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2020版高考新创新一轮复习化学通用版学案：第十二章第一节原子结构与性质
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第十二章 物质结构与性质(选修③)
第一节
原子结构与性质
1．了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理，能正确书写1～36号元素原子核外电子、价电子的电子排布式和轨道表达式。
2．了解电离能的含义，并能用以说明元素的某些性质。
3．了解电子在原子轨道之间跃迁及其简单应用。
4．了解电负性的概念，并能用以说明元素的某些性质。
考点(一) 原子核外电子排布原理 【精讲精练快冲关】
[知能学通]
1．能层、能级与原子轨道
(1)能层(n)：在多电子原子中，核外电子的能量是不同的，按照电子的能量差异将其分成不同能层。通常用K、L、M、N……表示，能量依次升高。
(2)能级：同一能层里的电子的能量也可能不同，又将其分成不同的能级，通常用s、p、d、f等表示，同一能层里，各能级的能量按s、p、d、f的顺序升高，即E(s)
原子轨道
轨道形状
轨道个数
s
球形
p
哑铃形
(4)能层、能级与原子轨道的关系
能层(n)
一
二
三
四
五
……
符号
K
L
M
N
O
……
能级
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
……
……
轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
1
……
……
最多容纳电子数
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
……
……
2
8
18
32
……
2n2
[注意] ①p能级上有三个原子轨道px、py、pz，它们具有相同的能量；第三能层(M)有s、p、d三种能级。
②能层数＝电子层数，每个能层所包含的能级数＝能层序数。
2．基态原子的核外电子排布
(1)能量最低原理：即电子尽可能地先占有能量低的轨道，然后进入能量高的轨道，使整个原子的能量处于最低状态。
如图为构造原理示意图，即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图：
(2)泡利原理
每个原子轨道里最多只能容纳个电子，且自旋状态相反。如2s轨道上的电子排布为不能表示为
(3)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，且自旋状态相同。如2p3的电子排布为，不能表示为或
洪特规则特例：当能量相同的原子轨道在全满(p6、d10、f14)、半满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时，体系的能量最低，如 24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
3．基态原子核外电子排布的表示方法
(1)电子排布式
①用数字在能级符号的右上角标明该能级上排布的电子数。例如K：1s22s22p63s23p64s1。
②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，例如K：[Ar]4s1。
(2)电子排布图
用或表示原子轨道，↑和↓分别表示两种不同自旋方向的电子。每个方框或圆圈代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子，例如O：
4．基态、激发态及光谱示意图
[题点练通]
核外电子排布
1.(1)(2018·全国卷Ⅱ)基态Fe原子价层电子的电子排布图(轨道表达式)为________________________。
(2)(2018·全国卷Ⅲ)Zn原子核外电子排布式为___________________________________。
(3)(2018·江苏高考)Fe2＋基态核外电子排布式为____________________________。
(4)(2017·全国卷Ⅲ)Co基态原子核外电子排布式为________________________。
(5)(2016·全国卷Ⅰ)基态Ge原子的核外电子排布式为[Ar]________________________。
(6)(2016·全国卷Ⅱ)镍元素基态原子的电子排布式为________________________。
(7)(2016·全国卷Ⅲ)写出基态As原子的核外电子排布式________________________。
(8)(2015·全国卷Ⅱ)P原子的核外电子排布式为_________________________________。
(9)(2014·全国卷Ⅰ)Fe3＋的电子排布式为____________________________________。
(10)(2014·全国卷Ⅱ)Cu的价层电子轨道示意图为________________________。
答案：(1)
(2)1s22s22p63s23p63d104s2(或[Ar]3d104s2)
(3)1s22s22p63s23p63d6(或[Ar]3d6)
(4)1s22s22p63s23p63d74s2(或[Ar]3d74s2)
(5)3d104s24p2
(6)1s22s22p63s23p63d84s2(或[Ar]3d84s2)
(7)1s22s22p63s23p63d104s24p3(或[Ar]3d104s24p3)
(8)1s22s22p63s23p3(或[Ne]3s23p3)
(9)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
(10)
2．(1)(2018·全国卷Ⅰ)下列Li原子电子排布图表示的状态中，能量最低和最高的分别为________、________(填标号)。
(2)(2018·全国卷Ⅱ)基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为____________形。
(3)(2017·全国卷Ⅰ)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。
(4)(2015·全国卷Ⅰ)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用________形象化描述。在基态14C原子中，核外存在________对自旋相反的电子。
答案：(1)D C (2)哑铃(或纺锤) (3)N 球形
(4)电子云 2
3．A、B、C、D、E、F代表6种元素。请填空：
