内容正文:
第10讲 原子结构 原子核外电子排布
考点一 原子结构与核素、同位素
1.原子结构
(1)原子的构成离子。
(2)构成原子或离子的微粒间的数量关系。
①质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。
②原子中:质子数=核电荷数=核外电子数
= 原子序数 。
③阳离子的核外电子数=质子数 - 阳
离子所带电荷数。
④阴离子的核外电子数=质子数 + 阴
离子所带电荷数。
(3)表示方法。
2.核素、同位素
(1)核素:具有一定数目质子和一定数目中
子的一种原子。
(2)同位素。
①概念: 质子数 相同而 中子数 不同
的同一元素的不同原子互称为同位素,即同
一元素的不同核素互称为同位素。
②同一元素的各同位素虽然质量数不同,但
它们的化学性质 基本相同 。
③天然存在的同位素,相互间保持一定的
比率。
④同位素的“六同三不同”。
1.原子结构
原子由原子核和核外电子构成,原子核由质
子和中子构成,原子的核外电子排布遵循一
定规律,但在有些情况下,也存在一些特例,
需要特别注意:
(1)原子中不一定都含有中子,如11H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;
360
(3)易失去1个电子形成+1价阳离子的原
子不一定是金属原子,如氢原子失去1个电
子形成 H+;
(4)元素的最高化合价不一定等于元素原子
的最外层电子数,如F、O等;
(5)形成稳定结构的离子最外层不一定是8
个电子,如 H+、Li+等。
2.元素、核素、同位素的联系与区别
(1)同位素在元素周期表中处于同一位置,
使用同一元素符号。如氕、氘、氚在元素周
期表中都处于同一位置,氢的同位素一般可
用不同的符号来表示,如 H(11H)、D(21H)、
T(31H)。
(2)同位素的化学性质几乎完全相同,物理
性质差异较大。
(3)同位素之间的转化不属于化学变化。
(4)同位素之间可形成不同的单质分子。如
氢的三种同位素形成的氢分子有六种:H2、
D2、T2、HD、HT、DT,它们的物理性质(如
密度)有所不同,但化学性质几乎完全相同。
(5)同位素之间可形成不同的共价化合物分
子。如水分子有 H2O(普通的水)、D2O(重
水)、T2O(超 重 水)等。H、D、T 与16O、
17O、18O可形成3×6=18种水分子,它们的
相对分子质量不一定相同,物理性质(如密
度)有所不同,但化学性质几乎完全相同。
13
8O、158O的半衰期很短,自然界中不能
稳定存在。人工合成反应如下:168O+32He
→138O+abX;168O+32He→158O+mnY。下列说
法正确的是 ( )
A.X的中子数为2
B.X、Y互为同位素
C.138O、158O可用作示踪原子研究化学反应
历程
D.自然界不存在138O2、158O2 分子是因其化学
键不稳定
38Sr(锶)的87Sr、86Sr稳定同位素在同一
地域土壤 中87Sr/86Sr值 不变。土 壤 生 物
中87Sr/86Sr值与土壤中87Sr/86Sr值有效相
关。测定土壤生物中87Sr/86Sr值可进行产
地溯源。下列说法不正确
∙∙∙
的是 ( )
A.Sr位于元素周期表中第六周期、第ⅡA族
B.可用质谱法区分87Sr和86Sr
C.87Sr和86Sr含有的中子数分别为49和48
D.同一地域产出的同种土壤生物中87Sr/86
Sr值相同
考点二 原子核外电子及其排布规律
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
能量 是不同的,按照电子的 能量 差
异将其分成不同能层。通常用 K、L、M、N
……表示,能量依次升高。
(2)能级:同一能层里电子的 能量 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 的顺序依次升高,即
E(s)<E(p)<E(d)<E(f) 。
460
(3)原子轨道:电子云轮廓图给出了电子
在核外经常出现 的区域。这种电子云
轮廓图称为原子轨道。s电子的原子轨道
呈 球形 ,p电子的原子轨道呈 哑铃形
(或纺锤形) 。
(4)能层、能级与原子轨道之间的数目关系
能层(n) 能级 最多容纳电子数
序数 符号 符号
原子轨
道数
各能级 各能层
一 K 1s 1 2 2
