第一章 第一节 原子结构-【新课程能力培养】2026-2027学年高中化学选择性必修2 物质结构与性质学习手册（人教版）

第一章原 第一节 学习目标 1.知道基于量子力学的现代原子结构模型。 2.能说明微观粒子和宏观物体运动特点的 差异，知道可以用原子轨道和电子云模 型来描述原子核外电子的运动状态。 3.知道核外电子运动的能量状态具有量子 化特征，能从基态和激发态说明核外电 子在一定条件下跃迁会产生原子光谱。 4.了解原子核外电子排布的构造原理，能 结合能量最低原理、泡利不相容原理、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，并说明含义。 知识梳理 川知识点1能层与能级 1.能层 在多电子原子中，核外电子的能量是不 同的，按电子能量的差异及运动区域离核的 远近，可以将核外电子分为不同的能层。以 符号 …表示相应的第一、二、三 四、五、六、七…能层。能层越高，电子 的能量 2.能级 在多电子原子中，同一能层的电子的 也可能不同，可以将它们分为不同 的能级。每一能层的能级数等于 第一章原子结构与性质⊙ 子结构与性质 原子结构 能级符号以 表示。 任一能层的能级都是从 能级开始。 在多电子原子中，同一能层各能级电子的能 量顺序为 3.各能层、能级与最多容纳的电子数之间 的关系 各能级最多容纳的电子数按s、p、d、 f、g…的顺序依次为 。各能层、能级与最多容纳的电子数 之间的关系如下。 最多容纳 能层(n) 能级 的电子数 K 山 四 五 0 年中来中” 年来来中中 六 P 七 … … … 知识点2 基态与激发态原子光谱· 1.基态与激发态 处于 状态的原子叫基态原子。 基态原子 能量，它的电子会跃迁到 学 1 高中化学选择性必修2（人教版） 能级，变为激发态原子。 2.原子光谱 电子 能量，会从基态或能量较 低的激发态跃迁到能量较高的激发态，反 之，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较 低的激发态或基态会 能量。元素不 同，其电子发生跃迁时吸收或释放的能量也 不同，当吸收或释放的能量以 的形 式表现并被 记录下来，就形成了吸 收光谱或发射光谱，吸收光谱和发射光谱统 称为原子光谱。 日常生活中的霓虹灯光、LED灯光、激 光、荧光、焰火等 都与原子核外电 子发生跃迁 能量有关 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 川知识点3构造原理与电子排布式， 1.构造原理 以 事实为基础，从氢开始，随 着核电荷数递增，新增电子填入 的 顺序称为构造原理。 (6s (6d ○每一行对应 一个能层 5s) ○一每个小圆圈表 示一个能级 4s) 4p 4d) 4f) 各圆圈间连接线的方向 3s) 表示随核电荷数递增而 增加的电子填入能级的 顺序 2.能级交错：根据构造原理，随着核电荷 数的递增，增加的电子并不总是在填满 一个能量较低的能层后再开始填入下一 个能量较高的能层。如随着核电荷数的 递增，电子是按3p→4s→3d的顺序填 充，而不是按3p→3d→4s的顺序填充， 这种现象被称为能级交错。当然，能级 交错同样是基于光谱学事实的结果。 3.电子排布式 电子排布式是用核外电子分布的 符号及各能级上的 来表示原子核外 电子排布的式子。如基态氮原子的核外电子 排布式为： 能层1s2s2p 能级上容纳 的电子数 能级幻 大多数元素基态原子的核外电子排布式 都可以按照构造原理写出。 4.电子排布式的书写要求 (1)要按 递增的顺序书写，而不 是按构造原理的顺序书写。如Fe的基态 电子排布式应写成1s22s22p3s23p3d4s2, 而不是1s22s22p63s23p64s23d。 (2)电子排布式可以简化书写。为了避免书写 的电子排布式过于烦琐，可以把内层电子 达到稀有气体元素原子电子层结构的部 分，以相应稀有气体元素符号外加方括号 (称为“ ”)来表示。如Fe的 基态电子排布式可以简化为[Ar]3d4s2, 其中[Ar]代表A如原子实，即Ar的 核外电子排布式：1s22s22p3s23p。 (3)为突出核外电子排布与元素化合价的 关系，也可以略去简化电子排布式中 的原子实，只保留与形成 有 关的部分，这样的电子排布式称为价 层电子排布式。如Fe的基态价层电子 排布式为3d4s2。 知识点4电子云与原子轨道 1.核外电子的运动特点 (1)质量很小，为9.10956×1031kg,约是 质子质量的1 1836 (2)运动空间范围很小，直径约10×10-0m。 (3)运动速率极高，接近光速。 宏观物体的运动可以用 来描 述，它在某一时刻的运动速率和所处位置能 同时准确测定，其运动轨迹是可以追踪的。 而对于质量非常小、运动速率极快的微观粒 子，人们却不能同时准确地测定它在某一时 刻的位置和运动速率，也不能描画出它的运 动轨迹，微观粒子的运动必须用 来 描述，核外电子的运动，量子力学用 描述。 2.电子云 量子力学认为，一定 的电子在核外空间各处都有可能出现。为了 形象地描述电子在核外空间的 通 常将电子出现在核外空间的一次机会用一个 小点表示。电子在核外空间某区域出现的机 会称为概率(P),在核外空间某区域单位 体积(V)内出现的概率称为 (p= ),因此，小点越密，表明 越大。 由于核外电子的 看起来像 一片云雾，因而被形象地称作 。下 图分别为1s、2s、2p,、2p.的电子云图。 · 1s电子云 2s电子云 第一章原子结构与性质。 2p,电子云 2p.电子云 由此可见，电子云是处于 的电子在原子核外空间的 的形 象化描述。 由于电子云图很难绘制，使用不便，人 们通常使用电子云轮廓图。 电子云轮廓图的绘制过程 同种能级的电子云轮廓图形状 s能级的电子云轮廓图都是 形的， 不同的是，随着能层升高，s电子的能量越 来越高，在离核更远的区域出现的概率越来 越大，因而半径也越来越大，如下图所示： Is 2s 4s 同一原子的s电子的电子云轮廓图 除§电子云外，其他电子云轮廓图都不 是球形的。p电子云轮廓图是 的， 且在空间中有3个互相垂直的取向，如下图 所示： o, P、P,、p.的电子云轮廓图 学 3 高中化学选择性必修2（人教版） 3. 原子轨道 量子力学把电子在原子核外的一个 称为一个原子轨道。各能级的 一个伸展方向的 即表示一 个原子轨道。下图为d能级的原子轨道： 吸 知识点5泡利原理、洪特规则、能 量最低原理 1.电子自旋与泡利原理 核外电子除 状态外，还有一种 状态叫做自旋。自旋是微观粒子普遍具有的 内在属性。电子的自旋有逆时针和顺时针两 种取向：电子逆时针自旋，表示顺着磁场方 向取向，用向上箭头↑表示；电子顺时针自 旋，表示逆着磁场方向取向，用向下箭头↓ 表示。如下图所示： m,=+ 1925年，沃尔夫冈·泡利提出，每个 原子轨道最多只能容纳 个电子，且 它们的 方向相反，这个原理被称为 泡利不相容原理，又称泡利原理、不相容原 理，是微观粒子运动的基本规律之一。 学 2.电子排布的轨道表示式 轨道表示式，又称 图，是 表述电子排布的一种图式。下图为基态氧原 子的轨道表示式： 001↑↑↑↑] Is 2s 2p 轨道表示式中各字母、数字及图形、符 号等所代表的含义如下： +能层序数 →原子轨道 没有电子 的轨道称 2s 2p 3s 3p 为空轨道 g闪Ut的阿 →1个方框表示1个轨道 →单电子 →箭头表示1个电子及其自旋状态（用“↑）” 表示2个自旋方向相反的电子) 书写轨道表示式的要求如下： (1)用方框“口”或圆圈“O”表示原子 轨道，能量相同的原子轨道（也称 )的口或O相连，不同 能级中的口或O要相互分开，为表达 不同能级能量的高低，也可上下错落 画出； (2)箭头表示一种自旋状态的电子，一个箭 头表示一个电子，“↓↑”称 “↓”或“↑”称 或 ,箭头同向，自旋 箭头相反，自旋 (3)在口或○的下方或上方要标记能级符 号，且各能级的排列顺序要与相应的 电子排布式一致。 3.洪特规则 在 原子或离子中，电子在 上排布时，总是 ,且自 旋 ，这个规则是由德国物理学家弗 里德里希·洪特首先提出的，称为洪特规则。 洪特规则仅适用于 原子或离子 中电子在 中的排布，不适用于电子 在 中的排布。 洪特规则特例：少数元素基态原子的电 子排布对于构造原理有1个电子的偏差。这 是因为在简并轨道上的电子排布处于全充 满、半充满或全空状态时，简并轨道上自 旋平行的电子数目最多，降低了电子间的排 斥能，使体系的能量最低，具有最大的稳 定性。 例如铬（4Cr)元素的价电子排布式为 3d54s,3d和4s轨道均为 状态，较 3d44s2要更 ；铜（oCu)元素的价 电子排布式为3d4s,3d为 状态， 4s为 状态，较3d°4s2要更 4.能量最低原理 体系的能量 体系越稳定，这 是自然界的普遍规律。原子核外电子的排布 也遵循这一规律，基态原子是处于能量 状态的原子，是最稳定的平衡态。多电 子原子在基态时，核外电子总是尽可能地先 占据 的原子轨道，当能量 的原子轨道占满后，再依次占据能量 的原子轨道，从而使整个原子的能量 处于 状态，这就是能量最低原理。 