内容正文:
第2课时 构造原理与电子排布式 电子云与原子轨道
第一章 第一节 原子结构
1.结合构造原理形成核外电子排布式书写的思维模型,并根据思维
模型熟练书写1~36号元素的电子排布式。
2.通过对原子轨道和电子云的学习,全面了解核外电子运动状态的
描述方法。
学习目标
任务一 构造原理与电子排布式
1
任务二 电子云与原子轨道
2
课时测评
4
内容索引
随堂演练
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任务一 构造原理与电子排布式
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新知构建
一、构造原理
1.内容: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______称为构造原理。
2.构造原理示意图:图中用小圆圈表示一个能级,
每一行对应一个能层,箭头引导的曲线显示递增
电子填入能级的______。
注:电子填充的常见一般规律:
1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s
3.能级交错:构造原理告诉我们,随核电荷数递增,电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。这种现象被称为能级交错。
顺序
顺序
二、电子排布式
1.电子排布式
将______上所容纳的电子数标在该能级符号________,并按照能层从左到右的顺序排列的式子。
如氮原子的电子排布式为
2.简化电子排布式
电子排布式可以简化,如Na的电子排布式可简化为Ne3s1,其中Ne表示Na的内层电子排布与稀有气体元素Ne的核外电子排布相同。
能级
右上角
能级
电子数
3.价层电子排布式
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)。
如:Ni的简化电子排布式为___________,价层电子排布式为________。
Ar3d84s2
3d84s2
根据构造原理,写出下列基态原子的核外电子排布式和简化电子排布式。
(1)8O:_________________________;
(2)14Si:_________________________;
(3)19K:_________________________;
(4)21Sc:______________________________;
(5)26Fe:______________________________。
交流研讨
1s22s22p4、[He]2s22p4
1s22s22p63s23p2、 [Ne]3s23p2
1s22s22p63s23p64s1、 [Ar]4s1
1s22s22p63s23p63d14s2、 [Ar]3d14s2
1s22s22p63s23p63d64s2、 [Ar]3d64s2
应用评价
1.正误判断
(1)O:1s22s22p4。
提示:√。
(2)Na:1s22s22p63s1。
提示:√。
(3)Cl:1s22s22p63s23p5。
提示:√。
(4)Cr:最后两个能级的电子排布式为3d44s2
提示:×,Cr:最后两个能级的电子排布式为3d54s1。
2.按要求填空:
(1)根据构造原理写出下列基态原子或离子的核外电子排布式。
①A元素原子核外M层电子数是L层电子数的一半:______________;
②B元素原子的最外层电子数是次外层电子数的1.5倍:__________;
1s22s22p63s23p2
1s22s22p1
L层有8个电子,则M层有4个电子,故A为硅;
当次外层为K层时,最外层电子数则为3,为硼;当次外层为L层时,最外层电子数为1.5×8=12,违背了排布规律,故不可能;
③基态Ni2+、Fe3+、S2-的电子排布式分别为__________________________、__________________________、__________________________。
1s22s22p63s23p63d8(或[Ar]3d8)
1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
1s22s22p63s23p6(或[Ne]3s23p6)
Ni的原子序数为28,根据构造原理,基态Ni原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2,故Ni2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d8;基态Fe原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,故Fe3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5;硫原子序数为16,基态硫原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4,故S2-的电子排布式为1s22s22p63s23p6。
(2)某元素的最外层电子排布式是4s24p5,则其元素符号为______。
(3)基态Ti2+中,电子占据的最高的能层符号为___,该能层有__个能级。
Br
M
3
根据价电子排布式可知该元素有4个电子层,最外层有7个电子,位于元素周期表的第四周期第ⅦA族,为Br元素。
Ti的原子序数为22,基态Ti原子的电子排布式为[Ar]3d24s2,故基态Ti2+的电子排布式为[Ar]3d2,电子占据的最高能层符号为M,该能层有3s、3p、3d共3个能级。
(4)写出基态砷原子的电子排布式:_______________,砷位于元素周期中第____周期第_______族。
[Ar]3d104s24p3
四
ⅤA
砷的原子序数为33,基态As原子的电子排布式为[Ar]3d104s24p3,位于第四周期第ⅤA族。
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任务二 电子云与原子轨道
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新知构建
1.概率密度
1913年,玻尔提出氢原子模型,电子在__________上绕核运行。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)。
线性轨道
概率
2.电子云
(1)定义:处于一定空间__________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)形状
运动状态
球形
一
哑铃形
三
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____。
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。
空间运动状态
球
大
哑铃
(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 ___ ___ ___ ___
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绘制电子云轮廓图的目的是表示电子云轮廓的形状,对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。例如,绘制电子云轮廓图时,把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来。
交流研讨
(1)电子云轮廓图中的小点的含义是什么?小点的密度表示什么?