二 L
2s 1 2
2p 3 6
8
三 M
3s 1 2
3p 3 6
3d 5 10
18
四 N
4s 1 2
4p 3 6
4d 5 10
4f 7 14
32
… … … … … …
n … … … …
[注意] 原子轨道数与能层序数(n)的关系
为原子轨道数目=n2,每个轨道能容纳2个
电子,故每一能层最多可容纳的电子数是
2n2 。
(5)原子轨道的能量关系
①相同能层上原子轨道能量的高低:ns<np
<nd<nf。
②形状相同的原子轨道能量的高低:1s<2s
<3s<4s……
③同一能层内形状相同而伸展方向不同的
原子轨道的能量相等,如npx、npy、npz 轨道
的能量相等。
2.基态原子的核外电子排布
(1)能量最低原理
电子优先占据 能量低 的轨道,然后依次
进入 能量较高 的轨道,使整个原子的能
量处于 最低 状态。电子进入各能级的
顺序如构造原理示意图所示:
(2)泡利原理
在一个原子轨道中,最多只能容纳 2 个
电子,而且它们的 自旋状态 相反。如
2s轨 道 上 的 电 子 排 布 为 ↑↓
2s
,不 能 表 示
为 ↑↑
2s
。
(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 的电
子排布为
2p
↑ ↑ ↑
,不能表示为 2p
↑↓ ↑
或
2p
↑ ↓ ↑
。
[注意] 洪特规则特例:当能量相同的原子
轨道在全满(p6、d10、f14)、半满(p3、d5、f7)和
全空(p0、d0、f0)状态时,体系的能量最低,如24
Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1 或
[Ar]3d54s1,而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
560
(4)核外电子排布的表示方法
①核外电子排布式
用数字在能级符号右上角标明该能级上
排布的电子数的式子。在书写电子排布式
时,能层低的能级要写在左边,不能按填
充顺序写,如Cu原子的核外电子排布式为
1s22s22p63s23p63d104s1 ,其简化电子排布式
为 [Ar]3d104s1 ,而不能写成[Ar]4s13d10。
②电子排布图
用方框表示原子轨道,用“↑”或“↓”表示自
旋状态不同的电子,按电子在轨道中的排布
情况书写。如S原子的电子排布图为
1s
↑↓
2s
↑↓
2p
↑↓↑↓↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓ ↑ ↑
3.基态、激发态及光谱示意图
1.能层与能级中的数量关系
(1)一至七能层的符号分别为 K、L、M、N、
O、P、Q,各能层容纳的最多电子数为2n2。
(2)s、p、d、f能级中最多容纳的电子数分别
为2、6、10、14。
(3)能级数等于能层序数,英文字母相同的
不同能级中所能容纳的最多电子数相同。
2.能层、能级、原子轨道
能层 能级
原子轨
道数
原子轨
道名称
电子云轮
廓图形状
K 1s 1 1s 球形
L 2s、2p 1、3
2s、2px
2py、2pz
球形
哑铃形
M
3s、3p、
3d
1、3、5
3s、3px、3py、
3pz……
球形
哑铃形……
…… …… …… …… ……
3.能层和能级中的能量关系
能层、
能级
中的
能量
关系
相同
能层
相同
能级 E(npx)=E(npy)=E(npz)→ 不同
能级 E(ns)<E(np)
<E(nd)<E(nf)
→
不同
能层
符号相
同的能级 E(1s)<E(2s)
<E(3s)……
→
符号不同
的能级 符合构造原理:ns< (n-
2)f< (n-1)d<np
→
4.电子排布式的书写方法
(1)简单原子:按照构造原理将电子依次填
充到能量逐渐升高的能级中。
(2)复杂原子:先按构造原理从低到高排列,
然后将同能层的能级移到一起。
(3)特殊原子:当p、d、f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。如24Cr:
先按能量最低原理
从低到高排列
3d5 为半充满状态
较稳定,因此需将
4s的一个电子调整
到3d能级上
↓
→
将同一能层的排在一起
↓
→
1s22s22p63s23p64s23d4→
1s22s22p63s23p64s13d5
