2021版高考化学鲁科版一轮教师用书：第12章第1节　原子结构

第1节　原子结构

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 。

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　

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]　

◎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

原子结构与元素的性质

1．元素周期表的结构与性质特点

2.原子半径

(1)影响

因素

(2)变化规律

元素周期表中的同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小；同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大。

3．电离能

(1)定义：气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最小能量叫做电离能。

(2)规律

①同周期：第一种元素的第一电离能最小，最后一种元素的第一电离能最大，总体呈现从左至右变大的变化趋势。

②同族元素：从上至下第一电离能逐渐变小。

③同种元素的逐级电离能逐渐变大，即I1<I2<I3。不同电子层的逐级电离能发生突跃，如Na的I1≪I2。

(3)电离能的3个重要应用

①判断元素的金属性和非金属性强弱。I1越大，元素的非金属性越强；I1越小，元素的金属性越强。

②判断元素在化合物中的化合价。如K：I1≪I2<I3表明K原子易失去1个电子形成＋1价阳离子。

③判断元素核外电子的分层排布情况。如Li：I1≪I2<I3表明Li原子核外的三个电子排布在两个电子层(K、L)上，且最外层上只有一个电子。

4．电负性

(1)概念

用来表示两个不同原子形成化学键时吸引电子能力的相对强弱。

(2)意义

电负性越大，其原子在化合物中吸引电子的能力越强。利用电负性的大小可以判断元素的金属性和非金属性的强弱。如电负性最大的元素为氟元素。

(3)标准

以最活泼的非金属氟的电负性为4.0和锂的电负性为1.0作为相对标准，计算得出其他元素的电负性(稀有气体元素未计)。

(4)变化规律

①金属元素的电负性一般较小，非金属元素的电负性一般较大，而位于非金属三角区边界的“类金属”(如锗、锑等)的电负性则在1.8左右，它们既有金属性，又有非金属性。

②在元素周期表中，同周期从左至右，元素的电负性逐渐增大；同主族从上至下，元素的电负性逐渐减小。

(5)电负性的一般应用

①判断元素金属性、非金属性强弱。电负性越大，非金属性越强，金属性越弱。

②判断化学键的类型。一般认为：如果两种成键原子间的电负性差值大于1.7，通常形成离子键；若差值小于1.7，通常形成共价键。如AlCl3的电负性差＜1.7，Al—Cl为共价键。

③判断元素在化合物中的价态。共价化合物中，成键元素电负性大的表现负价。如ClO2中氧元素呈－2价。

(6)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。

◎命题点1　元素周期表与元素周期律

1．第4周期有14种金属元素，其中4种为主族元素，10种为过渡元素。

(1)锰元素在周期表中的位置为________；属于________区元素(填“s”“p”“d”“ds”或“f”)。

(2)基态铬原子的价电子排布式为________，与铬同周期的所有元素的基态原子中，最外层电子数与铬原子相同的有________。

(3)As、Se、Br元素的电负性由大到小的顺序为______，第一电离能由大到小的顺序为________。

(4)铜、锌两种元素的第一电离能、第二电离能如表所示：

铜的第一电离能(I1)小于锌的第一电离能，而铜的第二电离能(I2)却大于锌的第二电离能，其主要原因是______________________________________

___________________________________________________________。

[答案]　(1)第4周期ⅦB族　d

(2)3d54s1　K、Cu

(3)Br>Se>As　Br>As>Se

(4)Cu失去一个电子变成电子结构为[Ar]3d10的Cu＋，能量较低，结构稳定，所以Cu的第二电离能相对较大(或Zn失去一个电子变成电子结构为[Ar]3d104s1的Zn＋，易再失去一个电子，所以Zn的第二电离能相对较小或Cu原子失去一个电子后，核外电子排布式为[Ar]3d10，而锌原子失去1个电子后的核外电子排布式变为[Ar]3d104s1，铜达到了较稳定状态，所以Cu的第二电离能相对较大)

2．下表是某些元素的电负性值：

(1)根据对角线规则，Be、Al元素最高价氧化物对应水化物的性质相似，它们都具有________性，其中Be(OH)2显示这种性质的离子方程式是______________________________________________。

(2)通过分析电负性值的变化规律，确定Mg元素的电负性值的最小范围________。

(3)请归纳元素的电负性和金属性、非金属性的关系是

___________________________________________________________。

(4)推测AlF3、AlCl3、AlBr3是离子化合物还是共价化合物。

AlF3________，AlCl3________，AlBr3________。

[答案]　(1)两　Be(OH)2＋2H＋===Be2＋＋2H2O、Be(OH)2＋2OH－===BeO＋2H2O　(2)0.9～1.5

(3)非金属性越强，电负性越大；金属性越强，电负性越小

(4)离子化合物　共价化合物　共价化合物

3．已知电负性：C—2.5、N—3.0、O—3.5、S—2.5。某有机化合物结构简式为

(1)S===O键中共用电子对偏向________(写原子名称，下同)，S—N键中共用电子对偏向________。

(2)N的化合价为________。

[解析]　共用电子对偏向电负性大的原子。

[答案]　(1)氧　氮　(2)－3

◎命题点2　“位—构—性”的综合推断

4．A、B、C、D、E、F为原子序数依次增大的六种元素，其中A、B、C、D、E为短周期元素，F为第4周期元素，F还是前四周期中电负性最小的元素。

已知：A原子的核外电子数与电子层数相等；B元素原子的核外p电子数比s电子数少1个；C原子的第一至第四电离能为I1＝738 kJ·mol－1，I2＝1 451 kJ·mol－1，I3＝7 733 kJ·mol－1，I4＝10 540 kJ·mol－1；D原子核外所有p轨道为全充满或半充满；E元素的族序数与周期序数的差为4。

