1.1.1 能层与能级 基态与激发态-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （人教版2019，鲁琼）

第一节　原子结构 第1课时　能层与能级　基态与激发态 [核心素养发展目标]　1.通过认识原子结构与核外电子排布理解能层与能级的关系。2.通过核外电子能量不同分析、理解基态与激发态的含义与关系。3.能辨识光谱与电子跃迁之间的关系。 一、能层与能级 1920年，丹麦科学家玻尔在氢原子模型基础上，提出构造原理，开启了用原子结构解释元素周期律的篇章。 1925年以后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释。 1936年，德国科学家马德隆发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理。 1．能层 (1)划分依据 根据能量不同，将核外电子分为不同的能层。 (2)表示方法 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下： 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 (3)能层间的能量关系 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)含义：根据多电子原子的同一能层电子的能量不同，将它们分为不同能级。 (2)表示方法 ①任一能层的能级总是从s能级开始。 ②每一能级用相应能层的序数和字母s、p、d、f……组合在一起来表示： 如n能层的能级按能量由低到高的顺序为E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)…… (3)能级数＝该能层序数。 (4)s、p、d、f……各能级能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．能层、能级与最多容纳的电子数 能层(n) 一 二 三 四 五 六 七 …… 符号 K L M N O P Q …… 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s …… …… …… …… 最多容纳的电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 …… …… …… …… 2 8 18 32 …… …… …… 2n2 1．以s能级为例，不同能层的s能级之间的能量有何关系？同一能层不同能级间的能量有何关系？ 提示　不同能层的s能级的能量关系：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……；同一能层不同能级间的能量关系：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……。 2．以s、p、d、f为符号的能级分别最多可容纳多少个电子？3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数是否相同？ 提示　最多容纳的电子数：s能级：2，p能级：6，d能级：10，f能级：14；3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数相同。 3．第五能层最多可容纳多少个电子？它们分别容纳在几个能级中？ 提示　第五能层最多容纳50个电子；它们分别容纳在5个能级中。 1．正误判断 (1)2d表示L层上的d能级(　　) (2)各能级最多可容纳的电子数按s、p、d、f……的顺序依次为自然数中的奇数序列1、3、5、7……的2倍(　　) (3)4s、4p、4d、4f能级的能量的高低顺序为E(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)√ 2．(2023·北京八中高二校考期末)下列关于能级的说法正确的是(　　) A．所有能层都包含p能级 B．p能级的能量一定比s能级的高 C．3p2表示3p能级有两个电子 D．2p、3p、4p能级的轨道数相同 答案　CD 解析　K能层仅包含1s能级，不包含p能级，A错误；同一能层不同能级之间能量关系是p能级的能量一定比s能级的高；但若能层序数不同，就不符合该关系，如3s能级的能量比2p能级的能量高，B错误；3p2表示3p能级上有两个电子，C正确；2p、3p、4p能级的轨道数相同，都是仅有3个轨道，D正确。 3．下列叙述正确的是(　　) A．f能级容纳的最多电子数是s能级容纳的最多电子数的7倍 B．各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束 C．各能层含有的能级数为n＋1 D．各能层含有的电子数为2n2 答案　A 解析　f能级最多容纳14个电子，s能级最多容纳2个电子，f能级容纳的最多电子数是s能级的7倍，故A正确；各能层中的能级数等于其能层序数，也就是说n＝1时，只有一个s能级，n＝2时，才有s、p两个能级，故B、C错误；每个能层最多能填充2n2个电子，但不是所有的能层都含有2n2个电子，D项错误。 4．比较各能层或能级中电子能量大小： (1)E(2s)________E(4s)； (2)E(3p)________E(3d)； (3)E(5d)________E(4d)； (4)E(3s)________E(2p)； (5)E(K)________E(L)________E(M)。 