2021版新高考化学一轮鲁科版教师用书：第4章第1节原子结构核外电子排布

第1节　原子结构　核外电子排布

原子结构　同位素

1．原子构成

(1)原子符号与构成

(2)微粒中的“各数”间的关系

①质量关系：质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)。

②电性关系

[补短板]

原子结构的认识误区

(1)原子中不一定都含有中子，如H中没有中子。

(2)电子排布完全相同的原子不一定是同一种原子，如互为同位素的各原子。

(3)易失去1个电子形成＋1价阳离子的不一定是金属原子，如氢原子失去1个电子形成H＋。

(4)形成稳定结构的离子最外层不一定是8个电子，如Li＋为2电子稳定结构。

(5)阳离子不一定均有电子，如H＋。

2．元素、核素、同位素

(1)“三素”关系及含义

(2)几种重要的核素及其应用

(3)氢元素的三种核素

H：用字母H表示，名称为氕，不含中子。

H：用字母D表示，名称为氘或重氢，含1个中子。

H：用字母T表示，名称为氚或超重氢，含2个中子。

3．相对原子质量简介

(1)原子(即核素)的相对原子质量

一个原子(即核素)的质量与一个12C质量的的比值。一种元素有几种同位素，就有几种不同核素的相对原子质量。

(2)元素的相对原子质量

是按该元素各种天然同位素原子所占的原子百分比算出的平均值。如：Ar(Cl)＝Ar(35Cl)×a%＋Ar(37Cl)×b%。

(3)核素的近似相对原子质量＝质量数。

(4)元素的近似相对原子质量＝A1×a%＋A2×b%＋……

4．核外电子排布

(1)核外电子排布规律

(2)原子或离子结构示意图

(3)核外电子排布与元素性质的关系

①金属元素原子的最外层电子数一般小于4，较易失去电子，形成阳离子，表现出金属性，在化合物中显正化合价。

②非金属元素原子的最外层电子数一般大于或等于4，较易得到电子，活泼非金属原子易形成阴离子，在化合物中主要显负化合价。

③稀有气体元素的原子最外层为8电子(氦为2电子)稳定结构，不易失去或得到电子，通常表现为0价。

(1)任何原子的原子核均有质子和中子，任何离子均有电子。(　　)

(2)一种元素可以有多种核素，也可能只有一种核素，有多少种核素就有多少种原子。(　　)

(3)核聚变如H＋H―→He＋n，因为有新微粒生成，所以该变化是化学变化。

(　　)

(4)H2、D2、HD均为氢元素的不同单质，三者属于同素异形体。(　　)

(5)硫离子的结构示意图： 。(　　)

(6)核外电子排布相同的微粒化学性质也相同。(　　)

[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×

1．H、D、T形成的氢气分子有____________；H、D、T与16O、17O可形成的水分子有________种；其中相对分子质量相同的有_________________________ ___________；这些水分子的物理性质________；化学性质________。

[答案]　H2、D2、T2、HD、HT、DT　12　HT16O与DO、HT17O与DO、HD16O与HO、HT17O与DO　不同　几乎相同

2．现有下列9种微粒：H、H、C、C、N、Fe2＋、

Fe3＋、O2、O3。按要求完成以下各题：

(1)H、H分别是氢元素的一种________，它们互称为________。

(2)互为同素异形体的微粒是________。

(3)Fe2＋的中子数为________，核外电子数为________。

(4)上述9种微粒中有________种核素，含有________种元素。

[答案]　(1)核素　同位素　(2)O2和O3　(3)30　24　(4)7　5

3．下图为几种微粒结构示意图，完成以下填空。

(1)属于阳离子结构的微粒是________(填编号，下同)。

(2)具有稳定性结构的原子是________________。

(3)只能得电子的微粒是________；只能失电子的微粒是________。

[答案]　(1)③⑤　(2)②　(3)③⑤　①④⑥

命题点1　原子结构与“各数”间的相互推算

1．国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)公布了118号元素符号为Og。下列关于Og的说法错误的是(　　)

A．原子序数为118 B．中子数为179

C．核外电子数为118 D．质子数与中子数之差为179

D　[质子数为118，质量数为297，中子数为297－118＝179，质子数与中子数之差为179－118＝61，D错误。]

2．放射性元素碘­131(I)和铯­137(Cs)是核反应物中的主要元素。下列叙述正确的是(　　)

