1.1 原子结构【基础必牢】化学人教版选择性必修2

1.1 原子结构 一、能层与能级 1．能层 （1）含义：根据多电子原子的核外电子的 不同，将核外电子分成不同的能层(即相当于必修教材中所述的电子层)。 （2）符号：能层序数一、二、三、四、五、六、七分别用K、L、M、 表示。 （3）能量关系：能层越高，电子的能量 。 （4）各能层最多容纳的电子数：2n2(n表示能层序数)。 2．能级 （1）含义：同一能层的电子，还被分成不同能级，任一能层的能级总是从 能级开始，能级数等于该 。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)，依次类推。 （2）表示方法：分别用相应能层的序数和字母 等表示，如第3能层的能级按能量由低到高的排列顺序为3s、3p、3d等。 （3）以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7……的 倍。英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s……能级最多都只能容纳2个电子；2p、3p、4p、5p……能级最多都只能容纳6个电子。 3．能层、能级中所容纳的电子数 能层(n) 1 2 3 4 …… 符号 K L M N …… 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f …… 最多容纳的电子数 每个能级 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 …… 每个电子层 2×12 2×22 2×32 2×42 2n2 (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)√ 易错辨析 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 状态的原子。 （2）激发态原子：基态原子 能量，它的电子会跃迁到 能级，变成激发态原子。 2．原子光谱 （1）原子光谱：不同元素原子的电子发生 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 或 ，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 来鉴定元素，称为光谱分析。 (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)× 易错辨析 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。 易错提醒 三、构造原理与电子排布式 1．构造原理 （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 的顺序称为构造原理。 （2）能级交错：根据构造原理，随核电荷数的递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的，电子是按3p→ 的顺序而不是按3p→ 的顺序填充的，这种现象被称为能级交错。 2．电子排布式 按照构造原理，元素的核电荷数每递增一个，同时增加一个核电荷和一个核外电子，就得到一个基态原子的电子排布，如O： Na： 3．简化电子排布式 为了方便，常把内层已达稀有气体电子层结构的部分用稀有气体元素符号加方括号表示。 如，电子排布式可简化为[Ar]4s1，又如Na： ，Fe： 。 4．特殊原子电子排布式：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： ， 29Cu： 。 5．价层电子排布 为突出化合价与电子排布的关系将在化学反应中 的能级称为价电子层(简称价层)。描述原子核外电子排布时，省去内层电子，仅写出价电子层的排布，即为元素原子的价层电子排布式。通常，元素周期表中只给出价层电子排布，如 S： ， Fe： 。 （1）主族元素原子最外层电子为价层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式。主族元素原子的价层电子排布式为ns1～2或ns2np1～5。如钙(Ca)的价层电子排布式为 ，溴(Br)的价层电子排布式为 。 （2）过渡元素原子次外层电子常常参与成键，其价层电子包括d(镧系、锕系除外)能级电子。如铬(Cr)的价层电子排布式为 ，铜(Cu)的价层电子排布式为 。 电子排布式的书写顺序与电子排布顺序有所不同，电子进入能层的顺序是按构造原理中能级的能量递增的顺序，而电子排布式的书写则按能层的顺序，能层中的能级按s、p、d、f能量递增的顺序书写。 易错提醒 四、电子云与原子轨道 1．概率密度 量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的 不同，可用概率密度(ρ)表示，即ρ＝(P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积)。 2．电子云 （1）电子云：处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的 分布的形象化描述。 （2）含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越密，表示概率密度越 。 3．原子轨道 （1）概念：量子力学把电子在原子核外的一个 称为一个原子轨道。 （2）形状 ①s电子的原子轨道呈 形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。 ②p电子的原子轨道呈 形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。 （3）各能级所含有原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 (1)电子的运动与行星相似，围绕原子核在固定轨道上高速旋转(　　) (2)1s的电子云图中一个小点表示一个自由运动的电子(　　) (3)2p、3p、4p能级的轨道数依次增多(　　) (4)2px、2py、2pz轨道相互垂直，能量相等(　　) 【答案】(1)× (2)× (3)× (4)√ 易错辨析 五、核外电子排布规律 1．电子自旋与泡利原理 在一个原子轨道里，最多只能容纳 个电子，而且它们的自旋 ，这个原理称为泡利原理。常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。 2．电子排布的轨道表示式(电子排布图) 用方框(也可用圆圈)表示原子轨道，能量 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 ，“↑”或“↓”称 (或称未成对电子)，箭头同向的单电子称 。通常应在方框下方或上方标记 ，这种用来表述电子排布的图式叫做轨道表示式，又叫 。如基态8O原子的轨道表示式如下： （1）在氧原子中，有 个电子对，有 个单电子(未成对电子)。 （2）在氧原子中，有 种空间运动状态，有 种运动状态不同的电子 空间运动状态=原子占据的轨道数，运动状态不同的电子=核外电子总数 易错提醒 3．洪特规则 基态原子中，填入 的电子总是先 ，且 。如N：。 洪特规则特例 当同一能级上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空状态(p0、d0、f0)时，具有较低的能量和较大的稳定性。例如，铬(24Cr)的价电子排布是 (3d、4s能级均为半充满)，而不是3d44s2；铜(29Cu)的价电子排布是 (3d全充满、4s半充满)，而不是3d94s2。 易错提醒 4．能量最低原理 （1）在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量 的原子轨道，使整个原子的能量 。 （2）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。 六、原子核外电子排布的表示方法 原子核外电子排布遵循能量最低原理、泡利原理、洪特规则(还有洪特规则特例)等。书写电子排布式或电子排布图时应注意以上规则。 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，相应的式子叫做电子式 实例 原子(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式子 实例 Al　 S2－ 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，这就是电子排布式 实例 K： 简化电子排布式 含义 为了避免电子排布式书写过于繁琐，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： 价电子排布式 含义 主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式；过渡元素原子次外层电子常常参与成键，其价层电子包括d能级电子 实例 Al： 铬(Cr)： 铜(Cu)： 轨道表示式 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 实例 学科网（北京）股份有限公司 $ 1.1 原子结构 一、能层与能级 1．