1.1.1 能层与能级 基态与激发态 原子光谱 构造原理与电子排布式（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中化学选择性必修2（人教版2019）

第一章　原子结构与性质 第一节　原子结构 第1课时　能层与能级　基态与激发态　原子光谱　构造原理与电子排布式 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.通过认识原子结构及核外电子排布，知道原子核外电子的能级高低顺序，知道处于不同能级的电子，在一定条件下可以发生激发或跃迁。 2．了解原子核外电子排布的构造原理，能书写1～36号元素基态原子的核外电子排布式。 知识点1　能层与能级 1．能层 核外电子按__能量__不同分成能层。电子的能层由__内__向__外__排序，其序号、符号以及所能容纳的最多电子数如表： 能层 一 二 三 四 五 六 七 符号 __K__ __L__ __M__ __N__ __O__ __P__ __Q__ 最多电 子数 __2__ __8__ __18__ __32__ __50__ __72__ __98__ 能层越高，电子的能量__越高__，能量的高低顺序为E(K)__<__E(L)__<__E(M)__<__E(N)__<__E(O)__<__E(P)__<__E(Q)。 2．能级 (1)同一能层的电子，被分成不同能级。能级数__等于__该能层的序数，即第一能层只有__1__个能级(1s)，第二能层有2个能级(2s和2p)，第三能层有3个能级(3s、3p和3d)。 (2)任一能层的能级总是从__s__能级开始。能级的字母代号总是按s、p、d、f……排序的，字母前的数字是它们所处的__能层序数__，它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1,3,5,7…的__2__倍。 (3)多电子原子中，同一能层各能级的能量顺序：E(ns)__<__E(np)__<__E(nd)__<__E(nf)…… (4)能层、能级的符号和所能容纳的最多电子数 能层 1 2 3 4 K L M N 能级 __1s__ 2s 2p 3s 3p 3d __4s__ __4p__ 4d 4f 最多 电子 数 __2__ 2 __6__ 2 6 __10__ 2 6 10 __14__ __2__ __8__ __18__ __32__ 知识点2　基态与激发态　原子光谱 1．基态原子与激发态原子 (1)基态原子：处于__最低能量__状态的原子。 (2)激发态原子：基态原子__吸收__能量，它的电子会跃迁到__较高__能级，变为激发态原子。 2．光谱与光谱分析 (1)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。 (2)光谱分析：在现代化学中，常利用原子光谱上的__特征谱线__来鉴定元素，称为光谱分析。 知识点3　构造原理与电子排布式 1．构造原理 以__光谱学__事实为基础，从氢开始，随__核电荷数__递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理，如图所示： 2．电子排布式 电子排布式中，能级符号右上角的数字表示该能级的__电子数__。如Mg原子的电子排布式中数字和符号的意义： 3．能级交错 随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的，如电子是按__3p→4s→3d__的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充的，这种现象被称为能级交错。构造原理呈现的能级交错源于__光谱学__事实。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)在基态原子中第n能层容纳的电子数一定是2n2。(　×　) (2)最外层电子排布式为4s1的元素一定为K。(　×　) (3)能层序数大，能级的能量一定大。(　×　) (4)原子光谱是核外电子得失所引起的。(　×　) (5)K的电子排布式为1s22s22p63s23p63d1。(　×　) 名师提醒 (1)基态原子中第n能层容纳的电子数最多为2n2。 (2)由构造原理可知E(4s)<E(3d)，所以并不是能层序数大，能级的能量一定大。 (3)原子光谱是电子在不同能级之间发生跃迁形成的，为物理变化。 (4)基态原子电子排布是按照构造原理进行的，并不是从内到外依次填满的。 探究点1　能层与能级的组成以及能量关系 1．英文字母相同的不同能级(如2p、3p)中所能容纳的最多电子数是否相同？ 相同，如2p、3p能级最多容纳的电子数都是6个。 2．以s能级为例，不同能层的s能级间能量有何关系？以第三能层为例，不同能级间能量有何关系？ E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)…；E(3s)<E(3p)<E(3d) 1．