第一章原子结构

原子结构与性质

1.能层、能级与原子轨道

(1)能层(n)：在多电子原子中，核外电子的是不同的，按照电子的差异将其分成不同能层。通常用K、L、M、N、O、P、Q……表示相应的第一、

二、三、四、五、六、七……能层，能量依次升高。

(2)能级：同一能层里的电子的也可能不同，又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s、p、d、f的顺序升高，即：。

(3)原子轨道：表示电子在原子核外的一个空间。

(4)原子轨道的能量关系

(5)能层、能级与原子轨道的关系

2．原子核外电子的排布规律

(1)构造原理：从氢原子开始，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，这个电子大多是按下图所示的能级顺序填充的，填满一个能级再填一个新能级。这个规律称为构造原理。如图为构造原理示意图，亦即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图：

(2)泡利原理

每个原子轨道里最多只能容纳个电子，且自旋状态。如2s2轨道

上的电子排布图为，不能表示为。

(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，且

自旋状态。如2p3的电子排布图为，不能表示为或

。

洪特规则特例：当能量相同的原子轨道在(p6、d10、f14) (p3、d5、f7)和(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，而不是1s22s22p63s23p63d44s2。

3．电子跃迁与原子光谱

(1)能量最低原理：原子的电子排布遵循能使整个原子的能量

处于状态，简称能量最低原理。

(2)原子的状态

①基态原子：处于的原子。

②激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，从跃迁到状态的原子。

(3)原子光谱：不同元素的原子发生电子跃迁时会或不同的光，用光谱仪记录下来便得到原子光谱。利用原子光谱的特征谱线可以鉴定元素，称为光谱分析。

(4)基态、激发态及光谱示意图

4．原子结构与周期表的关系

(1)原子结构与周期的关系

每周期第一种元素的最外层电子的排布式为n s1。每周期结尾元素的最外层电子排布式除He为1s2外，其余为n s2n p6。

(2)主族和0族元素的价电子排布特点

①主族

②0族：He：1s2；其他：n s2n p6。

(3)元素周期表的分区与价电子排布的关系

①周期表的分区

②根据元素金属性与非金属性可将元素周期表分为金属元素区和非金属元素区(如下图)，处于金属与非金属交界线(又称梯形线)附近的非金属元素，又称为半金属或准金属，但不能叫两性元素。

5．元素周期律

(1)电离能

①第一电离能：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

需要的□74最低能量，符号：□75I1，单位：□76kJ·mol－1。

②规律

a．同周期：第一种元素的第一电离能，最后一种元素的第一电离能最大，总体呈现从左到右逐渐增大的变化趋势。第二、三、四周期的同周期主族元素，第ⅡA 族(n s2n p0)和第ⅤA族(n s2n p3)，因p轨道处于全空或半充满状态，比较稳定，所以其第一电离能大于同周期相邻的ⅢA和ⅥA族元素，如第一电离能Mg>Al，P >S。

b．同族元素：从上至下第一电离能。

c．同种原子：随着电子的逐个失去，阳离子所带的正电荷数越来越多，再失去电子需克服的电性引力越来越大，消耗的能量越来越大，逐级电离能越来越大(即I1

(2)电负性

①含义

用来描述不同元素的原子对键合电子吸引力的大小。电负性越大的原子，对键合电子的吸引力越大。

②标准

以氟的电负性为作为相对标准，得出了各元素的电负性。

③规律

金属元素的电负性一般小于，非金属元素的电负性一般大于，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。

一般来说，同一周期，从左至右，电负性逐渐增大，同一主族，从上至下，电负性逐渐减小。

(3)对角线规则

在元素周期表中，某些主族元素与□96右下方的主族元素的有些性质是相似的，如：

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。

(1)p能级能量一定比s能级的能量高。(×)

错因：3s能级的能量大于2p能级的能量。

(2)磷元素基态原子的电子排布图为

。(×)

错因：磷元素基态原子的电子排布图中3p 能级的排布为：。

(3)价电子排布为5s 25p 1的元素位于第五周期第ⅠA 族，是s 区元素。(×) 错因：价电子排布为5s 25p 1的是第ⅢA_族，是p 区元素。

(4)电子排布式(22Ti)1s 22s 22p 63s 23p 10违反了能量最低原理。(×)