(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元素的负一价离子和C元素的正一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元素的正三价离子的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＝________；原子中能量最高的是________电子。
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，由题意可写出其电子排布图为则该元素核外有6或8个电子，为碳元素或氧元素。(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的原子的最外层电子排布式为2s22p3，由此可知F是N元素；根据核外电子排布的能量最低原理，可知氮原子的核外电子中的2p能级能量最高。
答案：(1)C或O (2)Cl K
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(5)2 2p
[归纳拓展]
1．“两原理，一规则”的正确理解
(1)原子核外电子排布符合能量最低原理、泡利原理、洪特规则，若违背其一，则原子能量不处于最低状态。
易误警示：在写基态原子的电子排布图时，常出现以下错误：
(2)半充满、全充满状态的原子结构稳定，即ns2、np3、np6等处于相对稳定结构状态。如Cr：3d54s1、Mn：3d54s2、Cu：3d104s1、Zn：3d104s2。
(3)当出现d轨道时，虽然电子按ns、(n－1)d、np的顺序填充，但在书写时，仍把(n－1)d放在ns前。
2．熟记3种最外层电子的特征排布
(1)最外层有3个未成对电子的为ns2np3,1～36号元素中分别为N、P、As。
(2)最外层有2个未成对电子的可能是ns2np2或ns2np4。短周期元素中分别为C、Si和O、S。
(3)最外层有一个单电子的可能是ns1、ns2np1、(n－1)d5ns1、(n－1)d10ns1。第四周期中有K、Ga(镓)、Cr(3d54s1)、Cu(3d104s1)。
化学用语的规范使用
4．(2019·临沂联考)下列表达式错误的是( )
C．硫离子的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4
D．碳12原子：6C
解析：选C S2－的核外电子排布式为1s22s22p63s23p6。
5．(1)元素Cu 基态原子的核外电子排布式为____________。
(2)基态硼原子的电子排布式为______________________________________________。
(3)基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为________，该能层具有的原子轨道数为________、电子数为________。
(4)Ni2＋的价电子排布图为_____________________________________________。
(5)Se原子序数为________，其核外M层电子的排布式为________________。
解析：(1)Cu是29号元素，故其基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s1。(2)B是5号元素，故其基态原子的电子排布式为1s22s22p1。(3)Si的最高能层为第三能层，其符号为M，该能层有 1个 s轨道、3个p轨道和5个d轨道，共9个轨道，Si在该能层有4个电子。(4)Ni是28号元素，价电子排布式为3d84s2，Ni2＋的价电子排布式为3d8，电子排布图为(5)Se是34号元素，M层有18个电子，M层电子的排布式为3s23p63d10。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(2)1s22s22p1 (3)M 9 4
(4)
(5)34 3s23p63d10
6．四种短周期元素的性质或结构信息如表所示：
元素
元素性质或结构信息
A
原子核外L层未成对电子数最多
B
原子半径是短周期主族元素中最大的
C
地壳中含量最多的金属元素
D
原子核外有五种不同能量的电子，且最外层有2对成对电子
请根据信息回答下列问题：
(1)A为________元素，其原子的价电子排布式为______________________________。
(2)C的原子核外有________种形状不同的原子轨道，该原子最外层共有________种不同运动状态的电子。
(3)B与D形成的化合物的电子式是__________________；在化合物中D的结构示意图是________________________________________________________________________。
解析：A原子核外L层未成对电子数最多，其电子排布式为1s22s22p3，应为N元素；B原子半径是短周期主族元素中最大的，应为Na元素；C是地壳中含量最多的金属元素，为Al元素；D原子核外有5种不同能量的电子，且最外层有2对成对电子，则电子排布式为1s22s22p63s23p4，应为S元素。(1)A是N元素，其原子的价电子排布式为2s22p3。(2)C为Al元素，其原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，原子核外有球形和哑铃形2种形状不同的轨道，最外层共有3种不同运动状态的电子。(3)B与D形成的化合物是Na2S，其电子式是在化合物中D(S2－)的结构示意图是。
答案：(1)N 2s22p3 (2)2 3
(3)N
原子结构的表示方法
考点(二) 原子结构与性质 【精讲精练快冲关】
[知能学通]
(一)原子结构与元素周期表
1.原子结构与元素周期表的关系
周期
电子层数
每周期第一种元素
每周期最后一种元素
原子序数
基态原子的
电子排布式
原子序数
基态原子的电子排布式
二
2
3
[He]2s1
10
1s22s22p6
三
3
11
[Ne]3s1
18
1s22s22p63s23p6
四
4
19
[Ar]4s1
36
1s22s22p63s23p63d104s24p6
五
5
37
[Kr]5s1
54
1s22s22p63s23p63d104s24p6
4d105s25p6
六
6
55
[Xe]6s1
86
1s22s22p63s23p63d104s24p6
4d104f145s25p65d106s26p6
2.每族元素的价电子排布特点
(1)主族
主族
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