能层与能级中的四个数量关系 (1)任一能层，能级数＝能层序数，且总是从s能级开始。 (2)以s、p、d、f…排序的各能级最多容纳的电子数依次为1、3、5、7…的2倍。 (3)每一能层中最多容纳的电子数是能层序数的平方的2倍，即2n2(n代表能层序数)。 (4)不同能层中相同能级所容纳的最多电子数相同。 2．能层中各能级之间的能量大小关系 (1)能层或能级的能量关系 (2)不同能层不同能级的能量高低顺序(存在能级交错)ns<(n－2)f<(n－1)d<np。 【例题1】 下列关于能层与能级的说法中正确的是(　　) A．同一原子中，符号相同的能级，电子能量不一定相同 B．任一能层的能级总是从s能级开始，而且能级数不一定等于该能层序数 C．同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的 D．多电子原子中，每个能层上电子的能量均不相同 思维导引：不同能层和不同能级的电子能量是不同的→同一能层的同一能级上的不同电子能量是相同的。 答案　A 解析　同一原子中，符号相同的能级，电子能量不一定相同，如1s和2s，能量E(2s)＞E(1s)，A项正确；能层含有的能级数等于能层序数，即第n能层含有n个能级，每一能层总是从s能级开始，B项错误；同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数都是2个，C项错误；多电子原子中，同一能层的同一能级上电子的能量相同，D项错误。 【变式1】下列说法正确的是(　　) A．第三能层有s、p 2个能级 B．3d能级最多容纳5个电子 C．第三能层最多容纳8个电子 D．无论是哪一能层的s能级，最多容纳的电子数均为2个 答案　D 解析　每一能层包含的能级数等于该能层的序数，故第三能层有s、p、d三个能级，A项错误；s、d能级最多容纳的电子数分别是2、10，B项错误，D项正确；每一能层最多容纳的电子数为2n2，第三能层最多容纳18个电子，C项错误。 探究点2　基态与激发态、原子光谱 3．霓虹灯为什么能够发出五颜六色的光？ 霓虹灯灯管中装载的气体不同，在高电压的激发下发出的光的颜色不同。例如，在灯管中充入氖气，通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量跃迁到能量较高的能级，处在能量较高的能级上的电子以光的形式辐射能量而跃迁回能量较低的能级，所发出的光的波长恰好位于可见光区域中的红色波段，就看到红色光。 1．电子跃迁的能量变化与可见现象 激发态原子不稳定，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态时，将释放能量。光辐射是电子释放能量的重要形式之一。霓虹灯光、激光、焰火等可见光都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。 2．金属元素的焰色试验的成因 金属原子中，核外电子按一定能级顺序排列，能级离核越远，能量越高。灼(燃)烧时，电子获得能量，能量较低的电子发生跃迁，从基态变为激发态。随即电子又从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态，便以光(辐射)的形式释放能量，形成不同的焰色。 3．光谱分类 【例题2】 对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是(　　) A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量 B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线 C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质 D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应 答案　A 解析　在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生红光，A项正确。 【变式2】如图所示，在物体内部，原子核表面生成光子的过程称作原子核“长毛”，由于原子核与核外电子及周围粒子的相互作用，原子核表面的“毛发”易脱落而成为一个自由态光子，这就是我们通常观察到的运动光子。从原子核脱落的光子，通常和核外电子一样围绕原子核运动，称作束缚态光子。下列说法错误的是(　　) A．电子能级跃迁后的状态为原子的激发态 B．光子的能量不同，获得的光谱图也不同 C．光子和电子一样，都只能绕原子核运动 D．电子能级跃迁前的状态到电子能级跃迁后的状态得到的光谱为原子发射光谱 答案　D 解析　处于最低能量的原子为基态原子，电子能级跃迁后的状态能量不是最低状态，故为原子的激发态，A项正确；光子的能量不同，则对应光的波长不同，故获得的光谱图也不同，B项正确；由题干信息可知，束缚态光子通常和电子一样，只能绕原子核运动，C项正确；电子能级跃迁前的状态到电子能级跃迁后的状态得到的光谱为原子光谱，包括吸收光谱和发射光谱，由低能级跃迁到高能级为吸收光谱，由高能级跃迁回低能级为发射光谱，D项错误。 