错因：该电子排布式违反了泡利原理。

(5)某些金属及它们的化合物在灼烧时会产生特殊的颜色，是由于电子跃迁时能量以光的形式释放出来。(√)

错因：__________________________________________________________

(6)主族元素的电负性越大，元素原子的第一电离能一定越大。(×)

错因：氧元素的电负性大于氮元素的电负性，但氧原子的第一电离能小于氮原子的第一电离能。

(7)1～36号元素中，原子最外层有3个未成对电子的元素为N 、P 、As 。(√) 错因：__________________________________________________________

(8)根据元素周期律，氮与氧、镁与铝相比，都是后者的第一电离能大。(×) 错因：氮的第一电离能大于氧的，镁的第一电离能大于铝的。

2．教材改编题

(据人教选修三P24 T 6)A 、B 、C 、D 都是短周期元素。A 的原子核外有两个电子层，最外层已达到饱和。B 位于A 元素的下一周期，最外层的电子数是A

最外层电子数的12。C 的离子带有两个单位正电荷，它的核外电子排布与A 元素

原子相同。D 与C 属同一周期，D 原子的最外层电子数比A 的最外层电子数少1。

(1)根据上述事实判断：A 是________，B 是________，C 是________，D 是________(用元素符号填空)。

(2)C 原子的核外电子排布式为________；D 离子的核外电子排布式为________。

(3)B 位于第________周期________族，它的最高价氧化物的化学式是________，最高价氧化物的水化物是一种________酸。

答案 (1)Ne Si Mg Cl

(2)1s 22s 22p 63s 2或[Ne]3s 2 1s 22s 22p 63s 23p 6

(3)三 ⅣA SiO 2 弱

考点一原子核外电子排布原理

[典例1](1)(2018·全国卷Ⅰ)Li是最轻的固体金属，采用Li作为负极材料的电池具有小而轻、能量密度大等优良性能，得到广泛应用。回答下列问题：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是________、________(填标号)。

(2)(2017·全国卷Ⅱ)氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)为________。

(3)(2016·全国卷Ⅱ)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________。

解析(1)根据核外电子排布规律可知Li的基态原子核外电子排布式为1s22s1，则D中能量最低；C中有2个电子处于2p能级上，能量最高。

(2)氮原子的核外电子排布式为1s22s22p3，所以价层电子的轨道表达式(电子

排布图)为。

(3)镍是28号元素依据构造原理、泡利原理、洪特规则及特例，可得镍元素基态原子排布式为：1s22s22p63s23p63d84s2。

答案(1)D C

(2)

(3)1s22s22p63s23p63d84s2或[Ar]3d84s2 2

名师精讲

(1)核外电子排布的表示方法

(2)原子核外电子排布符合构造原理、洪特规则、泡利原理，若违背其一，则电子能量不处于最低状态。

在写基态原子的电子排布图时，常出现以下错误：

(3)半充满、全充满状态的原子结构稳定。

如Cr：3d54s1、Cu：3d104s1。

(4)当出现d轨道时，虽然电子按n s、(n－1)d、n p的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把(n－1)d放在n s前，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2正确，Fe：1s22s22p63s23p64s23d6错误。

(5)由于能级交错，3d轨道的能量比4s轨道的能量高，排电子时先排4s轨道再排3d轨道，而失电子时，却先失4s轨道上的电子。

(6)书写轨道表示式时，空轨道不能省略。如C的轨道表示式为

，而不是。

1．图中所发生的现象与电子的跃迁无关的是()

答案 D

解析燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得的光能都是电子跃迁时能量以光的形式释放出来导致的，而平面镜成像则是光线反射的结果。

2．(1)(2016·全国卷Ⅲ)写出基态As原子的核外电子排布式________________________。

(2)(2016·江苏高考)Zn2＋基态核外电子排布式为__________________。

(3)(2015·福建高考)基态Ni原子的电子排布式为________，该元素位于元素周期表中的第________族。

(4)(2015·安徽高考)N的基态原子核外电子排布式为________；Cu的基态原子最外层有________个电子。

(5)(浙江高考)31Ga基态原子的核外电子排布式是_________________。

(6)(全国卷Ⅰ)基态Fe原子有________个未成对电子，Fe3＋的电子排布式为________。可用硫氰化钾检验Fe3＋，形成的配合物的颜色为________。