答案　(1)<　(2)<　(3)>　(4)>　(5)<　< 解析　不同能层的能量按K、L、M、N、O、P、Q……的顺序依次升高，同一能层里，各能级的能量按s、p、d、f……的顺序依次升高。 5．碘是人体中的重要元素，人体缺碘易患甲状腺肿大，请回答下列问题： (1)碘在元素周期表中的位置是________________。 (2)碘原子有______个能层，分别为______________________(用相应的符号表示)。 (3)碘原子的结构示意图为____________________，最外电子层有________个电子，这些电子有________个能级，各个能级所容纳的电子数分别为____________。 答案　(1)第五周期第ⅦA族　(2)5　K、L、M、N、O (3)　7　2　2、5 解析　(2)能层即为电子层，一共5个，分别是K、L、M、N、O，能级有11个，分别是1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、5s、5p。(3)根据核外电子排布规律可知碘原子的结构示意图为，最外层有7个电子，这些电子占有2个能级，分别是5s、5p。 二、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。 (3)基态、激发态原子相互间转化的能量变化 基态原子激发态原子 2．原子光谱 (1)含义 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)成因及分类 3．原子光谱的应用 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。 (1)发现新元素：许多元素是通过原子光谱发现的，如铯(1860年)和铷(1861年)，其光谱图中有特征的蓝光和红光。又如1868年科学家们通过分析太阳光谱发现了稀有气体氦。 (2)检验元素：焰色试验中产生的焰色是电子跃迁的结果，焰色的产生与消失是物理变化，该过程中可能伴随化学变化。 除此之外，原子光谱在生产、生活中也有许多应用，比如：焰火、霓虹灯、激光灯等。 霓虹灯发光的原理：充有氖气的霓虹灯能发出红光，产生这一现象的原因是通电后在电场作用下，放电管里氖原子中的电子吸收能量后跃迁到能量较高的能级，且处在能量较高的能级上的电子会很快地以光的形式释放能量而跃迁回能量较低的能级上，该光的波长恰好处于可见光区域中的红色波段。 1．(1)试分析焰色试验的原理是什么？ (2)焰色试验属于吸收光谱还是发射光谱？ 提示　(1)基态原子吸收能量，电子从基态跃迁到激发态后，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将能量以光的形式释放出来。(2)光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一，焰色试验属于发射光谱。 2．光谱分析法为什么能鉴定元素？ 提示　一种元素有一种原子光谱，一种原子光谱对应着一种元素。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)，所以，可以用光谱分析法鉴定元素。 1．正误判断 (1)光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一(　　) (2)霓虹灯光、激光、萤光都与原子核外电子跃迁吸收能量有关(　　) (3)产生激光的前提是原子要处于激发态(　　) (4)电子跃迁时只吸收能量(　　) (5)同一原子处于激发态时的能量一定高于基态时的能量(　　) (6)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　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)× 2．(2022·福建泉州市第六中学高二期中)许多金属盐都可以进行焰色试验，其原因是激发态的电子从能量高的轨道跃迁到能量低的轨道时，能量以一定的波长(可见光区域)光的形式释放。下列现象和应用与电子跃迁无关的是(　　) A．激光 B．石墨导电 C．霓虹灯 D．原子光谱 答案　B 解析　激光、霓虹灯、原子光谱是原子的发射光谱，与原子核外电子发生跃迁有关，石墨导电是层间电子的自由移动，与电子的跃迁无关，故选B。 3．基态与激发态 (1)基态原子：处于____________状态的原子。 (2)基态原子____________，电子跃迁到________，变为激发态原子。 (3)电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将____________。 (4)____________是电子跃迁释放能量的重要形式之一。 答案　(1)最低能量　(2)吸收能量　较高能级　(3)释放能量　(4)光(辐射) 题组一　能层、能级的理解与应用 1．下列有关能层和能级的叙述中正确的是(　　) A．M能层有s、p共2个能级，最多能容纳8个电子 B．3d能级最多容纳5个电子，3f能级最多可容纳7个电子 C．无论哪一能层的s能级容纳的最多电子数均为2 D．任一能层都有s、p能级，但不一定有d能级 答案　C 解析　A项，M能层有s、p、d共3个能级，最多容纳18个电子；B项，3d能级最多容纳10个电子，从N能层开始有f能级，最多容纳14个电子，不存在3f能级；C项，每个能层都从s能级开始，且s能级最多容纳2个电子；D项，K能层只有s能级，不含有p能级。 