鲁科版 (2019)选择性必修2第1章 原子结构与元素性质第2节 原子结构与元素周期表导学案

这是一份鲁科版 (2019)选择性必修2第1章 原子结构与元素性质第2节 原子结构与元素周期表导学案，共12页。学案主要包含了基态原子的核外电子排布规律等内容，欢迎下载使用。


一、基态原子的核外电子排布规律
1．基态原子的核外电子排布原则
根据基态原子核外电子排布原则思考：
(1)为什么每个电子层最多容纳2n2个电子？
提示：各电子层上的能级数目＝电子层序数n，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，所以每个电子层最多容纳2n2个电子。
(2)为什么原子核外最外层的电子不超过8个？次外层不超过18个电子？
提示：由于E(nd)>E[(n＋1)s]，当ns和np轨道电子排满时，多余的电子不是填入nd轨道，而是首先填入(n＋1)s轨道，因此最外层电子数不可能超过2＋6＝8。同理次外层由(n－1)s(n－1)p(n－1)d组成，所容纳的电子数不大于2＋6＋10＝18。
2．电子排布式与轨道表示式
(1)电子进入原子轨道的顺序和电子排布式的书写顺序一致。( )
(2)碳原子的轨道表示式为。( )
[答案] (1)× (2)×
写出下列基态原子的电子排布式：
O：_________________________________________________；
Ne：_________________________________________________；
Na：_________________________________________________；
Cl：_________________________________________________。
[答案] 1s22s22p4 1s22s22p6 1s22s22p63s1 1s22s22p63s23p5
3．构造原理
基态原子的“外层电子”在原子轨道上的排布顺序是1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s……这一规律称为构造原理。
[提醒] 电子填充时按构造原理进行，书写电子排布式时按电子层和能级顺序书写。
二、19～36号元素基态原子的核外电子排布
1．写出以下几种元素基态原子的电子排布式
(1)19K：1s22s22p63s23p64s1；
(2)21Sc：1s22s22p63s23p63d14s2；
(3)24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1；
(4)29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1。
2．Cr、Cu基态原子的电子排布违反构造原理的解释
能量相同的原子轨道在全充满(如d10)、半充满(如d5)和全空(如d0)状态时，体系的能量较低，原子较稳定。
下列原子或离子的电子排布的表示方法中，正确的是____________，违反了能量最低原理的是______________，违反洪特规则的是______________，违反泡利不相容原理的是____________，违反洪特规则特例的是______________(填序号)。
①Ca2＋：1s22s22p63s23p6
②F－：1s22s23p6
③
④Cr：1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe：1s22s22p63s23p63d64s2
⑥Mg2＋：1s22s22p6
⑦
⑧O原子：
提示：根据核外电子排布规律，②中错误在于电子排完2s轨道后应排2p轨道而不是3p轨道，正确的应为1s22s22p6；③中没有遵循洪特规则——电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋状态相同，最外层电子排布应为；④中忽略了能量相同的原子轨道在半充满状态时，体系的能量较低，原子较稳定，正确的应为1s22s22p63s23p63d54s1，违反了洪特规则的特例；⑤和⑥正确；⑦违反洪特规则，正确的应为；⑧的轨道表示式为违反了泡利不相容原理。
故核外电子排布表示正确的是①⑤⑥；违反能量最低原理的是②；违反洪特规则的是③⑦；违反泡利不相容原理的是⑧；违反洪特规则特例的是④。
多电子的基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序可表示为
1．基态原子核外电子在原子轨道上是先排3d轨道还是先排4s轨道？
提示：根据构造原理可知，电子在基态原子核外排布时，先排4s轨道再排3d轨道。
2．n值小的能级的轨道的能量一定小于n值大的能级的轨道的能量吗？
提示：不一定。电子层序数、能级不同时，核外电子在外层分布时存在原子轨道能量交错现象，如E4s3．为什么原子核外最外层的电子不超过8个，次外层不超过18个？
提示：由于E(nd)>E[(n＋1)s]，当ns和np轨道电子排满时，多余的电子不是填入nd轨道，而是首先填入(n＋1)s轨道，因此最外层电子数不可能超过2＋6＝8。同理次外层由(n－1)s(n－1)p(n－1)d组成，所容纳的电子数不大于2＋6＋10＝18。
1．泡利不相容原理
泡利不相容原理可以简单叙述为一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自旋方向必须相反。
说明：a．在核外电子的排布中，排在同一轨道上的两个电子，自旋方向相反；而自旋方向相同的电子，必然处于不同的轨道上。可以这样理解：在同一原子中，没有运动状态完全相同的两个电子存在，原子核外有几个电子，就有几种运动状态。
b．根据泡利不相容原理我们可以推算出各电子层可以容纳的最多电子数。具体见下表：
在原子中，每个电子层最多可容纳2n2个电子，每个能级最多容纳的电子数是其所包含的原子轨道数的2倍。
2．洪特规则
当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同，这个规则称为洪特规则。通俗地说，洪特规则可以表述为电子总是先平行地分占能量相同的不同轨道(即同一能级上的轨道)。如碳原子的轨道表示式为，而不是，也不是。
