人教版新高考化学一轮复习课件--原子结构

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1.认识原子结构、元素性质以及元素在元素周期表中位置的关系。知道元素、核素的含义,了解原子核外电子的排布。2.了解有关核外电子运动模型的历史发展过程,认识核外电子的运动特点。知道电子运动的能量状态具有量子化的特征(能量不连续),电子可以处于不同的能级,在一定条件下会发生激发与跃迁。知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。3.知道原子核外电子的能级高低顺序,了解原子核外电子排布的构造原理,认识基态原子中核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则等。知道1~36号元素基态原子核外电子的排布。
1.本部分知识在高考选择题中一般与元素推断结合进行考查,在非选择题中则主要考查原子核外电子排布的知识,难度中等。2.对本部分知识的复习,要抓住原子的微观结构特点,明确构成原子粒子间的数量关系,关注核外电子排布的构造原理,理解原子核外电子的运动特点,能结合泡利原理和洪特规则等正确书写原子核外电子排布式、轨道表示式(电子排布图)。
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
知识筛查1.原子结构(1)原子的构成。
(2)粒子中各粒子间的数量关系。①元素原子序数=质子数=核电荷数=核外电子数;②质量数=质子数+中子数;③阳离子的核外电子数=质子数-阳离子所带电荷数;④阴离子的核外电子数=质子数+阴离子所带电荷数。
2.“三素”——元素、核素、同位素(1)元素、核素、同位素的定义及相互关系。
(2)同位素的性质。同一元素的各种核素的中子数不同,质子数相同,化学性质相同,物理性质不同。天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数一般保持不变。(3)常见的重要核素及其应用。
知识巩固1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)任何原子都由质子、中子、电子构成。(　　)
知识筛查1.核外电子排布规律
2.原子结构示意图特别提醒(1)核外电子数相同的粒子,其质子数不一定相同,如Al3+和Na+、F-等, 与OH-等。(2)稀有气体元素原子的电子层结构与同周期的非金属元素形成的简单阴离子的电子层结构相同,与下一周期主族的金属元素形成的简单阳离子的电子层结构相同。
2.下图为几种粒子的结构示意图,完成以下填空。
(1)属于阳离子结构的粒子是　　　　(填编号,下同)。 (2)具有稳定性结构的原子是　　　　　　　　。 (3)只能得电子的粒子是　　　　;只能失电子的粒子是　　　　;既能得电子,又能失电子的粒子是　　　　　。 (4)③粒子半径　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)④粒子半径。 (5)某元素R形成的氧化物为R2O3,则R的离子结构示意图可能是　　　　。 
答案:(1)③⑤⑧　(2)②　(3)③⑤　①④⑥　⑦⑧　(4)小于　(5)⑤
知识筛查1.能层、能级与原子轨道(1)能层。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,用n表示,n=1,2,3,4,…,n越大,该能层中的电子能量越高。原子核外的每一能层(序号为n)最多可容纳的电子数为 2n2 。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)能级。多电子原子中,同一能层的电子,能量也可能不同,还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,能级数等于该能层序数,能级的字母代号总是从s、p、d、f……排序的,它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1、3、5、7…的2倍。多电子原子中,同一能层各能级的能量顺序为E(ns) < E(np) < E(nd) < E(nf)……
(3)电子云与原子轨道。①电子运动特点。量子力学指出,一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行,而在核外空间各处都可能出现,但出现的概率不同,可以算出它们的概率密度分布。
②电子云。用小点来描述电子在原子核外出现的概率密度。用P表示电子在某处出现的概率,V表示该处的体积,则 称为概率密度,用ρ表示。小点越密,表明概率密度越大。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。 电子云图很难绘制,使用不便,我们常使用电子云轮廓图,把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来,即得到电子云轮廓图。
③原子轨道。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.基态与激发态　原子光谱(1)基态与激发态:处于最低能量状态的原子叫做基态原子。基态原子吸收能量,它的电子会跃迁到较高能级,变为激发态原子。(2)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,可以用光谱仪器摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。在现代化学中,常利用原子光谱的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。