2．某一能层上nd能级最多可容纳的电子数为(　　) A．6 B．10 C．14 D．15 答案　B 解析　能级按照s、p、d、f…的顺序，最多可容纳的电子数依次为1、3、5、7…的2倍，所以nd能级最多可容纳的电子数为2×5＝10。 3．若能层序数n＝3，则下列能级符号错误的是(　　) A．ns B．np C．nd D．nf 答案　D 解析　每一能层含有的能级数与其能层数相等，则n＝3时，能层数为3，则有3s、3p、3d能级，不存在3f，从n＝4时开始出现f能级，故选D。 4．下列说法错误的是(　　) A．某原子K层上只有一个电子 B．某离子M层和L层上的电子数均为K层的4倍 C．某原子M层上的电子数为L层电子数的4倍 D．存在核电荷数与最外层电子数相等的离子 答案　C 解析　氢原子K层上只有一个电子，A正确；Cl－、K＋等M层和L层上的电子数均为K层的4倍，B正确；原子核外已有M层，则L层为全排满，即8个电子，这样M层就有32个电子，而M层为第三能层，最多可容纳的电子数为18个，故不可能，C错误；O2－核电荷数为8，最外层电子数也为8，D正确。 5．在基态多电子原子中，关于核外电子能量的叙述错误的是(　　) A．最易失去的电子能量最高 B．同一个能层上的不同能级上的原子轨道，能量大小不同 C．L层电子的能量比K层电子的能量低 D．在离核最近的区域内运动的电子能量最低 答案　C 解析　能量越高的电子在离核越远的区域内运动，也就越容易失去，故A不符合题意；在第n层中不同能级的能量大小顺序为E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……，同一个能层上的不同能级上的原子轨道，能量大小不同，故B不符合题意；电子首先进入能量最低、离核最近的轨道，在离核最近区域内运动的电子能量最低，故D不符合题意。 6．下列能级符号表示正确且容纳的最多电子数按照从少到多的顺序排列的是(　　) A．1s、2p、3d B．1s、2s、3s C．2s、2p、2d D．3p、3d、3f 答案　A 解析　K层只有1个能级，为1s，最多容纳2个电子；L层有2个能级，分别为2s、2p,2p最多容纳6个电子；从M层开始有d能级，3d能级最多容纳10个电子，故A正确；s能级均最多容纳2个电子，故B错误；L层没有2d，故C错误；N层开始有f能级，即4f，第三能层没有f能级，故D错误。 题组二　基态与激发态　原子光谱 7．下列关于同一种原子的基态和激发态的说法正确的是(　　) A．基态时的能量比激发态时高 B．激发态时比较稳定 C．由基态转化为激发态吸收能量 D．电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱 答案　C 解析　同一原子处于激发态时能量较高，较不稳定，A、B不正确；原子光谱分为吸收光谱和发射光谱，电子从基态跃迁到激发态时，也会产生原子光谱，D不正确。 8．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取(　　) A．电子的运动轨迹图像 B．原子的吸收光谱 C．电子体积大小的图像 D．原子的发射光谱 答案　B 解析　E(3d)<E(4p)，故电子由3d能级跃迁至4p能级时，吸收能量，形成吸收光谱。 9．下列有关光谱的说法不正确的是(　　) A．原子中的电子在跃迁时能量的表现形式之一是光，这也是原子光谱产生的原因 B．电子由低能级跃迁至较高能级时，可通过光谱仪直接摄取原子的发射光谱 C．燃放的焰火在夜空中呈现五彩缤纷的礼花与原子核外电子的跃迁有关 D．通过光谱分析可以鉴定某些元素 答案　B 解析　不同元素的原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，A正确；电子由低能级跃迁至较高能级时，要吸收能量，光谱仪摄取到的是吸收光谱，B错误；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，D正确。 10～13题有一个或两个选项符合题目要求。 10．下列关于能层和能级的说法正确的是(　　) A．原子核外每一能层可容纳的最多电子数为2n2 B．能层序数较大的能级，能量不一定较高 C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量逐渐减小 D．同一原子中，2p、3p、4p所能容纳的最多电子数逐渐增多 答案　AB 解析　原子核外每一个能层可容纳的最多电子数为2n2，A正确；同一原子中，不同能层的s能级，能层序数越大，其能量越高，即能量：E(1s)<E(2s)<E(3s)，C错误；同一原子中，2p、3p、4p所能容纳的最多电子数都为6个，D错误。 11．对焰色试验的描述正确的是(　　) A．焰色试验只是金属单质特有的性质 B．焰色试验是化学变化 C．焰色试验是金属原子从基态跃迁到激发态时，将能量以光的形式表现出来 D．焰色试验是金属原子或离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，将能量以光的形式表现出来的现象 答案　D 解析　焰色试验是大多数金属元素的性质，是物理变化。 12．下列现象或应用与基态钠原子的电子跃迁无关的是(　　) A．NaCl的焰色试验 B．熔融NaCl导电 C．钠的原子光谱 D．高压钠灯 答案　B 解析　熔融NaCl导电，是因为存在自由移动的离子，与电子跃迁无关，故B正确。 13．