特别地，当同一能级上的电子排布为全充满(s2、p6、d10、f14)、半充满(s1、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，这称为洪特规则的特例。例如，铬(24Cr)的外围电子排布式是3d54s1(3d、4s能级均为半充满)而不是3d44s2，铜(29Cu)的外围电子排布式是3d104s1(3d全充满、4s半充满)而不是3d94s2等。
核外电子在原子轨道上排布要遵循三个原则，即能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。这三个原则并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的。也就是说核外电子在原子轨道上排布要同时遵循这三个原则。其中能量最低原理可叙述为在不违反泡利不相容原理的前提下，核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低。
1．(2021·日照高二检测)各电子层排布电子的总数要遵循以下规律：①每层最多容纳2n2个电子；②原子最外层电子数≤8；③原子次外层电子数≤18。决定这3条规律的电子排布规则是( )
A．能量最低原理
B．泡利不相容原理
C．洪特规则
D．能量最低原理和泡利不相容原理
D [基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则，而洪特规则是讲电子优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同的，故不符合题意，由此可知本题选择D项。]
2．(2021·菏泽高二检测)核外电子排布规律揭示的电子排布能级顺序，实质是各能级能量高低。若以E表示某能级的能量，以下各式中正确的是 ( )
A．E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d)
B．E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s)
C．E(4s)>E(4p)>E(4d)>E(4f)
D．E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d)
B [A、D项，应为E(4f)>E(5s)>E(3d)>E(4s)，错误；C项应为E(4s)喜爱漫威的同学都熟悉钢铁侠，钢铁侠在《复仇者联盟4》中拯救了世界，电影里早期的盔甲材料用的是军用卫星的金钛合金，而不是一般的钛合金。相较于普通钢材在高空容易结冰的缺点，金钛合金在低温下完全不惧怕结冰的问题。
1．基态钛原子的核外电子排布式如何表示？
提示：1s22s22p63s23p63d24s2。
2．基态钛原子的轨道表示式如何表示？
提示：
。
3．电子排布式和轨道表示式在描述核外电子运动状态方面有什么区别？
提示：电子排布式能够表示出每一个能级上的电子排布情况，轨道表示式除了能够表示出在每一个能级上电子的排布情况，还能表示出电子在该能级的原子轨道上的排布情况，因此比电子排布式更加具体形象。
4．如何书写简单离子的电子排布式？
提示：先写原子的电子排布式，然后再根据得失电子写出离子的电子排布式。例如：O2－的电子排布式，先写氧原子的电子排布式为1s22s22p4，再得2个电子得到O2－的电子排布式为1s22s22p6。Fe3＋的电子排布式，先写铁原子的电子排布式为[Ar]3d64s2，再失3个电子(由外层向内层)得到Fe3＋的电子排布式为[Ar]3d5。
电子排布式书写的易错点在于电子填充顺序与书写顺序在能级交错时不一致，当出现d轨道时，虽然电子按ns、（n－1）d、np的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把（n－1）d放在ns前，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2正确，1s22s22p63s23p64s23d6错误。轨道表示式的书写易错点有①（违反能量最低原理），②(违反泡利不相容原理)，③(违反洪特规则)，④(违反洪特规则)。另外，还应注意原子核外电子排布式、简化电子排布式以及原子外围电子排布式的区别与联系，如Cu的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，简化电子排布式为[Ar]3d104s1，外围电子排布式为3d104s1。
1．(2021·宁夏大学附中月考)下列基态原子或离子的电子排布式书写错误的是 ( )
A．K＋：1s22s22p63s23p6 B．F：1s22s22p5
C．S2－：1s22s22p63s23p4D．Ar：1s22s22p63s23p6
C [S2－有18个电子，电子排布式为1s22s22p63s23p6，C项错误。]
2．(2021·海口高二检测)A、B、C、D、E代表前四周期的五种元素，原子序数依次增大。请填空：
(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，其轨道表示式为________________。
(2)B元素的负一价离子的电子层结构与氩相同，B的离子的结构示意图为________________。
(3)C元素的正三价离子的3d能级为半充满，C的元素符号为________，其基态原子的电子排布式为________。
(4)D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，D的元素符号为________。其基态原子的电子排布式为________。
(5)E元素基态原子中没有未成对电子，E的电子排布式是________。
[解析] (1)基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子的元素为氮元素，其轨道表示式为。
(2)因为B－的电子层结构与氩相同，即核外电子数相同，所以B元素的质子数为18－1＝17，则B－为Cl－，其结构示意图为。
(3)C元素的正三价离子的3d能级为半充满，C的元素符号为Fe，其基态原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d64s2。
(4)D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，则D为Cu，其基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1。
