1.1.3 泡利原理、洪特规则、能量最低原理-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （人教版2019，鲁琼）

第3课时　泡利原理、洪特规则、能量最低原理 [核心素养发展目标]　1.能从原子微观层面理解原子的组成、结构等；能根据核外电子的排布规则熟知核外电子排布的表示方法。2.能根据核外电子的表示方法，推导出对应的原子或离子。 一、原子核外电子的排布规则 1．电子自旋与泡利原理 (1)电子自旋 自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性，电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。 (2)泡利原理 在一个原子轨道里，最多只容纳2个电子，它们的自旋相反。 2．电子排布的轨道表示式 (1)轨道表示式 用方框(或圆圈)表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道)的方框相连，箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子(或称未成对电子)。 (2)表示方法 以铝原子为例，轨道表示式中各符号、数字的意义如下所示： 回答下列问题： ①在铝原子中，有6个电子对，1个单电子； ②在铝原子中，有7种空间运动状态，13种电子运动状态。 3．洪特规则 (1)内容：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。 (2)特例 在简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较强的稳定性。 相对稳定的状态 如24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2。 4．能量最低原理 (1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。 (2)因素：整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。 1．下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子？为什么？ A. B. C. 提示　A　根据洪特规则，基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。 2．指出下列核外电子排布的轨道表示式的书写分别违背了什么原则？ ①2p轨道上有3个电子的原子： ②2p轨道上有2个电子的原子： ③基态P原子：1s22s22p63s23p3p ④4s轨道上有2个电子的原子： ⑤3d轨道上有8个电子的原子： 提示　①②③⑤违背了洪特规则，当电子排布在同一能级的不同轨道上时，原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋平行；④违背了泡利原理，一个原子轨道最多只能容纳2个电子，而且这2个电子的自旋相反。 注意　书写轨道表示式时，常出现的错误及正确书写 1．下列轨道表示式能表示基态硫原子最外层结构的是(　　) A. B. C. D. 答案　D 解析　原子核外电子优先占据能量最低的轨道，然后依次进入能量高的轨道，这样使整个原子处于能量最低的状态，A中3s轨道没有排满就排3p轨道了，违背了能量最低原理；B、C违背了洪特规则，电子总是优先单独分占，且自旋平行。 2．(1)下列是一些原子的2p能级和3d能级电子排布的情况。试判断，违背了泡利原理的是______________(填序号，下同)，违背了洪特规则的是______________。 　 (2)某元素的激发态(不稳定状态)原子的电子排布式为1s22s22p63s13p33d2，则该元素基态原子的电子排布式为__________________；其最高价氧化物对应水化物的化学式是____________。 (3)现有下列多电子原子的原子轨道： ①2s　②3d　③3s　④4p　⑤3p 轨道能量由低到高排列的顺序是____________(填序号)。 答案　(1)③　②④⑥　(2)1s22s22p63s23p4　H2SO4　(3)①③⑤②④ 解析　(1)同一轨道中不应有自旋状态相同的电子，③违背了泡利原理；②中单电子自旋状态应相同，④中5个电子应分占5个轨道，⑥中单电子自旋状态应相同，所以②④⑥违背了洪特规则。(2)3s、3p能级的能量小于3d，激发态为1s22s22p63s13p33d2，则基态应为1s22s22p63s23p4。此原子核外电子数为16，其质子数也为16，该元素为硫元素，其最高价氧化物对应水化物的化学式是H2SO4。 3．(1)Mn元素与O元素中，基态原子核外未成对电子数较多的是______________。 (2)基态Ge原子有______________个未成对电子。 (3)镍元素基态原子的3d能级上的未成对电子数为______________。 (4)基态Fe原子有______________个未成对电子。 (5)基态K原子中，核外电子占据的最高能层的符号是______________，占据该能层电子的电子云轮廓图的形状为______________。 (6)基态Cu的价层电子轨道表示式为______________。 答案　(1)Mn　(2)2　(3)2　(4)4　(5)N　球形　(6) 4．(1)[2021·全国甲卷，35(1)节选]太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅。Si的价电子层的电子排布式为______________。 答案　3s23p2 (2)[2021·海南，19(1)]基态锰原子的价层电子排布式为________________。 