探究点3　构造原理与电子排布式的书写 4．分别写出23V、26Fe的电子排布顺序和电子排布式。 元素 23V 26Fe 电子排布顺序 1s22s22p63s23p64s23d3 1s22s22p63s23p64s23d6 电子排布式 1s22s22p63s23p63d34s2 1s22s22p63s23p63d64s2 5．元素周期表中钠的电子排布式写成[Ne]3s1，方括号里的符号是什么意义？模仿写出8号、14号、26号元素简化的电子排布式。 方括号里符号的意义是稀有气体元素原子的电子排布结构，表示该元素前一周期的稀有气体元素原子的电子排布结构。如8号O元素为[He]2s22p4；14号Si元素为[Ne]3s23p2；26号Fe元素为[Ar]3d64s2。 1．构造原理的实质 构造原理中的电子排布顺序，其实质是各能级的能量由低到高的顺序。绝大多数原子核外电子的填充顺序符合此规律。 2．“能级交错”现象 当出现d轨道时，电子按ns、(n－1)d、np的顺序在原子轨道上排布；当出现f轨道时，电子按ns、(n－2)f、(n－1)d、np的顺序在原子轨道上排布。从第三能层开始，各能级不完全遵循能层顺序，产生了能级交错排列，即产生“能级交错”现象。 3．简单原子的电子排布式 (1)按构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中。 (2)为了避免电子排布式过于烦琐，我们可以把内层电子达到稀有气体结构的部分，以相应稀有气体元素符号外加方括号来表示。如Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1，其中第一、二能层与Ne(1s22s22p6)的核外电子排布结构相同，所以其电子排布式可简化为[Ne]3s1。 4．复杂的电子排布式 对于较复杂的电子排布式，应先按能量从低到高排列，然后将同一能层的电子移到一起。 例如：26Fe先按能量从低到高排列为1s22s22p63s23p64s23d6，然后，将同一能层的移到一起，即该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，简化为[Ar]3d64s2。 5．特殊原子的电子排布式书写规则 当能级处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。 (1)24Cr的电子排布式的书写 (2)29Cu的电子排布式的书写 6．简单离子的电子排布式的书写 先写原子的电子排布式，然后再得失电子。对于主族元素的原子来说，原子失去电子时，一般只失去最外层电子，而过渡元素的原子可能还会进一步失去内层电子；原子得到电子时，一般总是填充到最外层未填满的能级上。如： 【例题3】 请根据构造原理，写出下列粒子的电子排布式： (1)16S__________________________________________________________。 (2)10Ne__________________________________________________________。 (3)20Ca_________________________________________________________。 (4)26Fe________________________________________________________。 (5)29Cu______________________________________________________。 (6)11Na_______________________________________________。 (7)Cl－____________________________________________。 思维导引：根据构造原理，将相关电子填入对应能级→注意Cu的电子排布“特例”→按照能层由低到高，能级s、p、d顺序书写电子排布式。 解析　根据原子核外电子的排布规律和构造原理书写原子的电子排布式，从3d能级开始会出现“能级交错”现象。 答案　(1)1s22s22p63s23p4 (2)1s22s22p6 (3)1s22s22p63s23p64s2 (4)1s22s22p63s23p63d64s2 (5)1s22s22p63s23p63d104s1 (6)1s22s22p63s1 (7)1s22s22p63s23p6 【变式3】下列基态原子的电子排布式正确的是(　　) A．9F：1s22s22p6 B．O2－：1s22s22p4 C．21Sc：1s22s22p63s23p64s23d1 D．35Br：1s22s22p63s23p63d104s24p5 答案　D 解析　氟原子2p能级应排5个电子，A项错误；O2－的电子排布式应为1s22s22p6，B项错误；书写电子排布式时，应将同一能层的能级移到一起，C项错误。 