排布特点
ns1
ns2
ns2np1
ns2np2
ns2np3
ns2np4
ns2np5
(2)0族：He：1s2；其他：ns2np6。
(3)过渡元素(副族和第Ⅷ族)：(n－1)d1～10ns1～2。
3．元素周期表的分区
(1)分区简图
(2)各区元素分布及性质与价电子排布特点
分区
元素分布
价电子排布
元素性质特点
s区
ⅠA、ⅡA族
ns1～2
除氢外都是活泼金属元素；通常是最外层电子参与反应
p区
ⅢA族～ⅦA族、0族
ns2np1～6
通常是最外层电子参与反应
d区
ⅢB族～ⅦB族、Ⅷ族(除镧系、锕系外)
(n－1)d1～9ns1～2
d轨道可以不同程度地参与化学键的形成
ds区
ⅠB族、ⅡB族
(n－1)d10ns1～2
金属元素
f区
镧系、锕系
(n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2
镧系元素化学性质相近，锕系元素化学性质相近
(二)元素周期律
1．原子半径
(1)
(2)变化规律
元素周期表中的同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小；同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大。
2．电离能
(1)第一电离能
气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量，符号：I1，单位：kJ·mol－1。
(2)规律
①同周期：第一种元素的第一电离能最小，最后一种元素的第一电离能最大，总体呈现从左至右逐渐增大的变化趋势。
②同族元素：从上至下第一电离能逐渐减小。
③同种原子：逐级电离能越来越大(I1
(1)含义
元素的原子在化合物中吸引键合电子能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强。
(2)标准
以最活泼的非金属氟的电负性为4.0作为相对标准，计算得出其他元素的电负性(稀有气体未计)。
(3)变化规律
金属元素的电负性一般小于1.8，非金属元素的电负性一般大于1.8，而位于非金属三角区边界的“类金属”(如锗、锑等)的电负性则在1.8左右。
在元素周期表中，同周期从左至右，元素的电负性逐渐增大，同主族从上至下，元素的电负性逐渐减小。
4．对角线规则
在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的，如图所示。
5．正确认识元素周期律
项目
同周期(从左→右)
同主族(从上→下)
原子核外电子排布
电子层数相同，最外层电子数逐渐增多，1→7(第一周期1→2)
最外层电子数相同，电子层数递增
原子半径
逐渐减小(0族除外)
逐渐增大
元素主要化合价
最高正价由＋1→＋7(O、F除外)，最低负价由－4→－1
最高正价＝主族序数(O、F除外)，非金属最低负价＝主族序数－8
原子得、失电子能力
得电子能力逐渐增强，失电子能力逐渐减弱
得电子能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强
元素的第一电离能
第一电离能呈增大的趋势
第一电离能逐渐减小
元素的电负性
电负性逐渐增大
电负性逐渐减小
元素金属性、非金属性
金属性逐渐减弱
非金属性逐渐增强
金属性逐渐增强
非金属性逐渐减弱
[题点练通]
原子结构与元素周期表的关系
1.(1)根据前四周期元素原子核外电子排布特点，回答下列问题：
①价电子层有2个未成对电子的有___________________；有3个未成对电子的有________________。
②未成对电子数与周期数相等的元素有______________________________________。
(2)根据4s24p4回答问题：
该元素位于________区，为第________周期第________族，是________元素(填名称)。
(3)第四周期中，未成对电子数最多的元素是________(填名称)。
①它位于第________族。
②核外电子排布式是____________。
③它有________个电子层，________个能级，________种运动状态不同的电子。
④价电子排布式________，价电子轨道表示式_________________________________。
⑤属于________区。
答案：(1)①C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni N、P、As、V、Co
②H、C、O、P、Fe (2)p 四 ⅥA 硒
(3)铬 ①ⅥB ②1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)
③4 7 24 ④3d54s1 ⑤d
元素周期律
2．五种元素的基态原子核外电子排布式如下：①1s22s22p63s23p63d54s2；②1s22s22p63s2；③1s22s22p6；④1s22s22p63s23p2；⑤[Ar]4s1。下列说法中不正确的是( )
A．③为稀有气体元素，①为金属元素
B．原子半径：⑤>②>④
C．电负性：②<④
D．第一电离能：②<⑤
解析：选D 由题意可知，①为Mn元素，②为Mg元素，③为Ne 元素，④为Si元素，⑤为K元素。Ne元素为稀有气体元素，Mn为金属元素，A正确；同周期主族元素，从左到右，原子半径逐渐减小，同主族元素，从上到下，原子半径逐渐增大，故原子半径：K>Mg>Si，B正确；Mg为金属元素，Si为非金属元素，显然Si的电负性大于Mg，C正确；Mg元素的第一电离能大于K元素，D错误。
3．电离能大小的比较及概念：
(1)(2018·全国卷Ⅰ)由2Li(晶体)2Li(g)2Li＋(g)可知，Li原子的第一电离能为________ kJ·mol－1。
(2)(2018·全国卷Ⅲ)第一电离能I1(Zn)________I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是________________________________________________________________________。
(3)(2017·全国卷Ⅲ)元素Mn与O中，第一电离能较大的是________。
(4)(2016·全国卷Ⅱ)元素铜与镍的第二电离能分别为ICu＝1 958 kJ·mol－1、INi＝1 753 kJ·mol－1，ICu>INi的原因是__________________________________________。
(5)(2016·全国卷Ⅲ)根据元素周期律，原子半径Ga________As，第一电离能Ga________As。(填“大于”或“小于”)。
