内容正文:
第24讲 原子结构 核外电子排布
课标要求
1.结合有关数据和实验事实认识原子结构,知道元素、核素的含义。
2.了解原子核外电子的排布,能画出 1 ~ 20 号元素的原子结构示意图。
3.知道原子核外电子的能级高低顺序,了解构造原理,能结合能量最低原理、泡利原理、洪特规则书写1 ~ 36 号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式。
4.能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异。
考点一 原子结构、核素、同位素
1.原子的构成
(1)构成原子的微粒及作用
(2)微粒之间的数量关系
①原子中:质子数(Z)=核电荷数=核外电子数。
②质量数(A)=质子数(Z)+ (N)。
③阳离子的核外电子数=质子数-阳离子所带的电荷数。
④阴离子的核外电子数=质子数+阴离子所带的电荷数。
【提醒】 (1)有质子的微粒不一定有中子,如H;有质子的微粒不一定有电子,如H+。
(2)质子数相同的微粒不一定属于同一种元素,如F与OH-。
(3)核外电子数相同的微粒,其质子数不一定相同,如Na+和Mg2+。
(3)关于质量数
①只有具体的原子才有质量数,元素没有质量数。
②某核素的质量数可视为该核素的近似相对原子质量。
(4)微粒符号周围数字的含义
2.元素、核素、同位素
(1)元素、核素、同位素的关系
(2)同位素的特征
①天然存在同一元素的各核素所占原子百分数(丰度)一般不变。
②同位素的“六相同”与“三不同”
(3)氢元素的三种核素
HHH用字母H、 、 表示,名称为 、 、 。
(4)几种重要的核素及其应用
核素
U
C
H
H
O
用途
核燃料
用于考古断代
制
示踪原子
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)中子数为20的氯原子表示为 Cl。( )
(2)14C可用于文物的年代鉴定,14C与 12C互为同素异形体。( )
(3)铯元素的两种同位素 137Cs比 133Cs多4个质子。( )
(4)核聚变如 HHHen,因为有新微粒生成,所以该变化是化学变化。( )
(5)Cl与Cl得电子能力相同。( )
(6)3 g 3He含有的中子数为NA。( )
一
原子结构中“粒子”之间的关系与相关计算
1.(2024·雅安模拟)考古研究中C可以用来断定古生物体死亡的年代N可用来分析古代人类的食物结构。下列关于C和N的叙述正确的是( )
AC和N质子数相同
BC和N中子数相同
CC和N质量数相同
DC和N互为同位素
2.某元素的一个原子形成的离子可表示为Xn-。若X原子与1H原子构成HnX分子,在m g HnX中所含中子的物质的量为 mol,所含质子数为 ,所含电子数为 。
计算一定质量的某物质中粒子数的思维模型
二
核反应方程式
3.(2024·忻州名校联考)我国科学家成功合成出新核素Lr-251,熔合反应为TiTlLr+n。下列叙述正确的是( )
A.Lr-251和Lr-253的物理性质完全相同
B.上述熔合反应为氧化还原反应
C.上述熔合反应中a=203、b=103
D.Lr-251核内中子数和质子数之差为47
4.(2024·秦皇岛模拟)1934年约里奥—居里夫妇在核反应中用α粒子(即氦核He)轰击金属原子X,得到核素Y和一个中子nXHeY+n,其中元素X、Y的最外层电子数之和为8。下列叙述正确的是( )
AX的相对原子质量为26
B.X、Y形成的氯化物均属于共价化合物
C.原子半径X小于Y
D.该反应属于化学变化
核反应中的两大守恒
如卢瑟福发现质子的核反应NHeOH
“质量数守恒”14+4=17+1;
“质子数守恒”7+2=8+1。
考点二 核外电子运动状态与排布
1.核外电子运动状态
(1)空间运动状态
核外电子按能量不同分成能层,同一能层的电子,还被分成不同能级。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)自旋状态
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。
(3)电子的运动状态
①运动状态
核外电子的运动状态包括空间运动状态和自旋状态。
②两种运动状态的判断
a.电子的运动状态:核外有多少个电子就有多少种电子运动状态,如基态氮原子核外电子运动状态有 种。