↓
1s22s22p63s23p63d54s1
↓
(4)离子的电子排布式。
①判断该原子变成离子时会得到或失去的
电子数。
②原子失去电子时,总是从能量高的能级失
去电子,即失去电子的顺序是由外向里。一
般来说,主族元素只失去它们的最外层电
子,而副族和第Ⅷ族元素可能还会进一步向
里失去内层电子。
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③原子得到电子而形成阴离子,则得到的电
子填充在最外一个能层的某一个能级上。
如Cl-的电子排布式为1s22s22p63s23p6(得
到的电子填充在最外面的3p能级上)。
5.核外电子排布式的书写注意事项
(1)在写基态原子的电子排布式时,常出现
以下错误:
① ↑ ↑ ↑ (违反能量最低原理)。
②↑↑(违反泡利原理)。
③ ↑ ↓ (违反洪特规则)。
(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,即将能层低的能
级写在前,而不能按填充顺序写,如Fe:
1s22s22p63s23p63d64s2。
(3)注意比较原子核外电子排布式、简化电
子排布式、价电子排布式的区别与联系。如
Cu的电子排布式:1s22s22p63s23p63d104s1;
简化电子排布式:[Ar]3d104s1;价电子排布
式:3d104s1。
(2023·全国甲卷)W、X、Y、Z为短周期
主族元素,原子序数依次增大,最外层电子
数之和为19。Y的最外层电子数与其K层
电子数相等,WX2 是形成酸雨的物质之一。
下列说法正确的是 ( )
A.原子半径:X>W
B.简单氢化物的沸点:X<Z
C.Y与X可形成离子化合物
D.Z的最高价含氧酸是弱酸
(2024·湖北卷)主族元素 W、X、Y、Z
原子序数依次增大,X、Y的价电子数相等,
Z的价电子所在能层有16个轨道,4种元素
形成的化合物如图。下列说法正确的是
( )
Z+ [X Y
X
X
X W]-
A.电负性:W>Y
B.酸性:W2YX3>W2YX4
C.基态原子的未成对电子数:W>X
D.氧化物溶于水所得溶液的pH:Z>Y
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考点二
经典例题剖析
例1 C 分析:NH4Cl分解的产物是NH3和 HCl,分解得
到的 HCl与 MgO反应生成 Mg(OH)Cl,Mg(OH)Cl又
可以分解得到 HCl和 MgO,则a为NH3,b为 Mg(OH)
Cl,c为 HCl,d为 MgO。
解析:由分析可知,a为 NH3,c为 HCl,A 项错误;d为
MgO,B错误;可以水解生成 Mg(OH)Cl,通入水蒸气可
以减少 MgCl2的生成,C正确;反应①和反应②相加即为
氯化铵直接分解的反应,由盖斯定律可知,等压条件下,
反应①、反应②的反应热之和等于氯化铵直接分解的反
应热,D错误;故选C。
例2 C 要制备氮化镁,需要除去空气中的氧气、CO2 和
水蒸气,则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸,
A错误;若去掉装置C,镁与氧气反应生成氧化镁,对产品
纯度有影响,B错误;实验时,应先加热装置C,通入一段
时间空气除去氧气,然后再加热装置D,C正确;装置E中
碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳,避免
进入D中干扰实验,D错误。
考点三
经典例题剖析
例1 C 烟气(含 HF)通入吸收塔,加入过量的碳酸钠,发
生反应 Na2CO3+2HF2NaF+H2O+CO2↑,向合
成槽中通入 NaAlO2,发生反应6NaF+NaAlO2+2CO2
Na3AlF6+2Na2CO3,过 滤 得 到 Na3AlF6 和 含 有
Na2CO3的滤液。陶瓷的成分中含有SiO2,SiO2 能与烟
气中的 HF发生反应,因此不宜用陶瓷作吸收塔内衬材
料,故 A正确;采用溶液喷淋法可增大反应物的接触面
积,提高吸收塔内烟气吸收效率,故B正确;由上述分析
可知,合成槽内发生反应6NaF+NaAlO2+2CO2
Na3AlF6+2Na2CO3,产物是 Na3AlF6 和 Na2CO3,故C
错误;由上述分析可知,滤液的主要成分为Na2CO3,可进
入吸收塔循环利用,故D正确;答案选C。
