电子。(2)一般来说,元素的非金属性越强,吸引电子能力就越强,则电负性越大,电负性由大到小的顺序为O>Ge>Zn。
2. 东晋《华阳国志·南中志》卷四中已有关于白铜的记载,云南镍白铜(铜镍合金)闻名中外,曾主要用于造币,亦可用于制作仿银饰品。回答下列问题:(1)镍元素基态原子的电子排布式为 ,3d能级上的未成对电子数为 。 (2)单质铜及镍都是由 键形成的晶体;元素铜与镍的第二电离能分别为ICu=1 958 kJ·ml-1、INi=1 753 kJ·ml-1,ICu>INi的原因是 。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d84s2或[Ar]3d84s2 2(2)金属 铜失去的是全充满的3d10电子,镍失去的是4s1电子
解析:(1)镍为28号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2或[Ar]3d84s2,3d能级上的电子排布图为 ,故3d能级上未成对电子数为2。(2)金属晶体中金属阳离子和自由电子以金属键结合。Ni、Cu的外围电子排布式分别为3d84s2、3d104s1,二者的第二电离能是:Cu失去的是全充满的3d10上的1个电子,而镍失去的是4s1上的1个电子。
3.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料,可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题:(1)写出基态砷原子的核外电子排布式 。 (2)根据元素周期律,原子半径Ga (填“大于”或“小于”,下同) As,第一电离能Ga As。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3 (2)大于 小于解析 (1)As的原子序数是33,则基态砷原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3。(2)Ga和As位于同一周期,同周期主族元素从左向右原子半径逐渐减小,则原子半径Ga>As;由于As的4p能级处于半充满状态,稳定性强,因此第一电离能Ga
(2)硒、硅均能与氢元素形成气态氢化物,若“Si—H”中共用电子对偏向氢原子,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒与硅的电负性相对大小为Se (填“>”或“<”)Si。与Si同周期部分元素的电离能如图所示,其中a、b和c分别代表 (填字母)。 A.a为I1、b为I2、c为I3 B.a为I2、b为I3、c为I1C.a为I3、b为I2、c为I1D.a为I1、b为I3、c为I2
答案 (1)[Ar]3d104s1(或1s22s22p63s23p63d104s1) CuO中Cu2+的价电子排布式为3d9,Cu2O中Cu+的价电子排布式为3d10,后者3d轨道处于稳定的全充满状态而前者不是 (2)> B
解析 (1)Cu为第29号元素,位于元素周期表中第四周期第ⅠB族,所以基态Cu原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1;CuO中Cu+的价电子排布式为3d9,Cu2O中Cu2+的价电子排布式为3d10,3d10为稳定结构,所以在高温时能生成Cu2O。(2)若“Si—H”中共用电子对偏向氢原子,说明硅显正价,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒的氢化物中硒显负价,所以硒与硅的电负性相对大小为Se>Si;在第三周期元素中,钠原子失去1个电子后,就已经达到稳定结构,所以钠的第二电离能最大;镁原子最外层为2个电子,失去2个电子后为稳定结构,所以镁的第三电离能最大;即得a代表第二电离能I2,b代表第三电离能I3,c代表第一电离能I1。
(5)用上述金属卤化物光电材料制作的太阳能电池在使用过程中会产生单质铅和碘,降低了器件效率和使用寿命。我国科学家巧妙地在此材料中引入稀土铕(Eu)盐,提升了太阳能电池的效率和使用寿命,其作用原理如图(c)所示,用离子方程式表示该原理 , 。
解析 (1)Ti是22号元素,根据构造原理可知其电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2。(2)Ti与F电负性差异大,TiF4为离子化合物,而TiCl4、TiBr4、TiI4为分子晶体,随相对分子质量增大,分子间作用力增大,熔点升高。(3)根据Ca、Ti、O三种元素在周期表中的位置关系和电负性的变化规律可知电负性大小顺序为O>Ti>Ca。金属离子与氧离子之间的作用力是离子键。Ca2+的配位O2-位于12条棱上,Ca2+的配位数为12。
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