(6)(2014·全国卷Ⅱ)N、O、S中第一电离能最大的是________。
答案：(1)520 (2)大于 Zn核外电子排布为全满稳定结构，较难失电子 (3)O
(4)铜失去的是全充满的3d10电子，镍失去的是4s1电子
(5)大于 小于 (6)N
4．电负性大小的比较：
(1)(2017·全国卷Ⅱ)元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能(E1)。第二周期部分元素的E1变化趋势如图所示，其中除氮元素外，其他元素的E1自左而右依次增大的原因是_____________________；氮元素的E1呈现异常的原因是__________________________。
(2)(2016·全国卷Ⅰ)光催化还原CO2制备CH4反应中，带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大至小的顺序是____________。
(3)(2015·全国卷Ⅱ)O、Na、P、Cl四种元素中电负性最大的是________。
答案：(1)同周期元素随核电荷数依次增大，原子半径逐渐变小，故结合一个电子释放出的能量依次增大 N原子的2p轨道为半充满状态，具有额外稳定性，故不易结合一个电子 (2)O>Ge>Zn (3)O
元素“位—构—性”之间的关系
5．a、b、c、d是四种短周期元素。a、b、d处于同周期，c、d处于同主族。a的原子结构示意图为，b与c形成化合物的电子式为下列比较中正确的是( )
A．原子半径：a>c>d>b
B．电负性：a>b>d>c
C．原子序数：d>a>b>c
D．最高价含氧酸的酸性：a>d>c
解析：选C 由题意可知，a、b、c、d元素分别为Si、Na、N、P元素。同周期主族元素的原子半径随原子序数的递增而逐渐减小，同主族元素的原子半径随着原子序数的递增而逐渐增大，故原子半径大小关系为Na>Si>P>N，A错误；同周期主族元素的电负性随原子序数的递增而逐渐增强，同主族元素的电负性随原子序数的递增逐渐减弱，故电负性大小的关系为N>P>Si>Na，B错误；原子序数的大小关系为P>Si>Na>N，C正确；元素的非金属性越强，最高价含氧酸的酸性越强，N、P、Si元素的非金属性逐渐减弱，故最高价含氧酸的酸性：HNO3>H3PO4>H2SiO3，D错误。
6．A、B、C、D、E是元素周期表前四周期中的常见元素，原子序数依次增大，相关信息如表：
元素
相关信息
A
基态原子的价电子排布式为nsnnpn
B
基态原子中的未成对电子数是同周期中最多的
C
原子最外层电子数是电子层数的3倍
D
简单离子是第三周期元素中离子半径最小的
E
价电子层中的未成对电子数为4
请回答下列问题：
(1)写出D元素基态原子的价电子排布式：____________，E2＋价电子的轨道表示式：__________________。
(2)这5种元素中电负性最大的元素是____________(填元素符号)，A、B、C三种元素的第一电离能由大到小的顺序为____________(填元素符号)。
(3)B、C、D的简单离子的半径由大到小的顺序为________________(用离子符号表示)。
(4)写出C的核外有18个电子的氢化物的电子式：________________。
解析：A的基态原子的价电子排布式为nsnnpn，由于s轨道最多排布2个电子，则n＝2，A的价电子排布式为2s22p2，故A是C元素；B的基态原子中的未成对电子数是同周期最多的，短周期中np3的基态原子中的未成对电子数是同周期中最多的；C原子的最外层电子数是电子层数的3倍，则最外层有6个电子，故C是O元素，B是N元素；D的简单离子是第三周期元素中离子半径最小的，则D是Al元素；E的价电子层中的未成对电子数为4，只能在第四周期，价电子排布式为3d64s2，则E是Fe元素。(1)Al元素基态原子的价电子排布式为3s23p1；Fe原子失去4s轨道上的2个电子生成Fe2＋，故Fe2＋的价电子的轨道表示式为(2)这5种元素中电负性最大的元素为非金属性最强的O元素；同周期元素的第一电离能从左到右依次增大，但N的2p轨道处于半充满的稳定状态，其第一电离能大于O的第一电离能，则C、N、O三种元素的第一电离能由大到小的顺序为N>O>C。(3)N、O、Al的简单离子有相同的电子层结构，则核电荷数越大，其离子半径越小，故离子半径由大到小的顺序为N3－>O2－>Al3＋。(4)O 元素形成的核外有18个电子的氢化物是H2O2，其电子式为
答案：(1)3s23p1 (2)O N>O>C
(3)N3－>O2－>Al3＋ (4)
7．根据下列五种元素的I1至I4电离能数据(单位：kJ·mol－1)，回答下列问题：
元素
I1
I2
I3
I4
Q
2 080
4 000
6 100
9 400
R
500
4 600
6 900
9 500
S
740
1 500
7 700
10 500
T
580
1 800
2 700
11 600
U
420
3 100
4 400
5 900
(1)在周期表中，以上元素最可能处于同一族的是__________。
(2)下列元素中，化学性质和物理性质最像Q元素的是____________(填标号)。
A．硼 B．铍 C．氦 D．氢
(3)每种元素都出现相邻两个电离能的数据相差较大的情况，这一事实从一个侧面说明：________________________________________________________________________，
如果U元素是短周期元素，你估计它的第2次电离能飞跃数据将发生在失去第________个电子时。
(4)如果R、S、T是同周期的三种主族元素，则它们的原子序数由小到大的顺序是______________，其中________(填“R”“T”或“S”)元素的第一电离能异常高的原因是________________________________________________________。
解析：根据电离能的变化趋势(两两之间的差值)知，Q的I1很大，为稀有气体元素，R为第ⅠA族元素，S为第ⅡA族元素，T为第ⅢA族元素，U为第ⅠA族元素。(1)根据以上分析可知，R和U处于同一主族。(2)由于Q是稀有气体元素，所以氦元素的物理性质和化学性质与Q元素最像。(3)电离能的突跃变化，说明核外电子是分层排布的，且各能层能量不同；若U是短周期元素，则U是Na，其核外电子排布式为1s22s22p63s1，由于2s22p6所处能层相同，所以它的第2次电离能飞跃数据发生在失去第10个电子时。(4)同一周期元素，从左到右第一电离能呈增大趋势，但第ⅡA、ⅤA族元素比同周期相邻元素的第一电离能要高，因为其最外层电子呈全充满或半充满稳定状态。