(5)E元素基态原子中没有未成对电子，且E的原子序数在五种元素中最大，因此E元素为30号元素Zn或36号元素Kr，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2或1s22s22p63s23p63d104s24p6。
[答案] (1) (2)
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2
(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
(5)1s22s22p63s23p63d104s2或1s22s22p63s23p63d104s24p6
离子的电子排布式的书写流程
离子的电子排布式在书写时应以原子的电子排布式为基础，首先根据构造原理，写出相应原子的电子排布式，再根据原子得失电子的情况作出相应的调整，写出相应的离子的电子排布式。 比如，钠原子的电子排布式为1s22s22p63s1当它失去一个电子时就变成钠离子，其电子排布式就变为1s22s22p6。
1．在2p能级上最多只能排布6个电子，其依据的规律是( )
A．能量最低原理B．泡利不相容原理
C．洪特规则D．能量最低原理和泡利不相容原理
B [能量最低原理主要是电子排布先后顺序，洪特规则指的是相同能级电子尽可能占据不同轨道，泡利不相容原理说明一个原子轨道上最多容纳2个电子且自旋方向相反，2p能级共有3个轨道，最多容纳6个电子。]
2．下列关于价电子排布式为3s23p4的粒子描述正确的是( )
A．它的元素符号为O
B．它的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4
C．它可与H2生成液态化合物
D．其轨道表示式为

B [A项，根据价电子排布式可知该粒子的电子排布式为1s22s22p63s23p4，故该元素为硫元素；C项，S与H2化合生成气态氢化物H2S；D项，S原子核外电子轨道表示式应为。]
3．(2021·吉林公主岭第一中学高二期中考试)下列轨道表示式不符合泡利不相容原理的是( )
3．(2021·吉林公主岭第一中学高二期中考试)下列轨道表示式不符合泡利不相容原理的是( )
A．3p能级：
B．3d能级：
C．2p能级：
D．4d能级：
C [2p能级的一个原子轨道中容纳的两个电子自旋状态相同，不符合泡利不相容原理，故C项符合题意。]
4．(2021·山东广饶一中阶段性考试)下列叙述错误的是( )
A．Na＋的轨道表示式为
B．Na＋的结构示意图为
C．基态Ge原子的电子排布式为[Ar]3d104s24p2
D．基态Cu原子的电子排布式为[Ar]3d104s1
A [A项，钠离子2p能级上的电子排布违背了泡利不相容原理，错误。]
5．某元素的激发态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p34s1，则该元素基态原子的电子排布式为________；元素符号为________；其最高价氧化物对应的水化物的化学式是________。写出周期表中24号元素的核外电子排布式________________，这样排布的理由是________________。
[解析] 元素的激发态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p34s1，则该元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4；该原子核外电子数为16，核内质子数为16，是硫元素，元素符号为S；其最高价氧化物对应的水化物的化学式是H2SO4；24号元素的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，这样排布的理由是遵循了洪特规则特例(或能量最低原理)。
[答案] 1s22s22p63s23p4 S H2SO4 1s22s22p63s23p63d54s1 洪特规则特例(或能量最低原理)
学 习 任 务
1．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。培养证据推理与模型认知的核心素养。 2．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。培养证据推理与模型认知的核心素养。 3．能运用构造原理书写电子排布式，知道1～36号元素基态原子核外电子的排布。
原则
含义
能量
最低
原理
原子核外电子按轨道能量由低到高依次排列，使整个原子处于最低的能量状态
泡利
不相容
原理
一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自旋状态不同，用表示，或者说，一个原子中不存在两个完全相同的电子
洪特
规则
对于基态原子，核外电子在能量相同的轨道上排布时，将尽可能分占不同的原子轨道并且自旋状态相同
电子排布式
表示
方法
按照能量最低原则对能级进行排序，进而在ns、np、nd等能级符号的右上角用数字表示出电子的数目
图示
轨道表示式
表示
方法
用方框(或小圆圈、短线)表示一个原子轨道，用箭头“↑”或“↓”来区别自旋方向不同的电子
图示
正确理解基态原子核外电子排布的规律
电子层(n)
K
L
M
N
…
能级
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
…
原子轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
…
1
4
9
16
电子数
2
8
18
32
…
2×12
2×22
2×32
2×42
…
明确核外电子排布的表示方法
结构示意图
意义
将每个电子层上的电子总数表示在原子核外的式子
实例
电子排布式
意义
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
意义
为了避免电子排布式书写过于烦琐，把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示
实例
K：[Ar]4s1
价电子排布
式意义
主族元素的价电子指最外层电子，价电子排布式即外围电子排布式
实例
Al：3s23p1
轨道表示式
意义
每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子
实例