能层 （1）含义：根据多电子原子的核外电子的能量不同，将核外电子分成不同的能层(即相当于必修教材中所述的电子层)。 （2）符号：能层序数一、二、三、四、五、六、七分别用K、L、M、N、O、P、Q表示。 （3）能量关系：能层越高，电子的能量越高。 （4）各能层最多容纳的电子数：2n2(n表示能层序数)。 2．能级 （1）含义：同一能层的电子，还被分成不同能级，任一能层的能级总是从s能级开始，能级数等于该能层序数。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)，依次类推。 （2）表示方法：分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f等表示，如第3能层的能级按能量由低到高的排列顺序为3s、3p、3d等。 （3）以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7……的2倍。英文字母相同的不同能级中所能容纳的最多电子数相同。例如，1s、2s、3s、4s……能级最多都只能容纳2个电子；2p、3p、4p、5p……能级最多都只能容纳6个电子。 3．能层、能级中所容纳的电子数 能层(n) 1 2 3 4 …… 符号 K L M N …… 能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f …… 最多容纳的电子数 每个能级 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 …… 每个电子层 2×12 2×22 2×32 2×42 2n2 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，变成激发态原子。 2．原子光谱 （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。 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。 易错提醒 三、构造原理与电子排布式 1．构造原理 （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。 （2）能级交错：根据构造原理，随核电荷数的递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的，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。 2．电子排布式 按照构造原理，元素的核电荷数每递增一个，同时增加一个核电荷和一个核外电子，就得到一个基态原子的电子排布，如O：1s22s22p4 Na：1s22s22p63s1 3．简化电子排布式 为了方便，常把内层已达稀有气体电子层结构的部分用稀有气体元素符号加方括号表示。 如，电子排布式可简化为[Ar]4s1，又如Na：[Ne]3s1，Fe：[Ar]3d64s2。 4．特殊原子电子排布式：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：1s22s22p63s23p63d54s1 ， 29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1 。 5．价层电子排布 为突出化合价与电子排布的关系将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。描述原子核外电子排布时，省去内层电子，仅写出价电子层的排布，即为元素原子的价层电子排布式。通常，元素周期表中只给出价层电子排布，如 S：3s23p4， Fe：3d64s2 。 （1）主族元素原子最外层电子为价层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式。主族元素原子的价层电子排布式为ns1～2或ns2np1～5。如钙(Ca)的价层电子排布式为4s2，溴(Br)的价层电子排布式为4s24p5。 （2）过渡元素原子次外层电子常常参与成键，其价层电子包括d(镧系、锕系除外)能级电子。如铬(Cr)的价层电子排布式为3d54s1，铜(Cu)的价层电子排布式为3d104s1。 电子排布式的书写顺序与电子排布顺序有所不同，电子进入能层的顺序是按构造原理中能级的能量递增的顺序，而电子排布式的书写则按能层的顺序，能层中的能级按s、p、d、f能量递增的顺序书写。 易错提醒 四、电子云与原子轨道 1．概率密度 量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可用概率密度(ρ)表示，即ρ＝(P表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积)。 2．电子云 （1）电子云：处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。 （2）含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越密，表示概率密度越大。 3．原子轨道 （1）概念：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。 （2）形状 ①s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。 ②p电子的原子轨道呈哑铃形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。 （3）各能级所含有原子轨道数目 能级符号 ns np nd nf 轨道数目 1 3 5 7 五、核外电子排布规律 1．电子自旋与泡利原理 在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋相反，这个原理称为泡利原理。常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。 2．电子排布的轨道表示式(电子排布图) 用方框(也可用圆圈)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)，箭头同向的单电子称自旋平行。通常应在方框下方或上方标记能级符号，这种用来表述电子排布的图式叫做轨道表示式，又叫电子排布图。如基态8O原子的轨道表示式如下： （1）在氧原子中，有3个电子对，有2个单电子(未成对电子)。 （2）在氧原子中，有5种空间运动状态，有8种运动状态不同的电子 空间运动状态=原子占据的轨道数，运动状态不同的电子=核外电子总数 易错提醒 3．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。如N：。 洪特规则特例 当同一能级上的电子排布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空状态(p0、d0、f0)时，具有较低的能量和较大的稳定性。例如，铬(24Cr)的价电子排布是3d54s1(3d、4s能级均为半充满)，而不是3d44s2；铜(29Cu)的价电子排布是3d104s1(3d全充满、4s半充满)，而不是3d94s2。 易错提醒 4．能量最低原理 （1）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）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。 六、原子核外电子排布的表示方法 原子核外电子排布遵循能量最低原理、泡利原理、洪特规则(还有洪特规则特例)等。书写电子排布式或电子排布图时应注意以上规则。 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，相应的式子叫做电子式 实例 原子(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式子 实例 Al　 S2－ 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，这就是电子排布式 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繁琐，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 价电子排布式 含义 主族元素的价层电子指最外层电子，价层电子排布式即最外层电子排布式；过渡元素原子次外层电子常常参与成键，其价层电子包括d能级电子 实例 Al：3s23p1 铬(Cr)：3d54s1 铜(Cu)：3d104s1 轨道表示式 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子 实例 学科网（北京）股份有限公司 $