答案：(1)R和U (2)C
(3)电子分层排布，各能层能量不同 10
(4)R
第一节
原子结构与性质
1．了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理，能正确书写1～36号元素原子核外电子、价电子的电子排布式和轨道表达式。
2．了解电离能的含义，并能用以说明元素的某些性质。
3．了解电子在原子轨道之间跃迁及其简单应用。
4．了解电负性的概念，并能用以说明元素的某些性质。
考点(一) 原子核外电子排布原理 【精讲精练快冲关】
[知能学通]
1．能层、能级与原子轨道
(1)能层(n)：在多电子原子中，核外电子的能量是不同的，按照电子的能量差异将其分成不同能层。通常用K、L、M、N……表示，能量依次升高。
(2)能级：同一能层里的电子的能量也可能不同，又将其分成不同的能级，通常用s、p、d、f等表示，同一能层里，各能级的能量按s、p、d、f的顺序升高，即E(s)
原子轨道
轨道形状
轨道个数
s
球形
p
哑铃形
(4)能层、能级与原子轨道的关系
能层(n)
一
二
三
四
五
……
符号
K
L
M
N
O
……
能级
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
……
……
轨道数
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
1
……
……
最多容纳电子数
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
2
……
……
2
8
18
32
……
2n2
[注意] ①p能级上有三个原子轨道px、py、pz，它们具有相同的能量；第三能层(M)有s、p、d三种能级。
②能层数＝电子层数，每个能层所包含的能级数＝能层序数。
2．基态原子的核外电子排布
(1)能量最低原理：即电子尽可能地先占有能量低的轨道，然后进入能量高的轨道，使整个原子的能量处于最低状态。
如图为构造原理示意图，即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图：
(2)泡利原理
每个原子轨道里最多只能容纳个电子，且自旋状态相反。如2s轨道上的电子排布为不能表示为
(3)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，且自旋状态相同。如2p3的电子排布为，不能表示为或
洪特规则特例：当能量相同的原子轨道在全满(p6、d10、f14)、半满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)状态时，体系的能量最低，如 24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
3．基态原子核外电子排布的表示方法
(1)电子排布式
①用数字在能级符号的右上角标明该能级上排布的电子数。例如K：1s22s22p63s23p64s1。
②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，例如K：[Ar]4s1。
(2)电子排布图
用或表示原子轨道，↑和↓分别表示两种不同自旋方向的电子。每个方框或圆圈代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子，例如O：
4．基态、激发态及光谱示意图
[题点练通]
核外电子排布
1.(1)(2018·全国卷Ⅱ)基态Fe原子价层电子的电子排布图(轨道表达式)为________________________。
(2)(2018·全国卷Ⅲ)Zn原子核外电子排布式为___________________________________。
(3)(2018·江苏高考)Fe2＋基态核外电子排布式为____________________________。
(4)(2017·全国卷Ⅲ)Co基态原子核外电子排布式为________________________。
(5)(2016·全国卷Ⅰ)基态Ge原子的核外电子排布式为[Ar]________________________。
(6)(2016·全国卷Ⅱ)镍元素基态原子的电子排布式为________________________。
(7)(2016·全国卷Ⅲ)写出基态As原子的核外电子排布式________________________。
(8)(2015·全国卷Ⅱ)P原子的核外电子排布式为_________________________________。
(9)(2014·全国卷Ⅰ)Fe3＋的电子排布式为____________________________________。
(10)(2014·全国卷Ⅱ)Cu的价层电子轨道示意图为________________________。
答案：(1)
(2)1s22s22p63s23p63d104s2(或[Ar]3d104s2)
(3)1s22s22p63s23p63d6(或[Ar]3d6)
(4)1s22s22p63s23p63d74s2(或[Ar]3d74s2)
(5)3d104s24p2
(6)1s22s22p63s23p63d84s2(或[Ar]3d84s2)
(7)1s22s22p63s23p63d104s24p3(或[Ar]3d104s24p3)
(8)1s22s22p63s23p3(或[Ne]3s23p3)
(9)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
(10)
2．(1)(2018·全国卷Ⅰ)下列Li原子电子排布图表示的状态中，能量最低和最高的分别为________、________(填标号)。
(2)(2018·全国卷Ⅱ)基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为____________形。
(3)(2017·全国卷Ⅰ)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。
(4)(2015·全国卷Ⅰ)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用________形象化描述。在基态14C原子中，核外存在________对自旋相反的电子。
答案：(1)D C (2)哑铃(或纺锤) (3)N 球形
(4)电子云 2
3．A、B、C、D、E、F代表6种元素。请填空：