答案　3d54s2 二、核外电子的表示方法 原子(或离子) 结构示意图 含义 将每个能层上的电子总数表示在原子核外的图示形式 实例 电子排布式 含义 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，并按照能层从左到右的顺序排列的式子 实例 K：1s22s22p63s23p64s1 简化电子排布式 含义 为了避免电子排布式书写过于烦琐，把内层电子达到稀有气体原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示 实例 K：[Ar]4s1 轨道表示式(电子排布图) 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 意义 能直观反映出电子的排布情况及电子的自旋状态 实例 Al：　 电子式 含义 化学中常在元素符号周围用“·”或“×”来表示元素原子的最外层电子，相应的式子叫电子式 实例 1．下列化学用语的表达正确的是(　　) A．原子核内有10个中子的氧原子：O B．氯原子的结构示意图： C．基态Fe3＋的最外层电子排布式：3s23p63d5 D．基态铜原子的价层电子轨道表示式： 答案　C 解析　原子核内有10个中子的氧原子的质量数为10＋8＝18，应该表示为O，故A错误；氯原子核外电子总数为17，则氯原子的结构示意图为，故B错误；铁为26号元素，铁离子最外层电子数为13，根据构造原理可得基态Fe3＋的最外层电子排布式为3s23p63d5，故C正确；Cu是29号元素，其原子核外有29个电子，基态原子价层电子排布式为3d104s1，基态铜原子的价层电子轨道表示式为，故D错误。 2．(2022·成都高二检测)下列有关化学用语正确的是(　　) A．基态Cr原子的价层电子轨道表示式： B．KCl的电子式： C．基态Fe3＋的电子排布式：1s22s22p63s23p63d5 D．F的原子结构示意图： 答案　CD 解析　基态Cr原子的价层电子排布式为3d54s1，基态Cr原子的价层电子轨道表示式为，故A错误；KCl是离子化合物，其电子式：，故B错误；基态Fe原子的电子排布式为[Ar]3d64s2，则基态Fe3＋的电子排布式：1s22s22p63s23p63d5，故C正确；F的原子结构示意图：，故D正确。 3．按要求完成下列填空： (1)11Na的电子排布式为___________________________________________________； (2)20Ca的最外层电子排布为_______________________________________________； (3)35Br－的离子结构示意图为_______________________________________________； (4)8O的轨道表示式为_____________________________________________________； (5)9F的最外层电子轨道表示式为__________________________________________。 答案　(1)1s22s22p63s1　(2)4s2　(3) (4) (5) 4．如图是s能级和p能级的原子轨道图。 回答下列问题： (1)s电子的原子轨道呈____________形，每个s能级有____________个原子轨道；p电子的原子轨道呈____________形，每个p能级有____________个原子轨道。 (2)元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1，原子中能量最高的是____________电子，其电子云在空间有3个互相____________(填“垂直”或“平行”)的伸展方向。元素X的名称是____________，它的最低价氢化物的电子式是____________。 (3)元素Y的原子最外层电子排布式为nsn－1npn＋1，Y的元素符号为____________，原子的核外电子排布式为____________。 (4)下列轨道表示式中，能正确表示元素X的原子处于最低能量状态的是_________(填字母)。 A. B. C. D. 答案　(1)球　1　哑铃　3　(2)2p　垂直　氮　　(3)S　1s22s22p63s23p4　(4)D 解析　(1)s电子的原子轨道呈球形，每个s能级有1个原子轨道；p电子的原子轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道，分别以px、py、pz表示，它们相互垂直。(2)元素X的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1，np轨道已排有电子，说明ns轨道已排满电子，即n＝2，则元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，X是氮元素。其最低价氢化物为NH3，电子式为。(3)元素Y的原子最外层电子排布式为nsn－1npn＋1，则n－1＝2，n＝3，则Y元素的原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，Y是硫元素。(4)若元素的原子处于最低能量状态，则其核外电子排布符合能量最低原理、泡利原理和洪特规则。A、B项违背洪特规则，C项表示元素的原子处于激发态，违背能量最低原理。 题组一　核外电子排布式与轨道表示式 1．下列说法或有关化学用语的表达错误的是(　　) A．s轨道的电子云轮廓图呈球形，p轨道的电子云轮廓图呈哑铃形 B．24Cr的价层电子排布：3d54s1 C．电子排布式(23V)：1s22s22p63s23p63d5违反了洪特规则 D.违反了泡利原理 答案　C 解析　Cr原子核外有24个电子，根据构造原理书写，基态Cr的原子价层电子排布：3d54s1，故B正确；电子排布式(23V)：1s22s22p63s23p63d5，违反了构造原理，故C错误；中1s轨道和2s轨道中容纳自旋相同的电子，违反了泡利原理，故D正确。 2．下列轨道表示式所表示的元素原子中，能量处于最低状态的是(　　) A. B. C. D. 答案　C 解析　要使各原子的能量处于最低状态(即基态)，核外电子排布必须遵循泡利原理、洪特规则、能量最低原理。