提示:小点是电子在原子核外出现的概率密度的形象描述;小点密度越大,表明电子在核外出现的概率密度越大。
(2)电子在原子核外出现的概率有什么规律?
提示:离核越近,电子出现的概率越大,电子云越密集。
(3)s能级和p能级的原子轨道存在哪些方面的差异?
提示:轨道形状、数目、最多容纳的电子数均不同。
应用评价
1.正误判断
(1)原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围,故称电子云。
提示:×,原子核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾,而不是电子像云雾一样笼罩在原子核周围。
(2)s能级的电子云呈球形,处在该轨道上的电子只能在球壳内运动。
提示:×,处在s原子轨道上的电子,出现在球形内空间的概率为90%。
(3)p电子云轮廓图呈哑铃形,在空间有两个伸展方向。
提示:×,p电子云轮廓图呈哑铃形,在空间有x、y、z 3个伸展方向。
(4)2s轨道与1s轨道都是球形,但2s轨道的球形半径更大。
提示:√。
(5)p能级的原子轨道呈哑铃形,随着能层序数的增加,p能级原子轨道数也在增多。
提示:×,p能级所含原子轨道数只有3个,与能层序数无关。
2.如图是s能级和p能级的电子云轮廓图,下列说法正确的是
A.s能级的电子云轮廓图呈球形,p轨道电子沿轴呈“8”字形运动
B.s能级电子能量低于p能级
C.1p能级有3个原子轨道,在空间伸展方向是不同的
D.任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级数等于该能层序数
√
s能级的电子云轮廓图呈球形,p能级的电子云轮廊图呈哑铃形,但是电子是做无规则运动,轨迹是不确定的,故A错误;根据构造原理,各能级能量由低到高的顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f……,所以s能级电子能量不一定小于p能级,如4s>3p,故B错误;没有1p轨道,故C错误;多电子原子中,同一能层的电子,能量可能不同,可以把它们分成不同能级,任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级数等于该能层序数,故D正确。
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随堂演练
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1.下列各项中,前面的能级先填入电子的是
①3d和4s ②4p和5s ③5s和4d ④5p和4d
A.①② B.②③
C.②④ D.③④
√
根据构造原理可知电子填入能级的顺序为……4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s……从而可以看出②③中前面的能级先填入电子,选B。
2.X2+的核外电子排布式为1s22s22p6,下列说法正确的是
A.X可能为稀有元素
B.X原子的核外电子排布为1s22s22p63s2
C.X原子的核外电子排布为1s22s22p62d2
D.X2+的最外电子层上有6个电子
√
X原子应比X2+多2个电子,故电子排布式为1s22s22p63s2,X为镁元素,Mg2+的最外层有8个电子。
3.(双选)下列关于原子结构、原子轨道的说法正确的是
A.N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,共16个轨道,最多可容纳32种运动状态的电子
B.在K能层中,有两条轨道
C.s电子绕核运动,其轨道为球面,而p电子在哑铃形曲面上运动
D.114号元素是位于p区的金属元素,价电子排布式为7s27p2
√
√
N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,共16个轨道,最多可容纳32种运动状态的电子,故A正确;K能层含有s能级有1个轨道,故B错误;s电子绕核运动,其轨道都是球形的,p电子的轨道都是哑铃形,电子主要在哑铃形轨道上运动,但也在其他区域出现,只是出现的几率小,故C错误;114号元素位于第七周期第ⅣA族,属于p区,价层电子数为4,价电子排布式为7s27p2,故D正确。
4.Ⅰ.我国“嫦娥五号”返回器携月壤成功着陆。研究发现,月壤中存在天然的铁、金、银、铅、锌、铜、锑、铼等矿物颗粒。
(1)写出铜的基态原子的电子排布式:_________________________________。
铜原子核电荷数为29,其基态原子的电子排布式为[Ar]3d104s1或1s22s22p63s23p63d104s1;
[Ar]3d104s1或1s22s22p63s23p63d104s1
(2)第四周期的元素原子中最外层电子数与铜原子的相同的元素有_______
(填元素符号)。
铜原子核电荷数为29,其最外层有1个电子;第四周期的元素原子中最外层电子数与铜原子的相同的元素有钾(K)和铬(Cr);
K、Cr
(3)Fe在周期表中位于第____周期第_______族。
铁原子的核电荷数为26,核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d64s2,Fe在周期表中位于第四周期第Ⅷ族;
四
Ⅷ
Ⅱ.(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。
s电子的原子轨道为 ,呈球形,每个s能级有1个原子轨道;p电子的原子轨道为 ,p电子的原子轨道呈哑铃形,每个p能级有3个原子轨道;