A.I和I的所有性质都相同

B.Cs中含有的中子数比质子数多27

C.Cs与I的中子数相同

D.I与I是同素异形体

B　[I与I的物理性质不同，化学性质几乎相同，A项错误；Cs中含有的中子数比质子数多137－55－55＝27，B项正确；Cs与I的中子数不同，分别是137－55＝82、131－53＝78，C项错误；I与I的质子数相同，中子数不同，互为同位素，D项错误。]

3．某元素的一种同位素X原子的质量数为A，含N个中子，它与1H原子构成HmX分子，在a g Hm X中所含原子的物质的量为________，所含中子的物质的量为________，所含质子数为________(用NA表示阿伏加德罗常数的值下同)，所含电子数为________。

[答案]　(m＋1) mol　N mol　(m＋A－N)NA　(m＋A－N)NA

求一定质量的某物质中微粒数的思维模板

物质的质量物质的量指定微粒的物质的量微粒数

命题点2　同位素、同素异形体、同分异构体的辨析

4．同位素示踪技术已广泛应用在农业、工业、医学、地质及考古等领域。下列有关叙述正确的是(　　)

A．14C与12C是两种不同的元素或核素

B．通过化学变化可以实现16O与18O之间的相互转化

C．35Cl2与37Cl2互为同素异形体

D．铯元素的两种同位素中137Cs比133Cs多4个中子

D　[A项，14C与12C是同种元素的不同核素，错误；B项，16O与18O之间的相互转化实际上是改变原子核的结构，不属于化学变化的范围，错误；C项，35Cl2与37Cl2都是Cl2的单质，不是同素异形体，错误；D项，铯元素的两种同位素中137Cs比133Cs多4个中子，正确。]

5．重水(D2O)是重要的核工业原料。下列说法错误的是(　　)

A．氘(D)原子核外有1个电子

B．1H与D互称同位素

C．H2O与D2O互称同分异构体

D．1HO与DO的相对分子质量相同

[答案]　C

“三同”比较

命题点3　核外电子排布

6．(2019·鞍山模拟)短周期元素X和Y，元素X原子的最外层电子数为a，次外层电子数为b；元素Y原子的M层电子数为(a－b)，L层电子数为(a＋b)。则X、Y两元素形成的化合物可能具有的性质是(　　)

A．和水反应 B．和硫酸反应

C．和氢氧化钠反应 D．和氯气反应

C　[根据Y原子的L层电子数为(a＋b)，M层电子数为(a－b)，知a＋b＝8，再根据X原子次外层电子数为b，可知b＝2，则a＝6，进而确定X为氧(O)，Y为硅(Si)。两元素形成SiO2，SiO2为酸性氧化物，可与NaOH反应。]

7．核电荷数小于18的某元素X，其原子的电子层数为n，最外层电子数为(2n＋1)，原子核内质子数为(2n2－1)。下列关于元素X的说法中，不正确的是

(　　)

A．其最高化合价为＋3价

B．可以形成化学式为KXO3的盐

C．其氢化物可以用来做喷泉实验

D．其最高价氧化物的水化物是强酸

A　[根据题意知：X可能为N或Cl。]

8．A、B、C、D 4种元素的核电荷数依次增大，它们的离子的电子层数相同且最外层电子数均为8。A原子的L层电子数与K、M层电子数之和相等，D原子的K、L层电子数之和等于电子总数的一半。

(1)这4种元素的元素符号依次是A________、B________、C________、D________。

(2)C的原子结构示意图为________。

(3)D的离子结构示意图为________。

(4)B的单质与D的最高价氧化物对应的水化物反应的化学方程式为___________________________________________________________________。

(5)A单质与浓硫酸共热的化学方程式为_____________________________

__________________________________________________________________。

[解析]　A原子的L层电子数与K、M层电子数之和相等，所以A的核电荷数为2×8＝16，A为硫元素。D原子的K、L层电子数之和等于电子总数的一半，所以D原子的核电荷数是(2＋8)×2＝20，D为钙元素。根据核电荷数依次增大，它们的离子的电子层数相同且最外层电子数均为8，可以判断出B为氯元素，C为钾元素。

[答案]　(1)S　Cl　K　Ca

(4)2Cl2＋2Ca(OH)2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2H2O

(5)S＋2H2SO4(浓)3SO2↑＋2H2O

原子核外电子排布

1．电子层、能级和原子轨道

2．原子轨道的形状、数目及能量关系

(1)轨道形状

(2)s、p、d、f能级上原子轨道数目依次为1、3、5、7，其中npx、npy、npz三个原子轨道在三维空间相互垂直，各能级的原子轨道半径随电子层数(n)的增大而增大。