答案(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3

(或[Ar]3d104s24p3)

(2)1s22s22p63s23p63d10(或[Ar]3d10)

(3)1s22s22p63s23p63d84s2(或[Ar]3d84s2)Ⅷ

(4)1s22s22p3 1

(5)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)

(6)41s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)血红色

解析(1)根据构造原理即可写出As的电子排布式。

(2)Zn2＋核外有28个电子，电子排布式为

1s22s22p63s23p63d10。

(3)Ni是28号元素，位于元素周期表的第四周期Ⅷ族，基态Ni原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2。

(4)N为7号元素，故基态原子核外电子排布式为1s22s22p3，铜基态原子核外价电子排布式为3d104s1，故基态原子最外层有1个电子。

(6)基态铁原子的价电子排布式为3d64s2,3d能级轨道示意图为

，有4个未成对电子，Fe3＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，Fe(SCN)3溶液呈血红色。

3．(1)(2018·青岛市一模)①在现代化学中，常利用________上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。

②写出Cu2＋的外围电子排布式________。

(2)(2018·太原市一模)基态Fe3＋的价电子排布式为：______________。

(3)(2018·石家庄市质检一)基态Cu原子的价层电子的轨道表达式为____________________，其核外电子共占据________个能级。

(4)(2018·广东省二模)原子序数小于36的元素Q和T，在周期表中既位于同一周期又位于同一族，且T的原子序数比Q多2。T的基态原子的外围电子(价电子)排布式为________，Q2＋的未成对电子数是________。

答案(1)①原子光谱②3d9(2)3d5

(3)7(4)3d84s2 4

解析(1)②Cu是29号元素，电子排布式为：[Ar]3d104s1，Cu2＋的外围电子排布式为3d9。

(2)铁元素是26号元素，铁原子核外有26个电子，根据构造原理知其基态

原子核外电子排布方式，铁原子失去3个电子变为铁离子，铁离子核外有23个电子，3d电子为其价电子，铁离子3d能级上有5个电子，4s能级上没有电子，所以其价电子排布式为：3d5。

(3)Cu元素为29号元素，原子核外有29个电子，所以核外电子排布式为

1s22s22p63s23p63d104s1，价层电子的轨道表达式为，其核外电子共占据7个能级。

(4)Q、T位于同一周期的同一族，且T的原子序数比Q多2，则断定Q、T 位于第四周期第Ⅷ族，Q为Fe，T为Ni，Ni的基态原子的价电子排布式为3d84s2，

Fe2＋的3d轨道有6个电子，电子排布图为，所以未成对电子数为4。

考点二原子结构与元素的性质

[典例2](1)(2017·全国卷Ⅱ)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)。第二周期部分元素的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

_____________________________________________________________。

(2)(2016·全国卷Ⅰ)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电负性由大至小的顺序是____________。

解析(2)元素的非金属性越强，原子吸引电子能力越强，元素的电负性越大。

答案(1)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，具有额外稳定性，故不易结合一个电子

(2)O>Ge>Zn

名师精讲

(1)电离能的应用

判断元素的化合价

如果某元素的I n＋1?I n，则该元素的常见化合价为＋n，如钠元素I2?I1，所以钠元素的化合价为＋1。

(2)电负性的应用

①确定元素类型(电负性>1.8，一般为非金属元素；电负性<1.8，一般为金属元素)。

②确定化学键类型(一般来说，两成键元素电负性差值>1.7，为离子键；两成键元素电负性差值<1.7，为共价键)。

③判断化合物中元素价态正、负(电负性大的元素呈现负价，电负性小的元素呈现正价)。

④判断元素金属性和非金属性的强弱。

(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。

(4)同周期元素，从左到右，非金属性越来越强，电负性越来越大，第一电离能总体呈增大趋势。元素第一电离能变化的反常情况：ⅡA族和ⅤA族元素的第一电离能分别比同周期相邻元素的第一电离能都高。