b.电子的空间运动状态:核外电子的空间运动状态=电子所占据的原子轨道数目,如基态氮原子核外电子空间运动状态有 种。
(4)电子云
由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾,因而被形象地称作电子云。
2.关系归纳
(1)能层、能级、原子轨道数目与电子数
能层
一
二
三
四
n
符号
K
L
M
N
…
能级
1s
2s、2p
3s、3p、3d
4s、4p、4d、4f
…
原子轨道数目
16
n2
最多容纳电子数目
32
2n2
(2)原子轨道与电子云轮廓图
原子轨道
电子云轮廓图形状
轨道个数
原子轨道伸展方向数
s
1
1
p
3(px,py,pz)
3
d
—
5
5
3.基态、激发态、原子光谱
【注意】 “七基色”与波长的关系:按“红、橙、黄、绿、青、蓝、紫”的顺序,波长逐渐变小,其中“红光”波长范围是770~622 nm,“紫光”波长范围是455~350 nm。
4.原子核外电子的排布
(1)三个原理和一个特例
能量最
低原理
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,电子填入能级的顺序为1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p……
泡利原理
在一个原子轨道里,最多只能容纳2个自旋相反的电子
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
洪特规则特例
能量相同的原子轨道在全充满、半充满或全空时能量最低
(2)基态原子核外电子排布表示方法(以硫原子为例)
电子排布式
简化电子排布式
价层电子排布式
价层电子轨道表示式(或价层电子排布图)
(3)基态原子核外电子排布式的书写模型
①书写模型
②价层电子排布式的书写
对于主族元素和0族元素,写出最外层电子排布式即可;对于过渡金属元素,其价层电子排布式一般符合(n-1)d1~10ns1~2(n≥4)。如Cr的价层电子排布式为 。
③离子核外电子排布式的书写方法
先写出基态原子的核外电子排布式,再由外向内失去电子或补充电子(基态原子失去电子时总是优先失去最外层电子),即得到相应阳离子或阴离子的核外电子排布式。如Cr3+的核外电子排布式为 或 。
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了泡利原理。( )
(2)电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理。( )
(3)磷元素基态原子的价层电子排布图为。( )
(4)2p和3p轨道形状均为哑铃形,能量也相等。( )
(5)表示的原子处于能量最低状态。( )
(6) Cu2O比CuO稳定的原因是+1价Cu的3d能级为全充满状态,能量较低。( )
一
电子运动状态和未成对电子数的判断
1.按要求填空:
(1)基态F原子核外电子的运动状态有 种。
(2)基态钛原子的价层电子排布式为 ,其原子核外电子的空间运动状态有 种,共有 种运动状态不同的电子。
(3)基态Cu原子核外电子的空间运动状态有 种。
2.按要求填空:
(1)基态Ti3+中未成对电子数有 个;与Ti同族相邻的元素Zr的基态原子价层电子排布式为 。与钛同周期元素的基态原子中,未成对电子数与钛相同的元素有 种。
(2)血红蛋白中的铁处于基态时,其最高能级中的单电子数为 。
(3)Cr与Ni的基态原子核外未成对电子数之比为 。
(4)第四周期中未成对电子数最多的基态原子的价层电子轨道表示式为 。
(5)我国“嫦娥五号”首次成功实现地外天体采样返回,标志着我国航天向前迈出了一大步。“嫦娥五号”制作材料中包含了Al、Cr、Cu、C、N、O、Si等多种元素。上述元素中基态原子未成对电子数与Al相同的有 。
(6)氨硼烷(NH3·BH3)的制备是当今科学研究的重要课题,可用反应B(OCH3)3+NH4Cl+LiAlH4NH3·BH3+Al (OCH3)3+LiCl+H2↑进行制备。反应中涉及元素的基态原子中含1个未成对电子的有 种。
未成对电子数的判断方法(以基态Fe为例)
附:前四周期元素基态原子未成对电子数
未成对电子数
元素
1
ⅠA、ⅢA、ⅦA族元素及钪(Sc)、Cu
2
ⅣA、ⅥA族元素及钛(Ti)、镍(Ni)
3