要点精析 要点1人类对原子结构的认识历程： 人类对原子结构的认识经历了漫长的历 史过程。 (1)古希腊原子论：公元前5世纪，古希腊 哲学家率先提出了物质构成的原子学 说，认为原子是最小的、不可分割的 物质粒子，“原子”这个词就是“不可 再分割之物”的意思。 第一章原子结构与性质。 (2)道尔顿实心球模型：1803年，英国化 学家道尔顿(John Dalton)提出了原子 的实心球模型，认为原子是不可再分 的坚硬实心小球。 (3)汤姆孙“葡萄干布丁”模型：1904年， 英国物理学家汤姆孙在发现电子的基础 上提出了原子结构的“葡萄干布丁”模 型，认为原子是均匀分布着正电荷的球 体，带负电的电子镶嵌在其中，并中和 正电荷，使原子呈电中性。 (4)卢瑟福核式行星模型：1911年，英国 物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验， 提出了原子结构的核式行星模型，认 为原子由原子核和核外电子组成；原 子核位于原子的中心，在一个很小的 区域内，集中了原子的全部正电荷和 绝大部分质量；原子内部的大部分区 域是空的，带负电荷的电子像太阳系 的行星环绕太阳运转一样，在这个区 域内围绕原子核高速运动。 (5)玻尔核外电子分层排布模型：丹麦物 理学家玻尔根据原子光谱实验，提出 了核外电子分层排布的原子结构模型。 (6)电子云模型（量子力学模型，1926~ 1935年)：原子是由居于原子中心的原 子核和核外电子构成的；原子核是由 质子和中子构成的；核外电子的运动 有其特殊规律，人们形象地用电子云 描述核外电子的运动状态。 典例1下列是不同时期的原子结构模型， 按提出的时间顺序排列正确的是() ①玻尔原子结构模型 ②“葡萄干布丁”模型 ③量子力学模型 学 5 高中化学选择性必修2（人教版） ④道尔顿原子论 ⑤核式行星模型 A.①③②⑤④ B.④②③①⑤ C.④②⑤①③ D.④⑤②①③ 解析：1803年，道尔顿把“原子”从哲学 概念确定为化学中的实在微粒；1904年， 汤姆孙在发现电子的基础上提出原子结构的 “葡萄千布丁”模型；1911年，卢瑟福根据 α粒子散射实验提出原子结构的核式行星模 型；1913年，玻尔根据原子光谱实验提出核 外电子分层排布的原子结构模型；20世纪20 年代中期建立了原子结构的量子力学模型。 答案：C B变式训练① 人类对原子结构的认识经历了漫长的历史过 程。下列科学家对量子力学做出了突出贡献 的是() A.道尔顿 B.汤姆孙 C.卢瑟福 D.玻尔 川要点2能层与能级 1.在多电子原子中，核外电子的能量是不 同的，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.同一能层电子的能量也有所不同，分为 不同能级，其能量高低顺序为E(ns)< E(np)<E(nd)<E(nf)… 典例2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.越容易失去的电子能量越高 B.离核越远的电子能量越高 C.在离核最近的区域内运动的电子能量最低 6 学 D.p能级电子的能量一定高于s能级电子的 能量 解析：越易失去的电子，离核越远，能量越 高；越不易失去的电子，离核越近，能量越 低，A、B、C正确；同一能层中p能级电子的 能量一定高于s能级电子的能量，若s能级所 在的能层高于p能级所在的能层，则s能级 电子的能量高于p能级电子的能量，D错误。 答案：D 典例3下列能级符号中，错误的是() A.3s B.3p C.3d D.2d 解析：每一能层的能级数应该等于该能层的 序数，且每一能层的能级都是从s能级开始， 依次为s、p、d、f、g…因此，第二层只有 2s、2p两个能级，不存在2d能级。 答案：D B变式训练2 下列各能层不包含d能级的是（) A.0能层 B.P能层 C.M能层 D.L能层 典例4第N能层所含能级数、最多容纳电 子数分别为( A.3、18 B.4、24 C.5、32 D.4、32 解析：第N能层为第4层，含有4个能级， 分别为s、p、d、f,最多可以容纳2×42=32 个电子，D正确。 答案：D D变式训练3 下列能级符号表示正确，且最多容纳的电子 数按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 要点3基态与激发态原子光谱 光谱的成因及分类 形成吸收光谱 吸收能量 基态 原子 电子跃迁 激发态 原子 释放能量 形成发射光谱 典例5 下列现象与电子的跃迁无关的是 A.