例2 答案:(1)AlO-2 +CO2+2H2O Al(OH)3↓
+HCO-3
(2)Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O
FeCl3+3H2O Fe(OH)3+3HCl,加热促进水解.且
氯化氢挥发,使平衡右移,生成氢氧化铁,氢氧化铁受热
分解,生成氧化铁,2Fe(OH)3
△
Fe2O3+3H2O
解析:(1)该反应为NaAlO2 溶液与CO2 的反应,离子方
程式为AlO-2 +CO2+2H2OAl(OH)3↓+HCO-3 。
(2)沉淀乙中只有Fe2O3与盐酸反应,该反应的离子方程
式为Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O。充分反应过滤后
所得滤液为FeCl3与HCl的混合溶液,加热蒸干时FeCl3
发生水解反应得到Fe(OH)3,灼烧时Fe(OH)3发生分解
反应得到Fe2O3。
考点四
经典例题剖析
例1 C Cl2具有强氧化性,与多价态金属反应时,生成最
高价态的金属化合物,应为CuCl2,故C项错误。
例2 C 依据框图可知:操作Ⅱ后得到固体和溶液,所以操
作Ⅱ为过滤,用到的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒,A正
确;铜与氧气、稀硫酸反应生成硫酸铜,锌与稀硫酸反应
生成硫酸锌,所以溶液A中含有溶质硫酸铜、硫酸锌和过
量的硫酸,B正确;若上述流程中加入的物质B为锌,物
质D为盐酸,则溶液E中含有杂质氯化锌,所以D不能用
盐酸,应该用硫酸,C错误;依据分析可知:A为硫酸铜、
硫酸锌、稀硫酸,B为锌,C为铜和锌,D为硫酸,E为硫酸
锌,所以A~E中含铜、锌两种元素的物质有A和C,D正
确。
考点五
经典例题剖析
例1 D 合成氨工业为氮气和氢气在高温高压、催化剂条
件下反应生成氨气,A项正确;工业制备 HCl为氢气和氯
气在点燃时反应生成 HCl,B项正确;工业制备粗硅为石
英和焦炭在高温条件下反应生成单质硅和CO,C项正
确;工业冶炼镁为电解熔融氯化镁生成镁和氯气,D项
错误。
例2 C 石墨是过渡型晶体,质软,可用作润滑剂,故A错
误;单晶硅可用作半导体材料与空穴可传递电子有关,与
熔点高无关,故B错误;青铜是铜合金,比纯铜熔点低、硬
度大,易于锻造,古代用青铜铸剑,故C正确;含铅化合物
可在正极得到电子发生还原反应,所以可用作电极材料,
与含铅化合物颜色丰富无关,故D错误;故选C。
必修第一册 选择性必修2
第四章 元素周期律 物质结构
与性质
第10讲 原子结构 原子核外电子排布
考点一
经典例题剖析
例1 B 根据质量守恒可知,X微粒为62He,Y微粒为42He,
据此分析解题。由分析可知,X微粒为62He,根据质量数
等于质子数加中子数可知,该微粒的中子数为4,A错误;
由分析可知,X微粒为62He,Y微粒为42He,二者具有相同
的质子数而不同的中子数的原子,故互为同位素,B正确;
由题干信息可知,138O与158O的半衰期很短,故不适宜用
作示踪原子研究化学反应历程,C错误;自然界中不存
在138O2与158O2并不是其化学键不稳定,而是由于138O与158
—703—
O的半衰期很短,很容易发生核变化,转化为其他原子,O
O的 键 能 与 形 成 该 键 的 核 素 无 关,D 错 误;故 答 案
为:B。
例2 A Sr位于元素周期表中第五周期、第ⅡA族,故 A
错误;质谱法可以测定原子的相对原子质量,87Sr和86Sr
的相对原子质量不同,可以用质谱法区分,故B正确;87Sr
的中子数为87-38=49,86Sr的中子数为86-38=48,故
C正确;由题意可知,38Sr(锶)的87Sr、86Sr稳定同位素在
同一地域土壤中
87Sr
86Sr
值不变,故D正确;故选A。
考点二
经典例题剖析
例1 C 元素辨析:WX2是形成酸雨的物质之一,WX2 为
NO2或SO2,W的原子序数比X的小,故 W 是 N、X是
O;Y的最外层电子数与其K层电子数相等,Y的原子序
数比O的大,则Y的原子结构示意图为 ,Y
是 Mg;又四种元素的最外层电子数之和为19,则Z的最
外层电子数是6,结合原子序数关系知Y为S。
同周期主族元素从左到右原子半径依次减小,即r(O)<r
(N),A错误;H2O分子间形成了氢键,故 H2O的沸点比