1．(能层与能级)下列能层不包含d能级的是(　　) A．O能层 B.N能层 C．M能层 D.K能层 答案　D 解析　同一能层的电子可分为不同的能级，K能层只有s能级，L能层有s、p能级，从M能层开始有d能级。故选D项。 2．(原子光谱)激发态原子和基态原子可以通过电子跃迁的方式相互转换，跃迁过程中可得到光谱，下列说法正确的是(　　) A．K元素的焰色试验呈紫红色，其中紫色对应的辐射波长约为700 nm B．利用光谱仪只能测得原子的发射光谱 C．焰色试验是化学变化 D．原子光谱可以用于定性鉴定元素 答案　D 解析　K的焰色试验呈紫红色，其中紫色波长介于380～420 nm之间，A项错误；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，B项错误；焰色试验是物理变化，C项错误；原子光谱可以用于定性鉴定元素，D项正确。 3．(基态与激发态)下列说法正确的是(　　) A．自然界中的所有原子都处于基态 B．同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量 C．无论原子种类是否相同，基态原子的能量总是低于激发态原子的能量 D．激发态原子的能量较高，极易失去电子，表现出较强的还原性 答案　B 解析　自然界中的原子有的处于基态，有的处于激发态，A项错误；同一种原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量，若原子种类不同，则不一定有此规律，B项正确，C项错误；激发态原子的能量较高，容易跃迁到能量较低的激发态或基态，能量降低。激发态原子若要失去电子，仍必须再吸收能量，失去电子的难易程度需根据原子的具体情况而定，有的激发态原子易失去电子，有的激发态原子难失去电子，D项错误。 4．(构造原理与电子排布式)下列属于氟原子激发态的电子排布式且能量较高的是(　　) A．1s22s22p43s1 B.1s22s22p43d2 C．1s22s22p33p2 D.1s22s12p2 答案　C 解析　由题干选项可知，A、C为F原子的激发态，而C为2个2p上的电子激发到3p上，A为1个2p上的电子激发到3s上，故C比A的能量更高，B为Ne原子的激发态，D为B原子的激发态，故选C项。 5．(综合应用)按要求填空： (1)根据构造原理写出下列基态原子或离子的核外电子排布式。 ①A元素原子核外M层电子数是L层电子数的一半：________________。 ②B元素原子的最外层电子数是次外层电子数的1.5倍：________________。 ③基态Ni2＋、Fe3＋、S2－的电子排布式分别为__________________、__________________、__________________。 (2)某元素的最外层电子排布式是4s24p5，则其元素符号为________。 (3)基态Ti2＋中，电子占据的最高的能层符号是________，该能层有________个能级。 (4)写出基态砷原子的电子排布式________，砷位于元素周期表中第________周期第________族。 解析　(1)①L层有8个电子，则M层有4个电子，故A为硅。②当次外层为K层时，最外层电子数则为3，则B为硼；当次外层为L层时，最外层电子数为1.5×8＝12，违背了排布规律，故不可能。③Ni的原子序数为28，根据构造原理，基态Ni原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2，故Ni2＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d8；基态Fe原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，故Fe3＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5；硫原子序数为16，基态硫原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4，故S2－的电子排布式为1s22s22p63s23p6。(2)根据最外层电子排布式可知该元素有4个电子层，最外层有7个电子，位于元素周期表的第四周期第ⅦA族，为Br元素。(3)Ti的原子序数为22，基态Ti原子的电子排布式为[Ar]3d24s2，故基态Ti2＋的电子排布式为[Ar]3d2，电子占据的最高能层符号为M，该能层有3s、3p、3d三个能级。(4)砷的原子序数为33，基态As原子的电子排布式为[Ar]3d104s24p3，位于第四周期第ⅤA族。 答案　(1)①1s22s22p63s23p2　②1s22s22p1　 ③[Ar]3d8　[Ar]3d5　1s22s22p63s23p6　 (2)Br　(3)M　三　(4)[Ar]3d104s24p3　四　ⅤA 学科网（北京）股份有限公司 $$