燃放烟火 B.霓虹灯 C.燃烧蜡烛 D.平面镜成像 解析：燃放烟火、霓虹灯、燃烧蜡烛等获得 的光能，都是由于电子跃迁时以光的形式释 放能量，而平面镜成像则是光线反射的结果。 答案：D 典例6下列关于同一种原子中的基态和激 发态的说法中，正确的是（) A.基态时的能量比激发态时的高 B.激发态时比较稳定 C.电子由基态转化为激发态过程中吸收能量 D.电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生 原子光谱 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；电子从能量较低的 基态跃迁到能量较高的激发态时，会产生吸 收光谱，吸收光谱也是原子光谱，D不正确。 答案：C 典例7元素钠的焰色试验呈黄色，从能量 变化的角度其光谱类型属于()》 A.发射光谱 B.吸收光谱 C.连续光谱 D.线状光谱 解析：焰色试验是指待测物的金属元素吸收 能量后，原子中的电子发生跃迁变为激发 第一章原子结构与性质⊙ 态，而激发态不稳定，释放能量变为较低能 量的激发态或基态，产生发射光谱。 答案：A 要点4构造原理与电子排布式 随着核电荷数递增，新增电子按如下顺 序填入能级： (6d) 5s) 5f) 4s) (4d 39 Gp) 典例8下列各基态原子或离子的电子排布 式正确的是() A.21Sc:1s22s22p63s23p4s23d B.F:2s22p C.16S2:1s22s22p63s23p4 D.Ar:1s22s22p3s23p 解析：4s能级要写在3d后边，A错误；B 项中的书写不完整，缺少内层电子，应为 1s22s22p5,B错误；S2有18个电子，3p能 级上应有6个电子，C错误。 答案：D B变式训练④ 下列原子或离子核外电子排布不属于基态排 布的是（) A.N:1s22s22p B.Cl:1s22s22p3s23p C.Na:1s22s22p53s2 7 高中化学选择性必修2（人教版） D.Si:1s22s22p63s23p2 典例9某元素的M层有4个p电子，下列 叙述错误的是() A.N层不含电子 B.该元素不含d电子 C.L层一定有8个电子 D.原子最外层电子数为4 解析：根据构造原理可知，该元素原子的电 子排布式为1s22s22p3s23p4,K、L、M能层 容纳的电子数分别为2、8、6，因3p能级未 填满，故没有3d电子，N层不含电子；原 子最外层电子数为6。 答案：D B变式训练⑤ 某基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p 3d54s2,下列说法不正确的是（) A.该元素原子中共有25个电子 B.该元素原子核外有4个能层 C.该元素原子最外层共有7个电子 D.该元素原子M能层共有13个电子 要点5电子云与原子轨道 1.电子云是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。电子云图中，小黑点越密，表 示概率密度越大。 2.电子在原子核外的一个空间运动状态称 为一个原子轨道。 典例10图1和图2分别是1s电子的概率 密度分布图和原子轨道图。下列有关认识正 确的是（)》 8)学 图1 图2 A.图1中的每个小点表示1个电子 B.图2表示1s电子只能在球体内出现 C.图2表明1s轨道呈圆形，有无数对称轴 D.图1中小点的疏密程度表示电子在核外 空间单位体积内出现概率的大小 解析：概率密度分布图也就是电子云图，是用 小，点的疏密程度来表示电子在原子核外空间的 概率密度分布的形象化描述，小，点并不表示电 子，A错误，D正确；常用电子云轮廓图的形 状和取向来表示原子轨道的形状和取向，电子 云轮廓图表示电子在原子核外空间出现概率较 大的区域（如90%以上），而不是绝对的 100%,B错误；1s轨道呈球形，而不是圆 形，球形对称图形有无数条对称轴，C错误。 答案：D B变式训练6 下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是 （) A.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 B.各能层s能级的原子轨道都是圆形，但 圆的半径大小不同 C.