(1)写出E元素在周期表中的位置：_______________________；

D元素原子的核外电子排布式：________________；D、F分别在的区为________。

(2)B、C、D电负性大小顺序为__________________________(填元素符号)。

(3)D、E的第一电离能：D________E(填“<”“>”或“＝”)。

(4)某同学根据题目信息和掌握的知识分析C的轨道表示式为。该同学所画的核外电子排布图违背了___________________。

[解析]　由题意分析知F为K，A为H，B为N；由电离能知C的＋2价稳定，为Mg，D为P，E为Cl。

[答案]　(1)第3周期ⅦA族　1s22s22p63s23p3　p和s区　(2)N>P>Mg　(3)<　(4)能量最低原理

5．(2019·信阳模拟)A、B、C三种短周期元素，它们的原子序数依次增大。A元素原子的核外p电子数比s电子数少1；B元素原子核外有4种能级，且全部充满电子；C元素的主族序数与周期数的差为4。

(1)A的基态原子中能量最高的电子，其电子云在空间有________个方向，原子轨道呈________形。

(2)某同学推断B的基态原子的轨道表示式为

，该同学所画的轨道表示式违背了________________________。

(3)C位于________族________区，价电子排布式为________。

(4)A与氧的第一电离能较大的为________，电负性较大的为________(填元素符号)。

[解析]　根据题意可知A为N，B为Mg，C为Cl。

[答案]　(1)3　哑铃　(2)泡利原理　(3)ⅦA　p　3s23p5　(4)N　O

1．(1)(2019·全国卷Ⅱ，节选)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，节选)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)。

(3)(2019·全国卷Ⅲ，节选)在周期表中，与Li的化学性质最相似的邻族元素是________，该元素基态原子核外M层电子的自旋状态________(填“相同”或“相反”)。

[答案]　(1)①4s　4f5　②小于

(2)A

(3)Mg　相反

2．(2018·全国卷Ⅰ，T35(1)(2))(1)下列Li原子轨道表示式表示的状态中，能量最低和最高的分别为________、______(填标号)。

(2)Li＋与H－具有相同的电子构型，r(Li＋)小于r(H－)，原因是___________________________________________________________。

[解析]　(1)根据能级能量E(1s)<E(2s)<E(2p)判断，能量最低的为D，能量最高的为C。(2)Li＋和H－的电子层结构相同，而具有相同电子层结构的离子半径大小与核电荷数有关，核电荷数越大，离子半径越小。

[答案]　(1)D　C

(2)Li＋的核电荷数大于H－的核电荷数，对核外电子的吸引力大，r(Li＋)＜r(H－)

3．(1)(2018·全国卷Ⅱ，T35(1))基态Fe原子价电子的电子排布图(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。

(2)(2018·全国卷Ⅲ，T35(1)(2))

①Zn原子核外电子排布式为____________________________。

②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)________I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是

___________________________________________________________

___________________________________________________________。

[解析]　(1)基态Fe原子核外有26个电子，按照构造原理，其核外电子排布式为[Ar]3d64s2，按照洪特规则，价电子3d上6个电子优先占据5个不同轨道，故价电子的电子排布图为。基态S原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，电子占据最高能级为3p，p能级的电子云轮廓图为哑铃(纺锤)形。

(2)①Zn原子核外有30个电子，其电子排布式为[Ar]3d104s2。②Cu原子的外围电子排布式为3d104s1，较易失去一个电子，而Zn原子的4s能级处于全充满状态，较难失去电子，所以Zn原子的第一电离能较大。

[答案]　(1) 　哑铃(纺锤)

(2)①[Ar]3d104s2或1s22s22p63s23p63d104s2

②大于　Zn核外电子排布为全满稳定结构，较难失电子

4．(2017·高考组合)(1)(全国卷Ⅰ)基态K原子中，核外电子占据最高电子层的符号是________，占据该电子层电子的电子云轮廓图形状为________。

(2)(全国卷Ⅱ)①氮原子价电子的轨道表示式(电子排布图)为___________________________________________________________。

②元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能(E1)。第2周期部分元素的E1变化趋势如图所示，其中除氮元素外，其他元素的E1自左而右依次增大的原因是________________________________________________；

氮元素的E1呈现异常的原因是______________________。

(3)(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)N　球形　(2)①

②同周期元素随核电荷数依次增大，原子半径逐渐变小，故结合一个电子释放出的能量依次增大　N原子的2p轨道为半充满状态，具有稳定性，故不易结合一个电子

(3)[Ar]3d74s2(或1s22s22p63s23p63d74s2)　O　Mn