(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元素的负一价离子和C元素的正一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元素的正三价离子的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＝________；原子中能量最高的是________电子。
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，由题意可写出其电子排布图为则该元素核外有6或8个电子，为碳元素或氧元素。(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的原子的最外层电子排布式为2s22p3，由此可知F是N元素；根据核外电子排布的能量最低原理，可知氮原子的核外电子中的2p能级能量最高。
答案：(1)C或O (2)Cl K
(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(5)2 2p
[归纳拓展]
1．“两原理，一规则”的正确理解
(1)原子核外电子排布符合能量最低原理、泡利原理、洪特规则，若违背其一，则原子能量不处于最低状态。
易误警示：在写基态原子的电子排布图时，常出现以下错误：
(2)半充满、全充满状态的原子结构稳定，即ns2、np3、np6等处于相对稳定结构状态。如Cr：3d54s1、Mn：3d54s2、Cu：3d104s1、Zn：3d104s2。
(3)当出现d轨道时，虽然电子按ns、(n－1)d、np的顺序填充，但在书写时，仍把(n－1)d放在ns前。
2．熟记3种最外层电子的特征排布
(1)最外层有3个未成对电子的为ns2np3,1～36号元素中分别为N、P、As。
(2)最外层有2个未成对电子的可能是ns2np2或ns2np4。短周期元素中分别为C、Si和O、S。
(3)最外层有一个单电子的可能是ns1、ns2np1、(n－1)d5ns1、(n－1)d10ns1。第四周期中有K、Ga(镓)、Cr(3d54s1)、Cu(3d104s1)。
化学用语的规范使用
4．(2019·临沂联考)下列表达式错误的是( )
C．硫离子的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4
D．碳12原子：6C
解析：选C S2－的核外电子排布式为1s22s22p63s23p6。
5．(1)元素Cu 基态原子的核外电子排布式为____________。
(2)基态硼原子的电子排布式为______________________________________________。
(3)基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为________，该能层具有的原子轨道数为________、电子数为________。
(4)Ni2＋的价电子排布图为_____________________________________________。
(5)Se原子序数为________，其核外M层电子的排布式为________________。
解析：(1)Cu是29号元素，故其基态原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s1。(2)B是5号元素，故其基态原子的电子排布式为1s22s22p1。(3)Si的最高能层为第三能层，其符号为M，该能层有 1个 s轨道、3个p轨道和5个d轨道，共9个轨道，Si在该能层有4个电子。(4)Ni是28号元素，价电子排布式为3d84s2，Ni2＋的价电子排布式为3d8，电子排布图为(5)Se是34号元素，M层有18个电子，M层电子的排布式为3s23p63d10。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(2)1s22s22p1 (3)M 9 4
(4)
(5)34 3s23p63d10
6．四种短周期元素的性质或结构信息如表所示：
元素
元素性质或结构信息
A
原子核外L层未成对电子数最多
B
原子半径是短周期主族元素中最大的
C
地壳中含量最多的金属元素
D
原子核外有五种不同能量的电子，且最外层有2对成对电子
请根据信息回答下列问题：
(1)A为________元素，其原子的价电子排布式为______________________________。
(2)C的原子核外有________种形状不同的原子轨道，该原子最外层共有________种不同运动状态的电子。
(3)B与D形成的化合物的电子式是__________________；在化合物中D的结构示意图是________________________________________________________________________。
解析：A原子核外L层未成对电子数最多，其电子排布式为1s22s22p3，应为N元素；B原子半径是短周期主族元素中最大的，应为Na元素；C是地壳中含量最多的金属元素，为Al元素；D原子核外有5种不同能量的电子，且最外层有2对成对电子，则电子排布式为1s22s22p63s23p4，应为S元素。(1)A是N元素，其原子的价电子排布式为2s22p3。(2)C为Al元素，其原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，原子核外有球形和哑铃形2种形状不同的轨道，最外层共有3种不同运动状态的电子。(3)B与D形成的化合物是Na2S，其电子式是在化合物中D(S2－)的结构示意图是。
答案：(1)N 2s22p3 (2)2 3
(3)N
原子结构的表示方法
考点(二) 原子结构与性质 【精讲精练快冲关】
[知能学通]
(一)原子结构与元素周期表
1.原子结构与元素周期表的关系
周期
电子层数
每周期第一种元素
每周期最后一种元素
原子序数
基态原子的
电子排布式
原子序数
基态原子的电子排布式
二
2
3
[He]2s1
10
1s22s22p6
三
3
11
[Ne]3s1
18
1s22s22p63s23p6
四
4
19
[Ar]4s1
36
1s22s22p63s23p63d104s24p6
五
5
37
[Kr]5s1
54
1s22s22p63s23p63d104s24p6
4d105s25p6
六
6
55
[Xe]6s1
86
1s22s22p63s23p63d104s24p6
4d104f145s25p65d106s26p6
2.每族元素的价电子排布特点
(1)主族
主族
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
排布特点
ns1
ns2
ns2np1
ns2np2
ns2np3
ns2np4
ns2np5
(2)0族：He：1s2；其他：ns2np6。