A项，2s轨道没有排满电子就排在了2p、3s轨道上，能量不是最低的；B项，2p轨道上的电子排布不符合洪特规则，三个电子各占一个p轨道且自旋状态相同时，能量最低；C项，2p3为半充满状态，能量最低；D项，2p轨道未排满就排3s轨道，能量不是最低的。 3.下列基态原子或离子的核外电子排布式或轨道表示式错误的是(　　) A.Na＋：1s22s22p63s1 B.F：1s22s22p5 C.N3－： D.Ar：1s22s22p63s23p6 答案　A 解析　基态Na＋的核外电子排布式应为1s22s22p6，A项错误。 4.下列各项叙述错误的是(　　) A.若基态硫原子核外电子轨道表示式为　，则违反了泡利原理 B.若第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理 C.基态氮原子的核外电子轨道表示式为　，符合洪特规则和泡利原理 D.泡利原理、洪特规则、构造原理都是核外电子排布满足能量最低的条件 答案　A 解析　3p轨道电子排布违反了洪特规则，故A错误；第25号Mn元素的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，若写成1s22s22p63s23p63d7，则违反了构造原理，故B正确。 题组二　核外电子排布规则的应用 5.下列微粒中，最外层未成对电子数最多的是(　　) A.S B．As C．Mn D．Fe3＋ 答案　D 解析　各微粒的未成对电子数分别为S：2个，As：3个，Mn：5个，Fe3＋：5个，但Mn的最外层电子排布式为4s2。 6.(2022·丽江高二期中)在前四周期元素中，基态原子有3个未成对电子的元素种数为(　　) A.3 B．4 C．5 D．6 答案　C 解析　在前四周期元素中，基态原子有3个未成对电子的元素分别为N、P、As、V、Co，共5种元素。 7.(2022·湖北孝感高中高二检测)若某元素原子处于能量最低状态时，价层电子排布为4d15s2，下列说法正确的是(　　) A.该元素原子处于能量最低状态时，原子中共有3个未成对电子 B.该元素原子核外共有5个电子层 C.该元素原子的M层共有8个电子 D.该元素原子最外层有3个电子 答案　B 解析　由题意知，该元素原子的价层电子排布为4d15s2，则其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2。A项，该元素原子处于能量最低状态时，原子中只有4d1中的1个未成对电子，错误；B项，由核外电子排布式可知该元素原子有5个电子层，正确；C项，M层共有18个电子，错误；D项，原子最外层有2个电子，错误。 8～13题有一个或两个选项符合题目要求。 8.(2022·山东烟台二中高二检测)下列四种元素中，其单质氧化性最强的是(　　) A.原子中2p能级比2s能级多一个电子的第二周期元素 B.位于元素周期表中第三周期第ⅢA族的元素 C.原子最外层电子排布为2s22p6的元素 D.原子最外层电子排布为2s22p5的元素 答案　D 解析　A项，价层电子排布为2s22p3，为N元素；B项，该元素为Al元素；C项，该元素为Ne元素；D项，该元素为F元素，F2的氧化性最强，D项正确。 9.(2022·广州六中高二期中)某基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p4，下列说法错误的是(　　) A.该元素原子核外共有34个运动状态不同的电子 B.该元素原子的最高能层符号为N C.该元素原子核外电子有8种空间运动状态 D.该元素原子价层电子排布为3d104s24p4 答案　CD 解析　由基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p4可知，该元素的原子序数为34，是位于元素周期表第四周期第ⅥA族的硒元素。由泡利原理可知，同一原子核外不可能有运动状态完全相同的电子，则硒原子的原子核外共有34个运动状态不同的电子，故A正确；由电子排布式可知，硒原子的最高能层符号为N，故B正确；由电子排布式可知，硒原子的核外电子占据1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p轨道，核外电子有18种空间运动状态，故C错误；硒元素位于元素周期表第四周期第ⅥA族，价层电子排布为4s24p4，故D错误。 10.在多电子原子中，决定轨道能量的因素是(　　) ①能层　②能级　③电子云的伸展方向　④电子自旋状态 A.①② B．①④ C．②③ D．③④ 答案　A 解析　多电子原子中，在电子填充原子轨道时，形状相同的原子轨道，能层序数越大，轨道的能量越高，如E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)；相同能层不同能级的原子轨道能量高低：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……；同一能级的原子轨道具有相同的能量，如E(npx)＝E(npy)＝E(npz)，因此轨道的能量是由能层和能级决定的，与电子云的伸展方向、电子自旋状态无关，A正确。 11.具有如下电子层结构的原子，其相应元素一定属于同一主族的是(　　) A.3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子 B.3p轨道上只有1个空轨道的原子和4p轨道上只有1个空轨道的原子 C.最外层电子排布为1s2的原子和最外层电子排布为2s22p6的原子 D.最外层电子排布为1s2的原子和最外层电子排布为2s2的原子 答案　B 解析　p轨道有3个原子轨道，最多可以容纳6个电子，根据泡利原理和洪特规则，当p轨道上有2个电子或4个电子时，p轨道上均有2个未成对电子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A错误；p轨道上有1个空轨道，说明另外2个轨道各容纳了1个电子，加上s轨道上的2个电子，最外层是4个电子，属于第ⅣA族元素，故B正确；最外层电子排布为1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有气体元素，但不属于主族元素，故C错误；最外层电子排布为1s2的原子为He，位于0族，而最外层电子排布为2s2的原子是Be，属于第ⅡA族元素，故D错误。 