資源簡介

1.2 第1課時　基態(tài)原子的核外電子排布
【學習目標】
1.認識基態(tài)原子中核外電子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規(guī)則等。培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。
2.知道原子核外電子的能級高低順序,了解原子核外電子排布的構(gòu)造原理。培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。
3.能運用構(gòu)造原理書寫電子排布式,知道1~36號元素基態(tài)原子核外電子的排布。
【自主預習】
1.核外電子排布的表示方法
(1)電子排布式
a.概念:按照　　　　　原理對能級進行排序,進而在ns、np、nd等能級符號的右上角用數(shù)字表示出　　　　的數(shù)目。
b.圖示
c.示例:基態(tài)鋰原子的電子排布式為　　　　。
(2)軌道表示式
a.概念:用方框(或小圓圈、短線)表示一個　　　　,用箭頭“↑”或“↓”來區(qū)別　　　　不同的電子。
b.圖示
c.示例:基態(tài)鋰原子的軌道表示式為　　　　。
2.基態(tài)原子核外電子排布遵循的原則
(1)能量最低原理:基態(tài)原子的核外電子通常情況下只能分布在能量　　　　的原子軌道上。基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序為　　　　　　　　　　　　。
(2)泡利不相容原理:一個原子軌道中最多只能容納　　　　個電子,并且這兩個電子的自旋方向必須　　　　。
(3)洪特規(guī)則:對于基態(tài)原子,電子在能量相同的軌道上排布時,將盡可能分占不同的軌道并且自旋方向　　　　。
【參考答案】1.能量最低　電子　電子層數(shù)　電子數(shù)　能級
1s22s1　原子軌道　自旋狀態(tài)　原子軌道　電子　自旋狀態(tài)不同　
2.最低　1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,…　兩　相反　相同
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)1~36號元素基態(tài)Cr原子未成對電子數(shù)最多。 (　　)
(2)基態(tài)Cr原子價電子排布式為3d44s2。 (　　)
(3)基態(tài)Cu原子價電子排布式為3d94s2。 (　　)
(4)Fe2+的價電子排布式為3d64s2。 (　　)
(5)[Ar]3d34s2是基態(tài)某原子的電子排布式。 (　　)
(6)基態(tài)銅原子的價電子軌道表示式:。(　　)
【答案】(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×
2.為什么每個電子層最多容納2n2個電子
【答案】各電子層上的能級數(shù)目=電子層序數(shù)n,每個電子層(n)中,原子軌道數(shù)為n2個,根據(jù)泡利不相容原理,每個原子軌道最多只能容納2個電子,所以每個電子層最多容納2n2個電子。
3.基態(tài)硼原子的電子排布式和軌道表示式分別如何表示 核外電子共有幾種運動狀態(tài) 有幾個未成對電子 有幾對成對電子
【答案】基態(tài)硼原子的電子排布式1s22s22p1,軌道表示式為,核外一共有5種運動狀態(tài)的電子,有1個未成對的電子,2對成對電子。
4.畫出基態(tài)氯原子的最外層電子軌道表示式。
【答案】
5.畫出基態(tài)Fe的價電子軌道表示式。
【答案】
【合作探究】
任務1：基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)律
情境導入　
多電子的基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序可表示為
問題生成
1.基態(tài)原子核外電子在原子軌道上是先排3d軌道還是先排4s軌道
【答案】根據(jù)構(gòu)造原理可知,電子在基態(tài)原子核外排布時,先排4s軌道再排3d軌道。
2.n值小的能級的軌道的能量一定小于n值大的能級的軌道的能量嗎
【答案】不一定。電子層序數(shù)、能級不同時,核外電子在外層分布時存在原子軌道能級交錯現(xiàn)象,如E4s3.為什么原子核外最外層的電子不超過8個 次外層不超過18個電子
【答案】由于E(nd)>E[(n+1)s],當ns和np軌道電子排滿時,多余的電子不是填入nd軌道,而是首先填入(n+1)s軌道,因此最外層電子數(shù)不可能超過2+6=8。同理次外層由(n-1)s(n-1)p(n-1)d組成,所容納的電子數(shù)不大于2+6+10=18。
【核心歸納】
1.能量最低原理
(1)基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序。
(2)能級相同時,電子層數(shù)越大,原子軌道能量越高,如E3p>E2p。
(3)電子層相同時,不同能級之間的能量關(guān)系,如E3d>E3p>E3s。
(4)電子層、能級不同時,原子中的價電子在外層分布時存在原子軌道能級交錯現(xiàn)象,如E4s2.泡利不相容原理
泡利不相容原理可以簡單敘述為一個原子軌道中最多只能容納兩個電子,并且這兩個電子的自旋方向必須相反。
說明:a.在核外電子的排布中,排在同一軌道上的兩個電子,自旋方向相反;而自旋方向相同的電子,必然處于不同的軌道上。可以這樣理解:在同一原子中,沒有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在,原子核外有幾個電子,就有幾種運動狀態(tài)。
b.根據(jù)泡利不相容原理我們可以推算出各電子層可以容納的最多電子數(shù)。具體見下表:
電子層(n) K L M N ……