(3)能量关系

3．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，简称能量最低原理。

构造原理：原子的核外电子在填充原子轨道时，随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子，这个电子大多是按着能级的能量由低到高的顺序依次填充的，填满一个能级再填一个新能级，这种规律称为构造原理。其填充能级顺序为

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s→5f→6d→7p……，总之：填充顺序为ns→(n－2)f→(n－1)d→np。

(2)泡利不相容原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，且它们的自旋状态相反。如2s的2个电子可表示为 ，不可表示为。

(3)洪特规则：当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，而且自旋状态相同。如2p3的轨道表示式，不能表示为或 。

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、f0)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。

注意：①一个原子轨道若有2个电子且自旋状态相反，这2个电子称为成对电子，即电子对。

②一个原子轨道若有1个电子，这个电子称为未成对电子，即单电子。如N的轨道表示式为 ，原子中有2对电子对，3个单电子或未成对电子。

4．电子的跃迁与原子光谱

(1)电子的跃迁

①基态―→激发态：

当基态原子的电子吸收能量后，电子会从低能级跃迁到较高能级，变成激发态原子。

②激发态―→基态：

激发态原子的电子从较高能级跃迁到较低能级时会释放出能量。

(2)原子光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，用光谱仪记录下来便得到原子光谱。包括吸收光谱和发射光谱。用原子光谱的特征谱线可以鉴定元素，称为光谱分析。

注意：①“七基色”与波长的关系为：按“红、橙、黄、绿、青、蓝、紫”的顺序，波长逐渐变小。

②基态、激发态及光谱示意图。

命题点1　核外电子排布及表达方式

1．下列各组表述中，两个原子不属于同种元素原子的是(　　)

A．3p能级有一个空轨道的基态原子和核外电子的排布式为1s22s22p63s23p2的原子

B．2p能级无空轨道，且有一个未成对电子的基态原子和原子的最外层电子排布式为2s22p5的原子

C．M层全充满而N层为4s2的原子和核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2的原子

D．最外层电子数是核外电子总数的原子和最外层电子排布式为4s24p5的原子

C　[A项，3p能级有一个空轨道的基态原子，按洪特规则可得其3p轨道上只能有两个电子，所以两个原子是同种元素的原子；B项，2p能级无空轨道，且有一个未成对电子的基态原子，它的2p能级上只能是5个电子，所以两原子是同种元素的原子；C项，M层全充满而N层为4s2的原子，其M层应为18个电子，而后者的M层上只有8个电子，所以两原子不是同种元素的原子；D项，最外层电子数是核外电子总数的的原子中，最外层电子数要小于或等于8个电子，且电子总数为5的倍数，所以可得该原子可能是原子序数为5、10、15、20、25、30、35、40，其中满足最外层电子数是核外电子总数的且符合核外电子排布规则的只能是35号元素，该元素原子的外围电子排布式为4s24p5，所以两原子是同种元素的原子。]

2．完成下列化学用语

(1)Cr原子的核外电子排布式_____________________________________，

外围电子排布式________，原子结构示意图________，价电子轨道表示式________________。

(2)Cu2＋的核外电子排布式________________________________________，

离子结构示意图________。

(3)As的核外电子排布式_________________________________________，

原子结构示意图________，价电子轨道表示式__________________________。

(4)Co的外围电子排布式_________________________________________，

外围电子轨道表示式________________。

[答案]　(1)1s22s22p63s23p63d54s1　3d54s1　

(2)1s22s22p63s23p63d9　

(3)[Ar]3d104s24p3　

(4)3d74s2　

3．(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，其元素符号为__________；其价电子轨道表示式为________________________。

(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的元素符号为________，C＋的结构示意图为________。

(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________，其原子的结构示意图为________。

(4)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子且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＋2，则n＝________；原子中能量最高的是________电子，轨道表示式为______________________________。

(6)G基态原子L层中p轨道电子数是s轨道电子数的2倍，则G的价电子轨道表示式为________________。

(7)H的基态原子4s和3d轨道电子半充满，则H的外围电子轨道表示式为__________________________________________________________________，

未成对电子数为________________。

[解析]　(1)A元素基态原子的轨道表示式由题意可写成：

，

则该元素核外有7个电子，为氮元素，其元素符号为N。

(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)E元素的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，故E为Cu。

(5)F元素最外层电子排布式为2s22p4。

(6)G基态原子的L层电子排布式为 2s22p4，也是价电子排布式。

(7)H基态原子的外围电子排布式为3d54s1，为Cr；其未成对电子数有6个。

[答案]　(1)N　 (2)Cl　

(3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)