12.下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是(　　) A.原子核外L能层的未成对电子数与M能层的未成对电子数相等的原子 B.原子核外M能层上仅有两个电子的X原子与原子核外N能层上仅有两个电子的Y原子 C.2p能级只有1个空轨道的X原子和3p能级只有1个空轨道的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项，L能层(M能层)只有1个未成对电子的原子可能是Li或F(Na或Cl)等，L能层(M能层)有2个未成对电子的可能是C或O(Si或S)；B项，X为Mg，Y可能为Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C项，X为C，Y为Si；D项，最外层只有1个电子的原子中氢原子与碱金属元素原子化学性质不相似。 13.(2022·成都高二检测)某核素核外共有15个不同运动状态的电子，下列说法正确的是(　　) A.若将该原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p3p，它违背了洪特规则 B.原子中所有的电子占有3个能级，9个轨道 C.该元素的最高价氧化物对应的水化物为两性氢氧化物 D.该基态原子中能量最高的电子的电子云轮廓图的形状为哑铃形 答案　AD 解析　某核素核外共有15个不同运动状态的电子，则该原子为P原子，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p3；若将该原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p3p，它违背了洪特规则，A正确；该原子中所有原子占有1s、2s、2p、3s、3p共5个能级，9个轨道，B错误；该元素的最高价氧化物对应的水化物H3PO4为中强酸，C错误；该基态原子中能量最高的电子处于3p能级，p电子云轮廓图的形状为哑铃形，D正确。 14.按要求完成下列各题。 (1)Fe成为阳离子时首先失去________轨道电子，Sm的价层电子排布为4f66s2，Sm3＋的价层电子排布为________。 (2)基态Cu2＋核外电子排布式为______________________________________________。 (3)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_______、______(填字母)。 A. B. C. D. 答案　(1)4s　4f5 (2)1s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)　(3)D　C 解析　(1)基态Fe原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，Fe失去电子生成阳离子时电子从外到内依次失去，所以成为阳离子时首先失去4s轨道电子；Sm的价层电子排布为4f66s2，该原子失去电子生成阳离子时应该先失去6s轨道电子，后失去4f轨道电子，Sm3＋的价层电子排布为4f5。 (2)Cu原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,4s与3d能级各失去1个电子形成Cu2＋，基态Cu2＋核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9。 (3)电子处于基态时能量最低，处于激发态时能量较高，D选项为基态Li原子核外电子轨道表示式，故能量最低，A、B、C均为激发态，C中有2个电子处于2p能级上，能量最高。 15．已知A原子中只含1个电子；B原子的3p轨道上得到1个电子后不容纳外来电子；C原子的2p轨道上有1个电子的自旋方向与其他电子的自旋方向相反；D原子的第三能层上有8个电子，第四能层上只有1个电子；E原子的价层电子排布为3s23p6。 (1)按要求书写下列图示： ①B的原子结构示意图：________________________________________________________。 ②C原子的轨道表示式：_________________________________________________________。 ③D原子的核外电子排布式：_____________________________________________________。 ④B离子的电子式：_____________________________________________________________。 (2)写出由A、B、C、D中的三种元素组成的化合物的化学式：________________________ (至少写出5种)。 (3)写出由上述元素组成的物质制得A单质的化学方程式：____________________________ __________________________________________________________________(至少写出2个)。 (4)写出E的元素符号：________，要证明太阳光中含有E元素，可采用的方法是________。 答案　(1)①　② ③1s22s22p63s23p64s1(或[Ar]4s1)　④ (2)KOH、KClO、KClO3、HClO、HClO3(其他合理答案也可) (3)2H2O2H2↑＋O2↑、2K＋2H2O===2KOH＋H2↑(其他合理答案也可) (4)Ar　对太阳光进行光谱分析 解析　由题意可知，A为H，B为Cl，C为O，D为K，E为Ar。 (2)由H、Cl、O、K中的三种元素组成的化合物可以是酸，如HClO、HClO2、HClO3、HClO4；也可以是碱，如KOH；还可以是盐，如KClO、KClO2、KClO3、KClO4等。 (3)A的单质为H2，可以通过电解水、电解KOH溶液或K和水反应等方法来制取。 (4)对太阳光进行光谱分析，便可确定太阳光中所含元素的种类。 学科网（北京）股份有限公司 $$