4．(1)元素C、N、O、K的电负性从大到小依次为________。

(2)CH4中共用电子对偏向C，SiH4中共用电子对偏向H，则C、Si、H三种元素的电负性由大到小的顺序为________________________。

答案(1)O>N>C>K(2)C>H>Si

解析(1)第二周期从左到右依次为C、N、O，电负性逐渐增大，K位于第四周期最左边，所以电负性最小。

(2)共用电子对偏向电负性大的原子，所以C的电负性大于H的电负性，Si 的电负性小于H的电负性。

5．(1)(2018·广东省二模)铜元素在周期表中的位置是__________________，[Cu(NH3)4]SO4中，N、O、S三种元素的第一电离能由大到小的顺序为________。

(2)(2018·石家庄市质检一)甲醇可以在铜作催化剂的条件下直接氧化成甲醛(HCHO)；甲醇和甲醛的组成元素的电负性由小到大的顺序为________。

(3)(2018·青岛市一模)第四周期过渡元素如铁、锰、铜、锌等在太阳能电池、磁性材料等科技方面有广泛的应用，回答下列问题：比较铁与锰的第三电离能(I3)：铁________锰(填“＞”“＝”或“＜”)，原因是_______________________。

答案(1)第四周期ⅠB族N＞O＞S

(2)H、C、O

(3)

(2)元素非金属性越强电负性越大，则其组成元素C、H、O的电负性由小到大的顺序为H、C、O。

建议用时：40分钟满分：100分

一、选择题(每题6分，共72分)

1．下列关于钠元素的几种表达式错误的是()

A．基态Na＋的电子排布图：

B．基态Na＋的结构示意图：

C．基态Na的电子排布式：1s22s22p63s1

D．基态Na的简化电子排布式：[Na]3s1

答案 D

解析Na的简化电子排布式为[Ne]3s1。

2．下列有关电子排布图的表述正确的是()

A.可表示单核10电子粒子基态时电子排布

B.此图错误，违背了泡利原理

C.表示基态N原子的价电子排布

D.表示处于激发态的B的电子排布图

答案 A

解析A项，单核10电子粒子基态时电子排布式为1s22s22p6，每个轨道内排布2个电子，自旋方向相反，正确；B项，此图违背了洪特规则，错误；C项，

正确的价电子排布图为，错误；D项，该电子排布图中的电子没有跃迁到能量更高的轨道上，错误。

3．(2018·天水模拟)下列轨道表示式能表示氮原子的最低能量状态的是()

答案 A

解析A项，符合电子的基态排布原理，表示氮原子的最低能量状态，正确；

B、C项，2p的3个电子排布违背洪特规则，不是基态原子的排布，错误；D项，表示B原子的基态核外电子，错误。

4．已知元素X、Y同周期，且电负性X>Y，下列说法错误的是()

A．X的原子序数一定大于Y

B．第一电离能Y一定小于X

C．X和Y在形成化合物时，X显负价、Y显正价

D．气态氢化物的稳定性：H m X大于H n Y

答案 B

解析由电负性大小可知X在Y的右边，A、C、D均正确；如果Y、X分别是ⅤA、ⅥA族，因为第ⅤA族最外层p能级半充满，所以Y的第一电离能大于X，B错误。

5．(2018·福州模拟)微粒M和N，肯定属于同族元素且化学性质相似的是()

A．原子核外电子排布式：M为1s22s2，N为1s2

B．结构示意图：

C．M原子基态2p轨道上有一对成对电子，N原子基态3p轨道上有一对成对电子

D．M原子基态2p轨道上有1个未成对电子，N原子基态3p轨道上有1个未成对电子

答案 C

解析A项，M为Be，N为He，两者不属于同族，错误；B项，前者属于原子，后者属于离子，性质不相似，错误；C项，推断出M为O，N为S，属于同主族，性质具有相似性，正确；D项，有可能M为B、F，N为Al、Cl，不一定属于同一主族，错误。

6．下列说法中正确的是()

A．任何一个能层最多只有s、p、d、f四个能级

B．用n表示能层序数，则每一能层最多容纳电子数为2n2

C．核外电子运动的概率分布图(电子云)就是原子轨道

D．电子的运动状态只可从能层、能级、轨道3个方面进行描述

答案 B

解析在多电子原子中，同一能层的电子能量也不同，还可以把它们分成能级，随着能层数的增大，能级逐渐增多，能级分为s、p、d、f等，A错误；多电子的原子核外电子的能量是不同的，按电子的能量差异，可将核外电子分成不同的能层，用n表示能层序数，则每一能层最多容纳电子数为2n2，B正确；电子云就是用小黑点疏密来表示空间电子出现概率密度大小的一种图形，电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道，核外电子运动的概率密度分布图(电子云)并不完全等同于原子轨道，C错误；电子的运动状态可从能层、能级、轨道、自旋方向4个方面进行描述，D错误。