(3)过渡元素(副族和第Ⅷ族)：(n－1)d1～10ns1～2。
3．元素周期表的分区
(1)分区简图
(2)各区元素分布及性质与价电子排布特点
分区
元素分布
价电子排布
元素性质特点
s区
ⅠA、ⅡA族
ns1～2
除氢外都是活泼金属元素；通常是最外层电子参与反应
p区
ⅢA族～ⅦA族、0族
ns2np1～6
通常是最外层电子参与反应
d区
ⅢB族～ⅦB族、Ⅷ族(除镧系、锕系外)
(n－1)d1～9ns1～2
d轨道可以不同程度地参与化学键的形成
ds区
ⅠB族、ⅡB族
(n－1)d10ns1～2
金属元素
f区
镧系、锕系
(n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2
镧系元素化学性质相近，锕系元素化学性质相近
(二)元素周期律
1．原子半径
(1)
(2)变化规律
元素周期表中的同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小；同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大。
2．电离能
(1)第一电离能
气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量，符号：I1，单位：kJ·mol－1。
(2)规律
①同周期：第一种元素的第一电离能最小，最后一种元素的第一电离能最大，总体呈现从左至右逐渐增大的变化趋势。
②同族元素：从上至下第一电离能逐渐减小。
③同种原子：逐级电离能越来越大(I1
(1)含义
元素的原子在化合物中吸引键合电子能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强。
(2)标准
以最活泼的非金属氟的电负性为4.0作为相对标准，计算得出其他元素的电负性(稀有气体未计)。
(3)变化规律
金属元素的电负性一般小于1.8，非金属元素的电负性一般大于1.8，而位于非金属三角区边界的“类金属”(如锗、锑等)的电负性则在1.8左右。
在元素周期表中，同周期从左至右，元素的电负性逐渐增大，同主族从上至下，元素的电负性逐渐减小。
4．对角线规则
在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的，如图所示。
5．正确认识元素周期律
项目
同周期(从左→右)
同主族(从上→下)
原子核外电子排布
电子层数相同，最外层电子数逐渐增多，1→7(第一周期1→2)
最外层电子数相同，电子层数递增
原子半径
逐渐减小(0族除外)
逐渐增大
元素主要化合价
最高正价由＋1→＋7(O、F除外)，最低负价由－4→－1
最高正价＝主族序数(O、F除外)，非金属最低负价＝主族序数－8
原子得、失电子能力
得电子能力逐渐增强，失电子能力逐渐减弱
得电子能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强
元素的第一电离能
第一电离能呈增大的趋势
第一电离能逐渐减小
元素的电负性
电负性逐渐增大
电负性逐渐减小
元素金属性、非金属性
金属性逐渐减弱
非金属性逐渐增强
金属性逐渐增强
非金属性逐渐减弱
[题点练通]
原子结构与元素周期表的关系
1.(1)根据前四周期元素原子核外电子排布特点，回答下列问题：
①价电子层有2个未成对电子的有___________________；有3个未成对电子的有________________。
②未成对电子数与周期数相等的元素有______________________________________。
(2)根据4s24p4回答问题：
该元素位于________区，为第________周期第________族，是________元素(填名称)。
(3)第四周期中，未成对电子数最多的元素是________(填名称)。
①它位于第________族。
②核外电子排布式是____________。
③它有________个电子层，________个能级，________种运动状态不同的电子。
④价电子排布式________，价电子轨道表示式_________________________________。
⑤属于________区。
答案：(1)①C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni N、P、As、V、Co
②H、C、O、P、Fe (2)p 四 ⅥA 硒
(3)铬 ①ⅥB ②1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)
③4 7 24 ④3d54s1 ⑤d
元素周期律
2．五种元素的基态原子核外电子排布式如下：①1s22s22p63s23p63d54s2；②1s22s22p63s2；③1s22s22p6；④1s22s22p63s23p2；⑤[Ar]4s1。下列说法中不正确的是( )
A．③为稀有气体元素，①为金属元素
B．原子半径：⑤>②>④
C．电负性：②<④
D．第一电离能：②<⑤
解析：选D 由题意可知，①为Mn元素，②为Mg元素，③为Ne 元素，④为Si元素，⑤为K元素。Ne元素为稀有气体元素，Mn为金属元素，A正确；同周期主族元素，从左到右，原子半径逐渐减小，同主族元素，从上到下，原子半径逐渐增大，故原子半径：K>Mg>Si，B正确；Mg为金属元素，Si为非金属元素，显然Si的电负性大于Mg，C正确；Mg元素的第一电离能大于K元素，D错误。
3．电离能大小的比较及概念：
(1)(2018·全国卷Ⅰ)由2Li(晶体)2Li(g)2Li＋(g)可知，Li原子的第一电离能为________ kJ·mol－1。
(2)(2018·全国卷Ⅲ)第一电离能I1(Zn)________I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是________________________________________________________________________。
(3)(2017·全国卷Ⅲ)元素Mn与O中，第一电离能较大的是________。
(4)(2016·全国卷Ⅱ)元素铜与镍的第二电离能分别为ICu＝1 958 kJ·mol－1、INi＝1 753 kJ·mol－1，ICu>INi的原因是__________________________________________。
(5)(2016·全国卷Ⅲ)根据元素周期律，原子半径Ga________As，第一电离能Ga________As。(填“大于”或“小于”)。
(6)(2014·全国卷Ⅱ)N、O、S中第一电离能最大的是________。
答案：(1)520 (2)大于 Zn核外电子排布为全满稳定结构，较难失电子 (3)O