球
1
哑铃
3
(2)基态铝原子核外共有____种不同能级的电子,有_____种不同运动状态的电子。
铝原子的核电荷数为13,基态铝原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,有1s、2s、2p、3s、3p共5种不同能级的电子,原子核外共有13个电子,有13种不同运动状态的电子。
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课时测评
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题点一 构造原理
1.下列有关构造原理的说法错误的是
A.原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序一般为3p→4s→3d
B.某基态原子部分核外电子排布式为3s24s2
C.在多电子原子中,电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级
D.从第三能层开始出现能级交错现象
√
根据构造原理判断,A项正确;根据构造原理可知,3s能级与4s能级之间还有3p能级,B项错误;在多电子原子中,电子最后填入的能级不一定是原子最外能层上的能级,C项正确。
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2.按照构造原理,下列电子填入能级的顺序正确的是
A.1s、2p、3d、4s B.1s、2s、3s、2p
C.2s、2p、3s、3p D.4p、3d、4s、3p
√
由构造原理可知,A项中电子填入能级的正确顺序应为1s、2p、4s、3d,A错误;B项中电子填入能级的正确顺序应为1s、2s、2p、3s,B错误;D项中电子填入能级的正确顺序应为3p、4s、3d、4p,D错误。
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3.按照量子力学对原子核外电子运动状态的描述,下列说法不正确的是
A.核外电子运动不存在固定轨迹的轨道
B.能级的能量:1s<2s<3s<4s
C.电子云图中的小点密表示该核外空间的电子多
D.序数为n的电子层具有的原子轨道数为n2
√
核外电子运动只是在某个区域出现的概率大些,不是围绕原子核在固定的轨道上运动,A正确;同一原子中,形状相同的原子轨道能层越低,能量越低,所以能级的能量高低:1s<2s<3s<4s,B正确;小点密表示电子出现机会多,不表示在该核外空间的电子数多,C错误;序数为n的电子层具有的原子轨道数为n2,D正确。
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题点二 电子排布式
4.第四周期某元素基态原子4s轨道上有2个电子,则该基态原子价层电子排布不可能是
A.4s2 B.3d54s2
C.3d94s2 D.4s24p5
√
若价层电子排布为4s2,为20号元素Ca,电子排布式为[Ar]4s2,A正确;若价层电子排布为3d54s2,为25号元素Mn,电子排布式为[Ar]3d54s2,B正确;没有价层电子排布为3d94s2的原子,29号元素Cu,电子排布式为[Ar]3d104s1,C错误;若价层电子排布为4s24p5,为35号元素Br,电子排布式为[Ar]3d104s24p5,D正确。
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5.主族元素的原子失去最外层电子形成阳离子,主族元素的原子得到电子填充在最外层形成阴离子。下列各原子或离子的电子排布式错误的是
A.Al 1s22s22p63s23p1 B.O2- 1s22s22p6
C.Na+ 1s22s22p6 D.Si 1s22s22p2
√
Al为13号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p1,选项A正确;氧为8号元素,O2-的电子排布式为1s22s22p6,选项B正确;钠为11号元素,Na+的电子排布式为1s22s22p6,选项C正确;硅为14号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2,选项D错误。
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6.已知三种微粒(原子或离子)的电子排布式如下:
11X:1s22s22p6 19Y:1s22s22p63s23p6 20Z:1s22s22p63s23p6
若将上述三种微粒归为同一类,下列微粒中也可归为此类的是
√
分析原子核内的质子数和核外电子排布式之间的关系可知,三种微粒都是金属阳离子。分析A~D四个选项中微粒结构示意图的核电荷数和核外电子排布的关系可知,A和D是原子,B是阴离子,C是金属阳离子。
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题点三 构造原理与电子排布式的综合应用
7.基于构造原理填充顺序,下列原子轨道的能量大小比较,正确的是
A.E(4s)<E(4f) B.E(3s)>E(3p)
C.E(4s)<E(3p) D.E(2px)<E(2py)
√
根据构造原理可知,不同能级能量由低到高的顺序为1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4f,据此分析解题。根据构造原理可知,E(4s)<E(4f),E(3s)<E(3p),E(4s)>E(3p),A正确,B、C错误;根据构造原理可知,同一能级不同轨道的能量相同,故E(2px)=E(2py),D错误。