W、X、Y、Z均为短周期主族元素，原子序数依次增大，且原子核外L电子层的电子数分别为0、5、8、8，它们的最外层电子数之和为18。下列说法正确的是(　　) A．X和Y元素原子核外均有3个能级 B．W元素原子核外只有1个电子 C．Z元素原子的M层上有3个能级，有7个电子 D．X、Y、Z元素形成的简单离子具有相同的电子层结构 答案　BC 解析　由题分析可知W、X、Y、Z元素分别为H、N、P、Cl元素。W(H)元素原子核外只有1个电子，B正确；Z(Cl)元素原子的M层有3s、3p、3d共3个能级，其中3s能级有2个电子，3p能级有5个电子，C正确；X(N)、Y(P)、Z(Cl)元素形成的简单离子分别为N3－、P3－和Cl－，其中P3－和Cl－具有相同的电子层结构，D错误。 14．(1)用符号填写能层所含能级种类： K层：________；L层：________； M层：________；N层：________。 (2)用数字填写能级所能容纳的最多电子数目： s：________；p：________；d：________；f：________。 (3)比较下列能级的能量高低(填“<”“＝”或“>”)。 ①E(4s)________E(3s)________E(2s)__________E(1s)； ②E(4f)________E(4d)________E(4p)__________E(4s)； ③E(1s)________E(2p)________E(3d)__________E(4f)。 答案　(1)1s　2s、2p　3s、3p、3d　4s、4p、4d、4f (2)2　6　10　14 (3)①>　>　>　②>　>　>　③<　<　< 解析　(1)各能层含有的能级数与能层序数相等，故K层：1s；L层：2s、2p；M层：3s、3p、3d；N层：4s、4p、4d、4f。 (3)在原子核外电子排布中，各能级能量高低顺序为①相同能级的原子轨道，能层序数越大，轨道能量越高，则E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)；②相同能层而不同能级的能量高低顺序为E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……；所以E(4f)>E(4d)>E(4p)>E(4s)；③不同能层不同能级，一般能层越高能量越大，所以能量大小顺序是E(1s)<E(2p)<E(3d)<E(4f)。 15．下表给出了五种元素的相关信息，其中A、B、C、D为短周期元素。 元素 相关信息 A 在常温、常压下，其单质是气体，随着人类对环境的认识和要求的提高，它将成为备受青睐的清洁燃料 B 工业上通过分离液态空气获得其单质，其某种同素异形体是保护地球地表环境的重要屏障 C 植物生长三要素之一，它能形成多种氧化物，其中一种是早期医疗中使用的麻醉剂 D 室温下其单质呈粉末状固体，加热易熔化。该单质在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰 E 它是人体不可缺少的微量元素，其单质也是日常生产和生活中不可缺少的金属原材料，常用于制造桥梁、楼房等 根据上述信息填空： (1)B元素的基态原子含有________个能层，其中第二能层中含有的能级为________；D的原子结构示意图：________________。 (2)C与A形成的某一化合物能和C与B形成的另一无色化合物(这两种化合物分子中原子个数比皆为1∶2)一起用作火箭助推剂，写出两者发生反应生成无毒物质的化学方程式： ______________________________________________________________________________。 (3)某矿藏主要含D、E两种元素组成的化合物，它在空气中高温条件下生成一种有刺激性气味的气体和一种红色氧化物。试写出反应的化学方程式：______________________________ _______________________________________________________________________________。 答案　(1)2　2s和2p　　(2)2N2H4＋N2O43N2＋4H2O　(3)4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2 解析　(1)氢气是一种清洁燃料，所以A为氢元素；臭氧对紫外线有吸收作用，是保护地球地表环境的重要屏障，所以B为氧元素，其基态原子含有K层与L层2个能层，L层为第二能层，有2s、2p两个能级；氮、磷、钾是植物生长三要素，N2O俗名“笑气”，是早期医疗中使用的麻醉剂，所以C为氮元素；硫熔点低，加热易熔化，在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰，所以D为硫元素；日常生产和生活中常用的金属是铁、铜和铝，其中只有铁是人体不可缺少的微量元素，所以E为铁元素。 (2)氮和氢形成的原子个数比为1∶2的化合物为N2H4，氮和氧形成的原子个数比为1∶2的化合物有NO2和N2O4，其中N2O4是无色气体，NO2是红棕色气体，N2H4和N2O4反应生成无毒的N2和H2O。 (3)工业上一般以黄铁矿(其主要成分是FeS2)为原料制备硫酸，其第一阶段的主要反应是煅烧黄铁矿，反应为4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2。 学科网（北京）股份有限公司 $$