ⅤA族元素及钒(V)、钴(Co)
4
Fe
5
锰(Mn)
6
铬(Cr)
二
根据核外电子排布推断元素
3.按要求填空:
(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子,次外层有2个电子,其元素符号为 ;其基态原子价层电子的轨道表示式为 。
(2)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子且只有一个未成对电子,E的元素符号为 ,其基态原子的核外电子排布式为 。
(3)元素D的正三价离子的3d能级为半充满结构,D的元素符号为 ,其基态原子的核外电子排布式为 。
卷土重来——物质结构中的化学用语
表示物质结构的化学用语除常考的原子组成表示式、原子(或离子)结构示意图、电子式、用电子式表示物质形成过程、结构式、电子排布式、轨道表示式、球棍模型、空间填充模型外,新增σ、π键类型及形成过程的判断。
σ键
类型
s-s型
由两个原子的s轨道与s轨道“ 头碰头”重叠形成
s-p型
由两个原子的s轨道与p轨道“ 头碰头”重叠形成
p-p型
由两个原子的p轨道与p轨道“ 头碰头”重叠形成
p-p π键
由两个原子的p轨道“ 肩并肩”重叠形成
1.(2024·北京高考2题)下列化学用语或图示表达不正确的是( )
A.H2O2的电子式:H+H+
B.CH4分子的球棍模型:
C.Al3+的结构示意图:
D.乙炔的结构式:
2.下列化学用语或图示正确的是( )
A.(2024·湖南高考)NaOH的电子式:
Na+[︰︰H]-
B.(2024·山东高考)O3分子的球棍模型:
C.(2024·山东高考)激发态H原子的轨道表示式:
D.(2024·山东高考)p-p π键形成的轨道重叠示意图:
3.化学用语可以表达化学过程,下列化学用语表达错误的是( )
A.(2024·湖北高考)用电子式表示Cl2的形成:︰·+·︰︰︰︰
B.(2024·吉林高考)中子数为1的氦核素He
C.(2024·湖北高考)用电子云轮廓图示意p-p π键的形成:
D.(2024·吉林高考)F2的共价键类型:p-p σ键
4.下列化学用语表述错误的是( )
A.(2024·甘肃高考)Ca2+和Cl-的最外层电子排布图均为
B.(2024·甘肃高考)PH3和H2S的电子式分别为H︰︰H和H︰︰H
C.(2024·湖南高考)Cl2分子中σ键的形成:
D.(2024·甘肃高考CC和C互为同位素
5.(2025·八省联考晋陕青宁卷)下列化学用语表示正确的是( )
A.氯化氢的电子式:H+[︰︰]-
B.CO2和SO2的VSEPR模型均为
C.基态Cr原子价层电子的轨道表示式:
D.中子数为20的氯原子的核素符号Cl
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2024·广东高考)目前“北京时间”授时以铯原子钟为基准Cs的质子数为55。( )
(2)(2024·贵州高考)锑(Sb)位于第五周期第ⅤA族,则其基态原子价层电子排布式是5s25p3。( )
(3)(2024·安徽高考)基态Ni原子价层电子排布式为3d84s2。( )
(4)(2024·湖北高考)泡利原理认为一个原子轨道内最多只能容纳两个自旋相反的电子。( )
(5)(2024·湖北高考)基态原子的未成对电子数:H>O。( )
2.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2023·重庆高考)基态Ca原子的核外电子填充在6个轨道中。( )
(2)(2023·辽宁高考)基态Ni原子价层电子排布式:3d10。( )
(3)(2023·广东高考)创造了可控核聚变运动纪录的“人造太阳”,其原料中的2H与3H互为同位素。( )
(4)(2023·浙江6月选考)能量最低的激发态N原子的电子排布式:1s22s12p33s1。( )
(5)(2023·新课标卷)基态原子未成对电子数:B<C<O<N。( )
(6)(2023·北京高考)基态24Cr原子的价层电子轨道表示式为 。( )
(7)(2023·河北高考)用He替代H2填充探空气球更安全的原因是He的电子构型更稳定,不易得失电子。( )
3.(2024·北京高考1题)我国科研人员利用激光操控方法,从Ca原子束流中直接俘获41Ca原子,实现了对同位素41Ca的灵敏检测。41Ca的半衰期(放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间)长达10万年,是14C的17倍,可应用于地球科学与考古学。下列说法正确的是( )