3.原子核外电子排布规律(1)原子核外电子排布规律。①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。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。②泡利原理:在一个原子轨道里,最多只能容纳2个电子,且它们的自旋相反。自旋是微观粒子普遍存在的一种内在属性,是电子除空间运动状态外的另一种状态,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,称为洪特规则。其中简并轨道是指能量相同的原子轨道。洪特规则不仅适用于基态原子,也适用于基态离子。洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的,并不适用于电子填入能量不同的轨道。洪特规则的特例:当能量相同的原子轨道在全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f 0)状态时,体系的能量最低。如24Cr的基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
(2)核外电子填充顺序——构造原理。以光谱学事实为基础,从氢开始,随核电荷数递增,新增的电子填入能级的顺序称为构造原理。如图所示:说明:图中每个小圆圈表示一个能级,每一行对应一个能层,各圆圈间连接线的方向表示随核电荷数递增而增加的电子填入能级的顺序。
4.核外电子排布的表示方法(1)电子排布式。①用核外电子分布的能级及各能级上的电子数来表示电子排布的式子。电子排布式中各符号、数字的意义为:(以钾原子为例)②电子排布式中的内层电子排布可用相应的稀有气体的元素符号加方括号来表示,以简化电子排布式。例如K的电子排布式可写成[Ar]4s1。③元素的化学性质与价层电子关系密切,人们常常只表示出原子的价层电子排布。如铁原子3d64s2。
(2)轨道表示式(电子排布图)。①在轨道表示式中,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。通常在方框上方或下方标记能级符号。如基态硫原子的轨道表示式为:
②轨道表示式中各符号、数字的意义为(以铝原子为例):
知识巩固1. 判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)p能级能量一定比s能级的能量高。(　　)(2)铁元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s24d6。(　　)(3)Cr的基态原子的简化电子排布式为[Ar]3d44s2。(　　)(4)磷元素基态原子的轨道表示式为 。(　　)(5)同一原子中,2p、3p、4p能级的轨道数依次增多。(　　)(6)2p和3p轨道形状均为哑铃形,能量也相等。(　　)
2.A、B、C、D、E、F代表6种元素。请回答下列问题。(1)A元素基态原子的最外层有2个未成对电子,次外层有2个电子,其元素符号为　　　　。 (2)B元素的-1价离子和C元素的+1价离子的电子层结构都与氩相同,B的元素符号为　　　　,C的元素符号为　　　　。 (3)D元素的+3价离子的3d能级为半充满,D的元素符号为　　　　,其基态原子的电子排布式为　  　。 (4)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子,只有一个未成对电子,E的元素符号为　　　　,其基态原子的电子排布式为　 。 (5)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,则n=　　　　;原子中能量最高的电子位于　　　　　能级。 
答案:(1)C或O(2)Cl　K(3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2(4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1(5)2　2p解析:(1)A元素基态原子次外层有2个电子,故次外层为K层,A元素有2个电子层,由题意可写出其轨道表示式为 ,则该元素核外有6个电子,为碳元素,其元素符号为C,另外氧原子同样也符合要求,其轨道表示式为 。
(2)B-、C+的电子层结构都与Ar相同,即核外都有18个电子,则B为17号元素Cl,C为19号元素K。(3)D元素原子失去2个4s电子和1个3d电子后变成+3价离子,其原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,即为26号元素Fe。(4)根据题意要求,首先写出电子排布式:1s22s22p63s23p63d104s1,该元素为29号元素Cu。(5)s能级只有1个原子轨道,故最多只能容纳2个电子,即n=2,所以元素F的原子最外层电子排布式为2s22p3,由此可知F是氮元素;根据核外电子排布的能量最低原理,可知氮原子的能量最高的电子位于2p能级。
整合建构1.原子结构的表示方法
2.核外电子排布的表示方法
问题引领(1)利用原子符号或原子结构示意图能分别直接得到哪些信息?间接得到原子结构的哪些信息?(2)原子结构示意图、核外电子排布式和核外电子的轨道表示式在表征核外电子排布的运动状态上,有何不同?(3)用核外电子的轨道表示式表示核外电子的排布情况时,常常出现的错误有哪些?