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8.下列各组原子中,彼此化学性质一定相似的是
A.2p轨道上只有两个电子的X原子与3p轨道上只有两个电子的Y原子
B.原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子
C.原子核外电子排布式为1s2的X原子与原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子
D.最外层都只有一个电子的X、Y原子
√
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X是碳,Y是硅,它们属于同主族元素,彼此化学性质一定相似,A符合题意;原子核外M层上仅有两个电子的X原子为Mg、原子核外N层上仅有两个电子的Y原子可能是Ca、Fe、Zn等,如果X是Mg,Y是Fe、Zn等,二者化学性质不相似,B不符合题意;原子核外电子排布式为1s2的X原子为He,处于稳定结构,原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子为Be,前者是0族元素、后者是第ⅡA族元素,两者化学性质不相似,C不符合题意;最外层只有一个电子的原子,可能是H原子、碱金属原子或第ⅠB族元素原子,化学性质不一定相似,D不符合题意。
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题点四 电子云与原子轨道
9.某原子的最外层电子排布为3s23p2,下列对其核外电子运动的说法错误的是
A.有4种不同的伸展方向
B.有5种不同能量的电子
C.有5种不同的空间运动状态
D.有14种不同运动状态的电子
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某原子的最外层电子排布为3s23p2,则该元素是14号Si元素。Si原子有s、p两种轨道,s轨道是球形对称的,p轨道有三个不同的伸展方向,因此Si原子轨道有4种不同的伸展方向,A正确;Si元素的核外电子排布为1s22s22p63s23p2,处于同一能级上的电子的能量相同,在Si原子上有5种不同的能级,有5种不同能量的电子,B正确;Si的核外电子排布为1s22s22p63s23p2,原子核外有8种不同的原子轨道,有8种空间运动状态,C错误;Si是14号元素,原子核外有14个电子,由于在同一个原子中,不存在运动状态完全相同的电子,因此Si原子有14种不同运动状态的电子,D正确。
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10.下列能级符号正确且原子轨道数最多的是
A.2d B.3f
C.4d D.5s
√
不存在2d、3f能级,A、B错误;4d能级有5个原子轨道,5s能级有1个原子轨道,C正确,D错误。
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11.下列关于原子结构的说法不正确的是
A.同一原子中,2p、3p、4p电子的能量依次增大
B.电子由3d能级跃迁至5s能级,可通过光谱仪摄取原子的发射光谱
C.N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,共16个轨道,最多可容纳32种不同运动状态的电子
D.基态K原子占据最高能层的电子的电子云轮廓图为球形
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相同轨道能层越高能量越大,则能量:2p<3p<4p,故A正确;电子由3d能级跃迁至5s能级,吸收能量,所得光谱为吸收光谱,故B错误;N能层中有4s、4p、4d、4f四个能级,共16个轨道,N能层最多可容纳32个电子,故C正确;基态K原子核外电子排布式为Ar4s1,最高能层的电子在s轨道,s轨道电子云轮廓图为球形,故D正确。
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12.(双选)某原子核外共有15个不同运动状态的电子,下列说法正确的是
A.该基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p23d1
B.原子中的所有电子占有5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.基态原子中能量最高的电子的电子云轮廓图为哑铃形
√
某原子核外共有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,A错误;该原子中电子占有1s、2s、2p、3s、3p共5个能级,9个轨道,B正确;该元素的最高价氧化物对应的水化物H3PO4为中强酸,C错误;基态原子中能量最高的电子处于3p能级,3p电子云轮廓图为哑铃形,D正确。
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13.下列各组指定的元素,不能形成AB2型化合物的是
A.[He]2s22p2和[He]2s22p4 B.[Ne]3s23p4和[He]2s22p4
C.[Ne]3s2和[He]2s22p5 D.[Ne]3s1和[Ne]3s23p4
√