A.41Ca的原子核内有21个中子
B.41Ca的半衰期长,说明41Ca难以失去电子
C.41Ca衰变一半所需的时间小于14C衰变一半所需的时间
D.从Ca原子束流中直接俘获41Ca原子的过程属于化学变化
4.按要求填写下列空白:
(1)(2024·山东高考)同周期中,基态原子未成对电子数比Mn多的元素是 (填元素符号)。
(2)(2024·全国甲卷)第ⅣA族元素基态原子核外未成对电子数为 ,在与其他元素形成化合物时,呈现的最高化合价为 。
(3)(2024·湖北高考)基态Be2+的轨道表示式为 。
(4)(2024·北京高考)Sn位于元素周期表的第五周期第ⅣA族。将Sn的最外层轨道表示式补充完整:
。
(5)(2024·广东高考)基态N原子价层电子的轨道表示式为 。
(6)(2024·湖南高考)基态Cu原子的价层电子排布式为 。
5.按要求填写下列空白:
(1)(2023·福建高考)基态Cu2+的价层电子排布式为 。
(2)(2023·广东高考)基态Fe2+的3d电子轨道表示式为 。
(3)(2023·海南高考)锑和磷同族,锑原子基态的价层电子排布式为 。
(4)(2022·海南高考)基态O原子的电子排布式为 ,其中未成对电子有 个。
提示:完成课后作业 第六章 第24讲
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第六章 物质结构与性质 元素周期律
第24讲 原子结构 核外电子排布
【考点·全面突破】
考点一
必备知识夯实
1.(1)化学 (2)②中子数 (4)质量数 离子所带电荷数
2.(3)D T 氕 氘 氚 (4)氢弹
易错辨析
(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)√
关键能力突破
1.B A项C和N的质子数不同,错误;B项C和N的中子数均为8,正确;C项C和N的质量数不同,错误;D项C和N的质子数不同,不是同一种元素,故二者不互为同位素,错误。
2.(b-a) (n+a)NA (n+a)NA
解析:X原子的质子数为a,质量数为b,中子数为(b-a),它与H原子构成HnX分子,其质量数为(n+b),中子数为(b-a),质子数为(n+a)。m g该氢化物的物质的量为 mol,故所含中子的物质的量为(b-a)mol,所含质子的物质的量为(n+a)mol,所含电子数与质子数相等。
3.C 铹的两种核素中质子数相等,中子数不同,物理性质不完全相同,A项错误;该反应中没有元素发生化合价变化,不属于氧化还原反应,B项错误;由质子数守恒可得22+81=b,解得b=103,由质量数守恒可得50+a=251+2,解得a=203,C项正确;Lr-251的中子数为251-103=148,148-103=45,D项错误。
4.B 由XHeY+n及质量守恒可知:W=30+1-4=27,X、Y质子数相差2,X为金属元素,则X、Y位于同一周期,且Y原子序数大于X,X、Y的最外层电子数之和为8,则X的最外层电子数为3,金属原子X的质量数为27,且位于第ⅢA族,Z=13,则X为Al;Y的最外层电子数为8-3=5,质子数为13+2=15,Y为PX的质量数为27,其相对原子质量近似为27,A错误;X为Al、Y为P,氯化铝、三氯化磷、五氯化磷均为共价化合物,B正确;原子半径:Al>P,即X的原子半径大于Y,C错误;该反应是核反应,不是化学变化,D错误。
考点二
必备知识夯实
1.(3)②a.7 b.5 2.(1)1 4 9 2 8 18 (2)球形 哑铃形
4.(2)1s22s22p63s23p4 [Ne]3s23p4 3s23p4
(3)②3d54s1 ③1s22s22p63s23p63d3 [Ar]3d3
易错辨析
(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√
关键能力突破
1.(1)9 (2)3d24s2 12 22 (3)15