7．下列说法错误的是()

A．n s电子的能量不一定高于(n－1)p电子的能量

B．6C的电子排布式1s22s22p2x违反了洪特规则

C．电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了构造原理

D．电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了泡利原理

答案 A

解析n s电子的能量一定高于(n－1)p电子的能量，A错误；对于C原子来说，2p能级有3个能量相同的原子轨道，最后2个电子应以自旋状态相同的方式分布在两个不同的2p轨道上，违反了洪特规则，B正确；根据轨道能量高低顺序可知E4s

8．周期表共有18个纵行，从左到右排为1～18列，即氢和碱金属为第1列，稀有气体元素为第18列。按这种规定，下列说法正确的是() A．第9列元素中没有非金属元素

B．只有第2列的元素原子最外层电子排布为n s2

C．第四周期第9列元素是铁元素

D．第10、11列为ds区

答案 A

解析A项，第9列中元素是第Ⅷ族元素，都是金属元素，没有非金属元素，正确；B项，第2列的元素原子最外层电子排布为n s2，此外He核外电子排布是1s2，也符合该最外层电子排布，错误；C项，第四周期第9列元素是Co元素，错误；D项，第11、12列元素为ds区，错误。

9．下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是()

A．原子核外电子排布式为1s2的X原子与原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子

B．原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子

C．2p轨道上只有2个电子的X原子与3p轨道上只有2个电子的Y原子D．最外层都只有一个电子的X、Y原子

答案 C

解析A中1s2结构的原子为He,1s22s2结构的原子为Be，两者性质不相似；B项X原子为Mg，Y原子N层上有2个电子的有多种元素，如第四周期中Ca、Fe等都符合，化学性质不一定相似；C项为同主族的元素，化学性质一定相似；D项最外层只有1个电子的可能是第ⅠA族元素，过渡元素中也有很多最外层只有1个电子的元素，故性质不一定相似。

10．现有四种元素的基态原子的电子排布式如下：

①1s22s22p63s23p4；②1s22s22p63s23p3；③1s22s22p3；④1s22s22p5。则下列有关比较中正确的是()

A．第一电离能：④>③>②>①

B．原子半径：④>③>②>①

C．电负性：④>③>②>①

D．最高正化合价：④>①>③＝②

答案 A

解析①表示S，②表示P，③表示N，④表示F。第一电离能：F>N>P>S，A正确；原子半径：P>S>N>F，B错误；电负性：F>N>S>P，C错误；F无正价，D错误。

11．(2018·济南模拟)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1

5的原子和最外层电子排布式为4s

24p5的

原子

答案 C

解析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1

5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1

5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。

12．(2018·东北育才模拟)已知X、Y是主族元素，I为电离能，单位是kJ·mol －1。请根据下表数据判断，错误的是()

A．元素X的常见化合价是＋1价

B．元素Y是ⅢA族元素

C．元素X与氯形成化合物时，化学式可能是XCl

D．若元素Y处于第三周期，它可与冷水剧烈反应

答案 D

解析X为第ⅠA族元素，Y为第ⅢA族元素；D项，若元素Y处于第三周期，则Y为Al，Al不与冷水反应。

二、非选择题(共28分)

13．(9分)现有七种元素，其中A、B、C、D、E为短周期主族元素，F、G 为第四周期元素，它们的原子序数依次增大。请根据下列相关信息，回答问题。

(1)已知BA5为离子化合物，写出其电子式：________。

(2)B元素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。

(3)某同学根据上述信息，推断C基态原子的核外电子排布图为

，该同学所画的电子排布图违背了____________。

(4)G位于第________族________区，该元素的核外电子排布式为________________________________________________________________。

(5)检验F元素的方法是____________，请用原子结构的知识解释产生此现象的原因：____________________________________________________________ _____________________________________________________________________ __________________________________________________________________。