核外电子排布式为[He]2s22p2的元素为C,核外电子排布式为[He]2s22p4的元素为O,二者可形成CO2,A项不符合题意;核外电子排布式为[Ne]3s23p4的元素为S,核外电子排布式为[He]2s22p4的元素为O,二者可形成SO2,B项不符合题意;核外电子排布式为Ne3s2的元素为Mg,核外电子排布式为[He]2s22p5的元素为F,二者可形成MgF2,C项不符合题意;核外电子排布式为[Ne]3s1的元素为Na,核外电子排布式为[Ne]3s23p4的元素为S,二者形成Na2S,不能形成AB2型化合物,D项符合题意。
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14.(6分)下图是s能级和p能级的原子轨道图。
试回答下列问题:
(1)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_______。
2p
垂直
氮
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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 。
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(2)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__________________。
S
1s22s22p63s23p4
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。
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15.(9分)完成下列各题。
(1)基态Zn原子核外电子排布式为_________________________________。
Zn为30号元素,原子核外有30个电子,基态Zn原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2。
1s22s22p63s23p63d104s2(或[Ar]3d104s2)
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(2)Fe成为阳离子时首先失去__轨道电子,Sm的价层电子排布式为4f66s2,Sm3+的价层电子排布式为____。
4s
4f5
Fe为26号元素,基态Fe原子的核外电子排布式为[Ar]3d64s2,成为阳离子时首先失去最外层电子,即4s轨道的电子;Sm的价层电子排布式为4f66s2,失去6s轨道上两个电子以及4f轨道上1个电子后形成Sm3+,所以Sm3+的价层电子排布式为4f5。
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(3)基态Fe2+核外电子排布式为_____________________________。
(4)基态Ge原子的核外电子排布式为[Ar]____________。
由(2)可知,基态Fe2+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6。
1s22s22p63s23p63d6(或[Ar]3d6)
3d104s24p2
Ge为32号元素,核外有32个电子,基态Ge原子的电子排布式为[Ar]3d10
4s24p2。
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(5)写出基态Se原子的核外电子排布式:_____________________________
______________。
1s22s22p63s23p63d104s24p4(或
[Ar]3d104s24p4)
Se为34号元素,核外有34个电子,基态Se原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p4或[Ar]3d104s24p4。
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16.(6分)A、B、C分别代表三种不同的短周期元素。A元素的原子最外层电子排布式为ns1,B元素的原子最外层电子排布式为ns2np2,C元素的原子最外层电子数是其电子层数的3倍。
(1)C元素原子的电子排布式为____________,若A元素的原子最外层电子
排布式为1s1,则A与C形成的阴离子的电子式为_____________。
1s22s22p4
由C元素的原子最外层电子数是其电子层数的3倍,推出C为O元素;
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(2)当n=2时,B的原子结构示意图为__________。
若n=2,则B元素的原子最外层电子排布式为2s22p2,B为碳元素;
(3)若A元素的原子最外层电子排布式为2s1,元素A在周期表中的位置是_________________。
若A元素的原子最外层电子排布式为2s1,A为Li元素,在周期表中的位置是第二周期第ⅠA族。
第二周期第ⅠA族
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第2课时 构造原理与电子排布式
电子云与原子轨道
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