点拨(1)利用原子符号可直接得到原子的质子数、质量数,根据质量数=质子数+中子数,可以间接得到原子的中子数,根据电子数=质子数(原子)、电子数=质子数+所带电荷数(阴离子)、电子数=质子数-所带电荷数(阳离子)可以间接得到电子数,利用原子结构示意图可直接得到质子数和核外电子数,根据“所带电荷=质子数-核外电子数”能间接得到粒子带不带电荷。(2)原子结构示意图只能表征核外电子电子层以及每一层上的电子数;核外电子排布式能表征核外电子的空间运动状态,不能表征核外电子的自旋运动状态;核外电子的轨道表示式既能表征核外电子的空间运动状态,又能表征核外电子的自旋运动状态。
(3)用核外电子的轨道表示式表示核外电子的排布情况时,常出现以下错误:
训练突破1.下列关于化学用语的表示正确的是(　　)。
2.(1)基态Mg原子核外电子排布式为　　　　　　　　;基态Ca原子最外层电子的能量　　　　(选填“低于”“高于”或“等于”)基态Mg原子最外层电子的能量。 (2)基态Fe3+的电子排布式为　　　　　　　。 基态Fe2+的价层电子的轨道表示式为　 。 基态Fe2+与基态Fe3+中未成对电子数之比为　 。 
答案:(1)1s22s22p63s2(或[Ne]3s2)　高于(2)1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5　 　 4∶5解析:(1)Mg为12号元素,原子核外电子排布式为1s22s22p63s2;Ca和Mg最外层均为2个电子,分别为4s2和3s2,则能量前者高于后者。(2)基态铁原子的价层电子排布式为3d64s2,失去外层电子转化为Fe2+和Fe3+,这两种基态离子的价层电子排布式分别为3d6和3d5,根据洪特规则可知,基态Fe2+有4个未成对电子,基态Fe3+有5个未成对电子,所以基态Fe2+与基态Fe3+中未成对电子个数比为4∶5。
整合建构1.运用原子结构的特点推断元素的基本思路
问题引领在推断短周期元素的过程中,原子的哪些结构特点可以作突破口?点拨(1)最外层电子数为1的元素有H、Li、Na;(2)最外层电子数为2的元素有He、Be、Mg;(3)最外层电子数与次外层电子数相等的元素有Be、Ar;(4)最外层电子数是次外层电子数2倍的元素是C;(5)最外层电子数是次外层电子数3倍的元素是O;(6)次外层电子数是最外层电子数2倍的元素有Li、Si;(7)内层电子总数是最外层电子数2倍的元素有Li、P;(8)电子层数与最外层电子数相等的元素有H、Be、Al;(9)最外层电子数是电子层数2倍的元素有He、C、S;(10)最外层电子数是电子层数3倍的元素有O。
训练突破1.下列各组中短周期的X和Y两种原子,化学性质一定相似的是(　　)。A.X原子和Y原子最外层都只有1个电子B.X原子的核外电子排布式为1s2,Y原子的核外电子排布式为1s22s2C.X原子的2p能级上有3个电子,Y原子的3p能级上有3个电子D.X原子核外M层上仅有2个电子,Y原子核外N层上仅有2个电子
解析:最外层都只有1个电子的X和Y,可能为H与碱金属元素,性质不同,故A项错误。原子的核外电子排布式为1s2的X为He,原子的核外电子排布式为1s22s2的Y为Be,两者性质不同,故B项错误。原子的2p能级上有3个电子的X为N,原子的3p能级上有3个电子的Y为P,两者位于元素周期表中同一主族,性质相似,故C项正确。原子核外M层上仅有2个电子的X为Mg,原子核外N层上仅有2个电子的Y的M层电子数不确定,元素种类很多,价电子数不同,性质不相同,故D项错误。
2.(2020宁夏银川一模改编)部分短周期元素的性质或原子结构如下表:
下列叙述正确的是(　　)。A.元素W基态原子中未成对电子数是X的2倍B.由X、Y和氢三种元素形成的化合物中只有共价键C.Z元素基态原子核外电子占据17个轨道D.W、X、Z三种元素的最高价氧化物对应的水化物中酸性最强的是Z