(4)铜失去的是全充满的3d10电子，镍失去的是4s1电子
(5)大于 小于 (6)N
4．电负性大小的比较：
(1)(2017·全国卷Ⅱ)元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能(E1)。第二周期部分元素的E1变化趋势如图所示，其中除氮元素外，其他元素的E1自左而右依次增大的原因是_____________________；氮元素的E1呈现异常的原因是__________________________。
(2)(2016·全国卷Ⅰ)光催化还原CO2制备CH4反应中，带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大至小的顺序是____________。
(3)(2015·全国卷Ⅱ)O、Na、P、Cl四种元素中电负性最大的是________。
答案：(1)同周期元素随核电荷数依次增大，原子半径逐渐变小，故结合一个电子释放出的能量依次增大 N原子的2p轨道为半充满状态，具有额外稳定性，故不易结合一个电子 (2)O>Ge>Zn (3)O
元素“位—构—性”之间的关系
5．a、b、c、d是四种短周期元素。a、b、d处于同周期，c、d处于同主族。a的原子结构示意图为，b与c形成化合物的电子式为下列比较中正确的是( )
A．原子半径：a>c>d>b
B．电负性：a>b>d>c
C．原子序数：d>a>b>c
D．最高价含氧酸的酸性：a>d>c
解析：选C 由题意可知，a、b、c、d元素分别为Si、Na、N、P元素。同周期主族元素的原子半径随原子序数的递增而逐渐减小，同主族元素的原子半径随着原子序数的递增而逐渐增大，故原子半径大小关系为Na>Si>P>N，A错误；同周期主族元素的电负性随原子序数的递增而逐渐增强，同主族元素的电负性随原子序数的递增逐渐减弱，故电负性大小的关系为N>P>Si>Na，B错误；原子序数的大小关系为P>Si>Na>N，C正确；元素的非金属性越强，最高价含氧酸的酸性越强，N、P、Si元素的非金属性逐渐减弱，故最高价含氧酸的酸性：HNO3>H3PO4>H2SiO3，D错误。
6．A、B、C、D、E是元素周期表前四周期中的常见元素，原子序数依次增大，相关信息如表：
元素
相关信息
A
基态原子的价电子排布式为nsnnpn
B
基态原子中的未成对电子数是同周期中最多的
C
原子最外层电子数是电子层数的3倍
D
简单离子是第三周期元素中离子半径最小的
E
价电子层中的未成对电子数为4
请回答下列问题：
(1)写出D元素基态原子的价电子排布式：____________，E2＋价电子的轨道表示式：__________________。
(2)这5种元素中电负性最大的元素是____________(填元素符号)，A、B、C三种元素的第一电离能由大到小的顺序为____________(填元素符号)。
(3)B、C、D的简单离子的半径由大到小的顺序为________________(用离子符号表示)。
(4)写出C的核外有18个电子的氢化物的电子式：________________。
解析：A的基态原子的价电子排布式为nsnnpn，由于s轨道最多排布2个电子，则n＝2，A的价电子排布式为2s22p2，故A是C元素；B的基态原子中的未成对电子数是同周期最多的，短周期中np3的基态原子中的未成对电子数是同周期中最多的；C原子的最外层电子数是电子层数的3倍，则最外层有6个电子，故C是O元素，B是N元素；D的简单离子是第三周期元素中离子半径最小的，则D是Al元素；E的价电子层中的未成对电子数为4，只能在第四周期，价电子排布式为3d64s2，则E是Fe元素。(1)Al元素基态原子的价电子排布式为3s23p1；Fe原子失去4s轨道上的2个电子生成Fe2＋，故Fe2＋的价电子的轨道表示式为(2)这5种元素中电负性最大的元素为非金属性最强的O元素；同周期元素的第一电离能从左到右依次增大，但N的2p轨道处于半充满的稳定状态，其第一电离能大于O的第一电离能，则C、N、O三种元素的第一电离能由大到小的顺序为N>O>C。(3)N、O、Al的简单离子有相同的电子层结构，则核电荷数越大，其离子半径越小，故离子半径由大到小的顺序为N3－>O2－>Al3＋。(4)O 元素形成的核外有18个电子的氢化物是H2O2，其电子式为
答案：(1)3s23p1 (2)O N>O>C
(3)N3－>O2－>Al3＋ (4)
7．根据下列五种元素的I1至I4电离能数据(单位：kJ·mol－1)，回答下列问题：
元素
I1
I2
I3
I4
Q
2 080
4 000
6 100
9 400
R
500
4 600
6 900
9 500
S
740
1 500
7 700
10 500
T
580
1 800
2 700
11 600
U
420
3 100
4 400
5 900
(1)在周期表中，以上元素最可能处于同一族的是__________。
(2)下列元素中，化学性质和物理性质最像Q元素的是____________(填标号)。
A．硼 B．铍 C．氦 D．氢
(3)每种元素都出现相邻两个电离能的数据相差较大的情况，这一事实从一个侧面说明：________________________________________________________________________，
如果U元素是短周期元素，你估计它的第2次电离能飞跃数据将发生在失去第________个电子时。
(4)如果R、S、T是同周期的三种主族元素，则它们的原子序数由小到大的顺序是______________，其中________(填“R”“T”或“S”)元素的第一电离能异常高的原因是________________________________________________________。
解析：根据电离能的变化趋势(两两之间的差值)知，Q的I1很大，为稀有气体元素，R为第ⅠA族元素，S为第ⅡA族元素，T为第ⅢA族元素，U为第ⅠA族元素。(1)根据以上分析可知，R和U处于同一主族。(2)由于Q是稀有气体元素，所以氦元素的物理性质和化学性质与Q元素最像。(3)电离能的突跃变化，说明核外电子是分层排布的，且各能层能量不同；若U是短周期元素，则U是Na，其核外电子排布式为1s22s22p63s1，由于2s22p6所处能层相同，所以它的第2次电离能飞跃数据发生在失去第10个电子时。(4)同一周期元素，从左到右第一电离能呈增大趋势，但第ⅡA、ⅤA族元素比同周期相邻元素的第一电离能要高，因为其最外层电子呈全充满或半充满稳定状态。
答案：(1)R和U (2)C
(3)电子分层排布，各能层能量不同 10
(4)R
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