H2S的 沸 点 高,B错 误;MgO 为 离 子 化 合 物,C 正 确;
H2SO4是强酸,D错误。
例2 D 电负性:H<S,A错误;H2SO3 为弱酸,故酸性:
H2SO3<H2SO4,B错误;基态 H原子中未成对电子数为
1,基态O原子中未成对电子数为2,故C错误;K的氧化
物溶于水可产生 KOH,溶液pH>7,S的氧化物溶于水
生成 H2SO3或 H2SO4,溶液pH<7,故D正确。
第11讲 元素周期表 元素周期律
考点一
经典例题剖析
例1 C 甲~戊是短周期元素,戊中的最高价氧化物对应
水化物为强酸,则可能是硫酸或高氯酸,若是高氯酸,则
戊为Cl,甲为N、乙为F、丙为P、丁为S,若是硫酸,则戊
为S,甲为C、乙为O、丙为Si、丁为P。
根据层多径大,同电子层结构核多径小原则,则原子半
径:丁>戊>乙,故A正确;根据同周期从左到右非金属
性逐渐增强,则非金属性:戊>丁>丙,故B正确;甲的氢
化物可能为氨气,可能为甲烷、乙烷等,若是氨气,则遇氯
化氢一定有白烟产生;若是甲烷、乙烷等,则遇氯化氢不
反应,没有白烟生成,故C错误;丙的最高价氧化物对应
的水化物可能是硅酸、也可能是磷酸,都一定能与强碱反
应,故D正确。综上所述,答案为C。
例2 A ZQ2为:CS2,ZR4 为:CCl4,CS2 中硫的还原性强
于CCl4中的氯元素,A错误;Mg和CO2 发生下述反应:
2Mg+CO2
点燃
2MgO+C,B正确;Al和Fe2O3 发生铝
热反应如下:2Al+Fe2O3
高温
Al2O3+2Fe,C正 确;M
为:N,N的最高价氧化物的水化物为:HNO3,最低价氢
化物为:NH3,二 者 发 生 如 下 反 应:HNO3+NH3
NH4NO3,D正确;答案为A。
考点二
经典例题剖析
例1 C 元素辨析:根据基态X原子s轨道上的电子数与
p轨 道 上 的 电 子 数 相 等,可 知 X 的 电 子 排 布 式 为
1s22s22p4,为O元素,基态O原子的未成对电子数为2,
则基态Y、Z原子的未成对电子数分别为1、3,结合原子
序数关系可确定Y为F元素或Na元素,Z为P元素,则
该荧光粉的主要成分为3W3(PO4)2·WF2,结合化合物
中各元素化合价代数和为0可确定 W 为+2价,又其原
子序数最大,故 W为Ca元素,Y为F元素。
元素电负性:F>O>P>Ca,A项错误;原子半径:F<O
<P<Ca,B项错误;F2、Ca与水反应生成的气体分别为
O2和 H2,C项正确;P元素的最高价氧化物对应的水化
物 H3PO4不具有强氧化性,D项错误。
例2 A 根据同周期从左到右第一电离能呈增大趋势,但
第ⅡA族大于第ⅢA族,第ⅤA族大于第ⅥA族,则第一
电离能:Z>Y>X,故A错误;根据同周期从左到右电负
性逐渐增大,同主族从上到下电负性逐渐减小,则电负
性:Z>Y>X>W,故B正确;根据同电子层结构核多径
小,则Z、W原子形成稀有气体电子构型的简单离子的半
径:W<Z,故C正确;W2X2 与水反应生成产物之一为乙
炔,乙炔是非极性分子,故D正确。综上所述,答案为A。
微专题4 “位—构—性”综合推断
题的解题方法
专题精练
1.A Y元素原子的价层电子排布为ns(n-1)np(n+1),s能
级最多容纳2个电子,故n-1=2,解得n=3,故Y元素
原子的价层电子排布为3s23p4,Y为S元素,由 X、Y、Z
在周期表中的位置可知,X为F元素,Z为As元素。
2.AB W、X、Y、Z、Q是核电荷数依次增大的短周期元素,
W形成1条单键且核电荷数最小,W 为 H,X形成4条
键,核电荷数大于 H,且小于其他三种元素,X为C,Y形
成2条单键,核电荷数大于C,Y为O,W、Y原子序数之
和等于Z,Z为F,Y原子价电子数为Q原子价电子数的2
倍,Q为 Al。W 与 X的化 合 物 不 一 定 为 极 性 分 子,如
CH4就是非极性分子,A错误;同周期元素从左到右第一
电离能呈增大趋势,则第一电离能F>O>C,B错误;Q
为Al,Al2O3 为两性氧化物,C正确;该阴离子中L与 Q
之间形成配位键,D正确;故答案选AB。
3.C W、X、Y、Z为短周期主族元素,原子序数依次增大,
WX2是形成酸雨的物质之一,根据原子序数的规律,则
W为N,X为O,Y的最外层电子数与其 K层电子数相
等,又因为Y的原子序数大于氧的,则Y电子层为3层,
—803—