解析:由题给信息可推知,W、X、Y、Z分别是Si、N、O、Cl。W为Si,基态原子的价层电子为2s22p2,有2个未成对电子,X为N,基态原子的价层电子为2s22p3,有3个未成对电子,A项不正确。由X、Y和氢元素形成的化合物如硝酸铵,含有离子键和共价键,B项不正确。Z为Cl,核外电子排布式为1s22s22p63s23p5,共占据9个原子轨道,C项不正确。W、X、Z三种元素的最高价氧化物对应的水化物分别为H2SiO3、HNO3、HClO4,其中高氯酸(HClO4)的酸性最强,D项正确。
【例1】 (2019全国Ⅰ)科学家合成出了一种新化合物(如图所示),其中W、X、Y、Z为同一短周期元素,Z核外最外层电子数是X核外电子数的一半。下列叙述正确的是(　　)。A.WZ的水溶液呈碱性B.元素非金属性的顺序为X>Y>ZC.Y的最高价氧化物的水化物是中强酸D.该新化合物中Y不满足8电子稳定结构
【核心素养考查点剖析】本题属于考查“宏观辨识与微观探析”素养的题目,考查考生能用原子结构以及元素周期律(表)的知识,推断元素进而解答问题的能力。解答本类题目关键是正确推出所给元素,正确推断元素的常用方法:(1)根据原子或离子的结构特点,如①由原子结构确定元素在周期表中的位置和元素种类:电子层数=周期数,最外层电子数=主族序数;②电子层结构相同的粒子:阴离子对应元素在具有相同电子层结构的稀有气体前面,阳离子对应的元素在具有相同电子层结构的稀有气体元素下一周期的左边位置,简称“阴前阳下”;③根据核外电子排布规律(构造原理、泡利原理、洪特规则)等进行分析判断。(2)根据原子半径或化合价规律等进行分析判断。(3)根据形成化合物的成键特点判断原子最外层电子数进而推出元素种类。(4)根据元素的特殊性质进行分析判断。
解析:由题给化合物的结构可知,W为第ⅠA族金属元素;Z最外层有7个电子,由“Z核外最外层电子数是X核外电子数的一半”可知,X核外电子数为14,即X为硅元素;由四种元素为同一短周期元素可知,W为钠元素;Z为氯元素;Y为磷元素。NaCl的水溶液呈中性,A项错误;元素非金属性的顺序为Z(Cl)>Y (P)>X(Si),B项错误;P的最高价氧化物的水化物为磷酸,是中强酸,C项正确;P原子最外层有5个电子,与Si共用两对电子,加上得到Na的1个电子,因此最外层满足8电子稳定结构,D项错误。
【答案及评分细则】(1)第四周期、第Ⅷ族　1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2(写成4s23d6或出现其他错误均不得分)(2)3　洪特(写成泡利和能量最低不得分)解析:(1) Fe、C、Ni分别为26、27、28号元素,它们在周期表中的位置为第四周期、第Ⅷ族,Fe核外有26个电子,其基态核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2;(2)Sn与C为同主族元素,位于第五周期,所以其价层电子排布式为5s25p2,5s能级的s轨道有一种空间运动状态,5p能级占据两个p轨道有两种空间运动状态,共有3种空间运动状态;根据洪特规则,填入简并轨道的电子总是先单独分占,且自旋平行,所以该排布式违反了洪特规则。
1.(2020河北示范性高中高三联考)四种位于不同主族的短周期元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大,X的基态原子价层电子排布为nsnnpn+1,Z和W位于同一周期。Z与W组成的化合物是常用的调味品,也是重要的医用药剂,工业上电解该化合物的熔融物可制得Z单质,Y的价层电子中只有2个未成对电子。下列说法正确的是(　　)。A.四种元素中至少有两种金属元素B.四种元素的常见氢化物中熔点最高的是Z的氢化物C.四种元素形成的简单离子中,离子半径最小的是Y元素形成的离子D.常温下,X、Y、Z三种元素形成的化合物的水溶液的pH小于7