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 D.s、p能级原子轨道的平均半径均随电子 层的增大而增大 典例11下列能级中，轨道数为5的是 ( A.2s B.3p C.4d D.5f 解析：在每一能层中，s、p、d、f…能级 所包含的轨道数分别为1、3、5、7… 答案：C B变式训练⑦ 符号为N的能层，所含的原子轨道数为 A.4 B.8 C.16 D.32 要点6 泡利原理、洪特规则、能量 最低原理 1.泡利原理：一个原子轨道最多只能容纳 2个自旋相反的电子。 2.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 3.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。 典例12“各能级最多容纳的电子数，是 该能级原子轨道数的2倍”，支撑这一结论 的理论是（) A.构造原理 B.泡利不相容原理 C.洪特规则 D.能量最低原理 解析：根据泡利不相容原理，每个原子轨道 最多只能容纳2个电子，且它们自旋相反， 因此，各能级最多容纳的电子数，是该能级 原子轨道数的2倍。 答案：B B变式训练⑧ 某原子核外电子排布为ns2np',它违背了 A泡利原理 B.能量最低原理 第一章原子结构与性质⊙ C.洪特规则 D.洪特规则特例 典例13将基态P原子的电子排布式写成 1s22s22p3s23p23p,违背了() A.能量守恒原理 B.泡利不相容原理 C.能量最低原理 D.洪特规则 解析：P原子3p能级上有3个轨道、3个电 子，这3个电子应该排在3个不同的轨道 上，且自旋平行，正确的电子排布式为 1s22s22p63s23p3p3p,故它违背了洪特规则。 答案：D B变式训练可 d轨道中电子排布成↑↑↑↑，而 不能排布成↑↓ 其最直接的 根据是( A.构造原理 B.泡利原理 C.洪特规则 D.能量最低原理 典例14将基态P原子的电子排布式写成 1s22s22p3s13p4,违背了( A.能量守恒原理 B.泡利不相容原理 C.能量最低原理 D.洪特规则 解析：3s轨道的能量低于3p轨道，根据能量 最低原理，电子应排满3s轨道后再排入3卯轨 道，故正确的电子排布式为1s22s22p3s23p3。 答案：C B变式训练0 下列原子的电子跃迁能释放光能形成发射光 谱的是() A.1s22s22p63s2→1s22s22p63p2 B.1s22s22p3s-1s22s22p C.1s22s2→1s22s12p1 D.1s22s22p→1s22s22p 9N 参考答案与解析 学习手册参考答案与解析 第一章 原 第一节原子结构 知识梳理 知识点1 L.K L M N O P Q越高 2.能量该能层的序数(n)s、p、d、f、g… s E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)<E(ng)...... 3.自然数中的奇数序列1、3、5、7、9…的2倍 能层(n) 能级 最多容纳的电子数 K Is 3 2s 8 2p 6 3s M 3p 6 18 3d 10 4s 2 四 4p 6 N 32 4d 10 4f 14 5s 2 五 0 5p 6 50 。。。。· 六 P … 72 七 Q … 98 …… …… … … 2n2 知识点2 1.最低能量吸收较高 2.吸收释放光（辐射） 光谱仪可见光 释放光谱分析 知识点3 1.光谱学能级 3.能级电子数 4.(1)能层和能级(2)原子实(3)元素化合价 知识点4 1.经典力学量子力学电子云 参考答案与解析⊙ 子结构与性质 P 2.空间运动状态分布规律概率密度 概 率密度概率密度分布电子云一定空间运动状态 概率密度分布相似球哑铃状 3.空间运动状态电子云轮廓图 知识点5 1.空间运动2自旋 2.电子排布(1)简并轨道(2)电子对 单电子未成对电子平行相反 3.基态简并轨道尽可能分占不同的轨道平行 基态简并轨道能量不同轨道半充满稳定 全充满半充满稳定 4.越低最低能量最低较低较高最低 要点精析 变式训练 1.D2.D3.A4.C5.C6.D7.C 8.A9.C10.B >"第二节原子结构与元素的性质 知识梳理 知识点1 1.原子序数原子序数核电荷数 2.核电荷数 3.元素周期系 4.构造原理(1)nsnp能量相近 最高能层数 元素数 周期 能级组 电子数元素数 1s2 2 3 2s-2→2p6 8 8 三 35-2→3p-6 8 8 四 4s-2→3d-04p-6 18 18 五 5s-2→4d-105p-6 18 18 六 6-24f45d-10→6p6 32 32 七 7s-2-5f-46d-10→7p6 32 32 27 M