解析:(1)基态F原子共有9个核外电子,核外电子的运动状态有9种。(2)基态Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2,其空间运动状态即占据轨道数有1+1+3+1+3+2+1=12,因此基态Ti原子的核外电子的空间运动状态有12种;核外有22个电子,就有22种运动状态。(3)基态Cu原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,基态Cu原子核外电子占据几个轨道,其核外电子就有几种空间运动状态,空间运动状态有1+1+3+1+3+5+1=15种。
2.(1)1 4d25s2 3 (2)4 (3)3∶1
(4)
(5)Cu (6)5
解析:(1)Ti位于第四周期,基态Ti原子中未成对电子数是2,与钛同周期的所有元素的基态原子中,未成对电子数与钛相同的元素有Ni、Ge、Se。(3)基态铬原子价层电子排布式为3d54s1,核外有6个未成对电子,基态镍原子价层电子排布式为3d84s2,核外有2个未成对电子,则铬与镍的基态原子核外未成对电子数之比为3∶1。(5)Al的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,有1个未成对电子,Cr、Cu、C、N、O、Si中只有Cu(价层电子排布:3d104s1)基态原子未成对电子数与Al相同。
3.(1)N
(2)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
解析:(1)A元素基态原子次外层有2个电子,说明A元素是第二周期元素,其最外层有3个未成对电子,故A元素是氮元素。(2)E元素基态原子的M层全充满,为3d10,N层没有成对电子且只有一个未成对电子,即E元素基态原子的价层电子排布式为3d104s1,故E元素为铜元素。(3)元素D的正三价离子的3d能级为半充满结构,该三价阳离子的价层电子排布式为3d5,故D元素为铁元素。
素养提升6 卷土重来——物质结构中的化学用语
1.A H2O2是共价化合物,其电子式为H︰︰︰H,A错误。
2.A NaOH的电子式为Na+[︰︰H]-,A正确;臭氧分子中心O原子的价层电子对数为2+=3,属于sp2杂化,有1个孤电子对,臭氧为V形分子,球棍模型为,B错误;不存在1p能级,C错误;p-p π键形成的轨道重叠示意图为,D错误。
3.B Cl2形成过程的电子式为︰·+·︰︰︰︰,A正确;中子数为1的He核素,其质量数为1+2=3,故其应表示为He,B错误;π键是由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成的,用电子云轮廓图表示p-p π键的形成为,C正确;两个F原子的含未成对电子的2p轨道相互重叠形成p-p σ键,D正确。
4.B Ca2+和Cl-的核外电子数都是18,最外层电子排布图均为,A正确;PH3中磷原子和每个氢原子共用一对电子,中心原子P原子价层电子对数为3+×(5-3×1)=4,孤电子对数为1,PH3的电子式为H︰︰H,B错误;Cl2分子中的共价键是由2个氯原子各提供1个未成对电子的3p原子轨道重叠形成的p-p σ键,形成过程为
,C正确;CC和C是质子数相同、中子数不同的碳原子,是碳元素的不同核素,互为同位素,D正确。
5.D 氯化氢是共价化合物,其电子式为H︰︰,A错误;二氧化碳的中心原子的价层电子对数是2,没有孤电子对,则其VSEPR模型是直线形,B错误;Cr是24号元素,其价层电子排布式为3d54s1,价层电子的轨道表示式为,C错误;中子数为20的氯原子的质量数为37,可表示为Cl,D正确。
【真题·体验品悟】
1.(1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)×
2.(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)× (7)√
3.A A项,41Ca的质量数为41,质子数为20,所以中子数为41-20=21,正确;B项,41Ca的半衰期长短与得失电子能力没有关系,错误;C项,根据题意41Ca衰变一半所需的时间要大于14C衰变一半所需的时间,错误;D项,从Ca原子束流中直接俘获41Ca原子的过程没有新物质产生,不属于化学变化,错误。
4.(1)Cr (2)2 +4 (3)(4)
(5) (6)3d104s1
5.(1)3d9 (2) (3)5s25p3 (4)1s22s22p4 2
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