解析:X的基态原子价层电子排布为nsnnpn+1,因为s轨道最多容纳2个电子,故n只能为2,X为2s22p3,为N。Z与W组成的化合物是常用的调味品,也是重要的医用药剂,工业上电解该化合物的熔融物可制得Z单质,可知Z为Na,W为Cl。Y的价层电子中只有2个未成对电子,且原子序数位于X(N)、Z(Na)之间, 故应为O。四种元素中只有钠为金属元素,故A项错误。氢化钠为离子化合物,四种元素的常见氢化物中熔点最高的是Z的氢化物,故B项正确。四种元素形成的常见简单离子中,离子半径最小的是元素Z形成的离子,钠离子半径最小,故C项错误。X、Y、Z三种元素形成的化合物为NaNO3或NaNO2,若为NaNO3,溶液显中性,pH等于7,若为NaNO2,因水解溶液显碱性,pH大于7,故D项错误。
2.元素X、Y、Z在元素周期表中的相对位置如图所示。已知Y元素原子的价层电子排布式为nsn-1npn+1,则下列说法不正确的是(　　)。A.X的简单氢化物的沸点比Y的简单氢化物的沸点高B.Y元素在元素周期表的第三周期、第ⅥA族C.非金属性X>Y>ZD.Z元素原子的核外电子排布式为[Ar]4s24p3
解析:已知Y元素原子的价层电子排布式为nsn-1npn+1,p能级上有电子,则s能级上电子充满,故n-1=2,n=3,Y元素价层电子排布式为3s23p4,为S,根据周期表中的信息知,X为F,Z为As。X、Y的氢化物分别为HF、H2S,HF分子间可以形成氢键,导致分子间作用力增大,沸点升高,故X的简单氢化物的沸点比Y的简单氢化物的沸点高,A项正确。Y元素为S,在元素周期表的第三周期、第ⅥA族,B项正确。同周期元素随原子序数的增大非金属性增强,同主族元素随原子序数减小非金属性增强,故非金属性X>Y>Z,C项正确。Z元素为As,其基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p3,D项错误。
3.已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子,Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X与Y可形成化合物X2Y3, Z元素可以形成负一价离子。请回答下列问题:(1)X元素原子基态时的电子排布式为　　　　　　　　　　　　　,该元素的符号为　　　　。 (2)Y元素原子的价层电子的轨道表示式为　　　　　　　　　　　　,该元素的名称是　　　 　。 (3)比较X的氢化物与同族第二、第三周期元素所形成的氢化物稳定性　　　　　　　　。 
答案:(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3　As(2) 　氧(3)NH3>PH3>AsH3解析:考查核外电子排布式、轨道表示式及氢化物稳定性的比较。由X原子的4p轨道上有3个未成对电子,可知X为As,原子序数为33;Y原子的2p轨道上有2个未成对电子,则Y为1s22s22p2(碳元素)或1s22s22p4(氧元素),若Y为碳元素,碳元素原子序数为6,则Z元素原子序数为3,是锂元素,锂元素不能形成负一价离子,所以Y为氧元素,原子序数为8;Z为氢元素,氢元素可形成负一价离子。
A原子中只有一个能层且只含1个电子;B原子的3p轨道上得到1个电子后不能再容纳外来电子;C原子的2p轨道上有1个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反;D原子第三能层上有8个电子,第四能层上只有1个电子;E原子的最外层电子排布式为3s23p6。(1)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):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)写出用上述元素组成的物质制得A的单质的化学方程式(至少写出2个):　 ;　 。 (3)检验某溶液中是否含有D+,可通过　　　　　来实现;检验某溶液中是否含有B-,通常所用的试剂是　　　　和　　　　。 (4)写出E的元素符号:　　　　,要证明太阳上是否含有E元素,可采用的方法是　　　　　　　　　　　　　　。