　(4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1(或

[Ar]3d104s1)

(5)2　2p　

(6)2s22p4　(7)

表示电子排布的两类化学用语

(1)电子排布式

(2)

注意：①上述两类化学用语还应注意是原子还是离子，对于阳离子，先失去最外层电子再失去次外层的d电子，如Fe2＋的电子排布式为[Ar]3d6。

②当出现d轨道时，虽然电子按ns、(n－1)d、np的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把(n－1)d放在ns前。

③p、d、f轨道处于半充满、全充满和全空时原子结构稳定，能量低。

命题点2　电子跃迁与原子光谱

4．下列原子的电子跃迁能形成发射光谱的是(　　)

A．1s22s22p63s2―→1s22s22p63p2

B．1s22s22p33s1―→1s22s22p4

C．1s22s2―→1s22s12p1

D．1s22s22p―→1s22s22p

B　[A项，吸收光能，形成吸收光谱；B项，由激发态→基态，释放光能，形成发射光谱；C项，形成吸收光谱；D项，2px与2py能量相同，不属于电子跃迁。]

5．从电子跃迁的角度，说明节日烟花呈现不同颜色光的原理为

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

_____________________________________________________________。

[答案]　吸收能量后，电子从激发态向基态发生跃迁，跃迁时以不同颜色光的形式释放出不同能量

1．用NA表示阿伏加德罗常数的值，则下列说法正确的是________(填序号)。

①(2019·全国卷Ⅱ)3 g 3He含有的中子数为1NA

②(2019·全国卷Ⅱ)48 g正丁烷和10 g异丁烷的混合物中共价键数目为13NA

③(2018·全国卷Ⅰ)22.4 L(标准状况)氩气含有的质子数为18NA

④(2018·全国卷Ⅲ)24 g镁与27 g铝中，含有相同的质子数

⑤(2018·全国卷Ⅲ)1 mol重水与1 mol水中，中子数之比为2∶1

⑥(2018·全国卷Ⅲ)同等质量的氧气和臭氧中，电子数相同

[答案]　①②③⑥

2．(2018·全国卷Ⅱ)W、X、Y和Z为原子序数依次增大的四种短周期元素。W与X可生成一种红棕色有刺激性气味的气体；Y的周期数是族序数的3倍；Z原子最外层的电子数与W的电子总数相同。下列叙述正确的是(　　)

A．X与其他三种元素均可形成两种或两种以上的二元化合物

B．Y与其他三种元素分别形成的化合物中只含有离子键

C．四种元素的简单离子具有相同的电子层结构

D．W的氧化物对应的水化物均为强酸

A　[根据W与X可生成一种红棕色有刺激性气味的气体，可知该气体为NO2，因原子序数递增可知W和X分别为N元素和O元素；结合Y的周期数是族序数的3倍，且Y为短周期元素，则Y只能为Na元素；根据Z原子最外层的电子数与W原子的电子总数相同，且Z为短周期元素可知Z为Cl元素。]

3．(1)(2019·全国卷Ⅱ)①Fe成为阳离子时首先失去________轨道电子，Sm的价电子排布式为4f66s2，Sm3＋价电子排布式为________。

②比较离子半径：F－________O2－(填“大于”“等于”或“小于”)。

(2)(2019·全国卷Ⅰ)下列状态的镁中，电离最外层一个电子所需能量最大的是________(填标号)。

A．[Ne] 　　 B．[Ne]

C．[Ne]  D．[Ne]

(3)(2018·全国卷Ⅰ)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)。

(4)(2018·全国卷Ⅱ)基态Fe原子价层电子的电子排布图(轨道表达式)为____________________________________________________________________，

基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为_____________形。

(5)(2018·全国卷Ⅲ)Zn原子核外电子排布式为____________。

(6)(2017·高考组合)①(全国卷Ⅰ)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。

②(全国卷Ⅱ)氮原子价层电子的轨道表示式(电子排布图)为____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

__________________________________________________________________。

(7)(全国卷Ⅲ)Co基态原子核外电子排布式为_______________________。

元素Mn与O中，第一电离能较大的是________，基态原子核外未成对电子数较多的是________。

[答案]　(1)①4s　4f5　②小于　(2)A　(3)D　C

(4) 　哑铃(纺锤)

 (5)[Ar]3d104s2或1s22s22p63s23p63d104s2　(6)①N　球形　② 　(7)[Ar]3d74s2(或1s22s22p63s23p63d74s2)　O　Mn