能級 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f ……
原子軌道數(shù) 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 ……
1 4 9 16
電子數(shù) 2 8 18 32 ……
2×12 2×22 2×32 2×42 ……
在原子中,每個電子層最多可容納2n2個電子,每個能級最多容納的電子數(shù)是其所包含的原子軌道數(shù)的2倍。
3.洪特規(guī)則
當電子排布在同一能級的不同軌道時,基態(tài)原子中的電子總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道,而且自旋狀態(tài)相同,這個規(guī)則稱為洪特規(guī)則。通俗地說,洪特規(guī)則可以表述為電子總是先平行地分占能量相同的不同軌道(同一能級上的軌道)。如碳原子的軌道表示式為,而不是,也不是。
特別地,當同一能級上的電子排布為全充滿(s2、p6、d10、f14)、半充滿(s1、p3、d5、f7)和全空狀態(tài)(p0、d0、f0)時,具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性,這稱為洪特規(guī)則的特例。例如,鉻(24Cr)的價電子排布式是3d54s1(3d、4s能級均為半充滿)而不是3d44s2,銅(29Cu)的價電子排布式是3d104s1(3d全充滿、4s半充滿)而不是3d94s2等。
【典型例題】
【例1】下列基態(tài)原子或離子的電子排布式(或軌道表示式)正確的是　　　　(填序號,下同),違反能量最低原理的是　　　,違反洪特規(guī)則的是　　　　,違反泡利不相容原理的是　　　　。
①Ca2+:1s22s22p63s23p6
②F-:1s22s23p6
③P:
④Cr:1s22s22p63s23p63d44s2
⑤Fe:1s22s22p63s23p63d64s2
⑥Mg2+:1s22s22p6
⑦O:
【答案】①⑤⑥　②　③④　⑦
【解析】根據(jù)核外電子排布規(guī)律判斷,②的錯誤在于電子排完2s軌道后應排能量較低的2p軌道而不是3p軌道,正確的電子排布式應為1s22s22p6。③沒有遵循洪特規(guī)則,3p軌道上正確的電子軌道表示式應為。④忽略了能量相同的原子軌道上電子排布為半充滿狀態(tài)時,體系的能量較低,原子較穩(wěn)定,正確的電子排布式應為1s22s22p63s23p63d54s1。⑦違反泡利不相容原理,正確的電子軌道表示式應為。
易錯警示：核外電子在原子軌道上排布要遵循三個原則,即能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規(guī)則。這三個原則并不是孤立的,而是相互聯(lián)系、相互制約的。也就是說核外電子在原子軌道上排布要同時遵循這三個原則。其中能量最低原理可敘述為在不違反泡利不相容原理的前提下,核外電子在各個原子軌道上的排布方式應使整個原子體系的能量最低。
任務2：基態(tài)原子核外電子排布的表示方法
情境導入　鈦是一種金屬,其耐腐蝕性、穩(wěn)定性高,和人體長期接觸也不影響人體器官的本質(zhì),所以不會造成人體過敏。它是唯一對人類神經(jīng)和味覺沒有任何影響的金屬。鈦合金與人體自然骨的彈性模量相對接近,生物相容性良好,在臨床有著廣泛應用。
問題生成
1.基態(tài)鈦原子的核外電子排布式如何表示
【答案】1s22s22p63s23p63d24s2。
2.基態(tài)鈦原子的軌道表示式如何表示
【答案】
。
3.電子排布式和軌道表示式在描述核外電子運動狀態(tài)方面有什么區(qū)別
【答案】電子排布式能夠表示出每一個能級上的電子排布情況,軌道表示式除了能夠表示出在每一個能級上電子的排布情況,還能表示出電子在該能級的原子軌道上的排布情況,因此比電子排布式更加具體形象。
4.如何書寫簡單離子的電子排布式
【答案】先寫原子的電子排布式,然后再根據(jù)得失電子寫出離子的電子排布式。例如:O2-的電子排布式,先寫氧原子的電子排布式為1s22s22p4,再得2個電子得到O2-的電子排布式為1s22s22p6。Fe3+的電子排布式,先寫鐵原子的電子排布式為[Ar]3d64s2,再失3個電子(由外層向內(nèi)層)得到Fe3+的電子排布式為[Ar]3d5。
5.Fe2+和Fe3+的電子排布式如何表示 為什么Fe3+的穩(wěn)定性大于Fe2+的穩(wěn)定性
【答案】Fe2+電子排布式為1s22s22p63s23p63d6,Fe3+電子排布式為1s22s22p63s23p63d5。根據(jù)洪特規(guī)則特例,Fe3+的3d軌道處于半充滿狀態(tài),更穩(wěn)定些。
【核心歸納】
核外電子排布的表示方法
原子(離子) 結(jié)構(gòu)示意圖 含義 將每個能層上的電子總數(shù)表示在原子核外的式子
實例
電子排布式 含義 用數(shù)字在能級符號右上角標明該能級上排布的電子數(shù),這就是電子排布式
實例 K:1s22s22p63s23p64s1
簡化電子 排布式 含義 為了避免電子排布式書寫過于煩瑣,把內(nèi)層電子達到稀有氣體原子結(jié)構(gòu)的部分以相應稀有氣體元素符號外加方括號表示
實例 K:[Ar]4s1
價電子 排布 含義 在化學反應中可能發(fā)生電子變動的電子層稱為價電子層
實例 Al:3s23p1
軌道表示式 含義 每個方框代表一個原子軌道,每個箭頭代表一個電子及其自旋取向
實例
電子式 含義 化學中常在元素符號周圍用“·”或“×”來表示元素原子的最外層電子,相應的式子叫作電子式
實例
【典型例題】
【例2】下列化學用語表示正確的是(　　)。
A.HCl的電子式:H+]-
B.基態(tài)氮原子的軌道表示式:
C.S2-的結(jié)構(gòu)示意圖:
D.基態(tài)硅原子的簡化電子排布式:[He]3s23p2
【答案】C
【解析】A項,應為;B項,應為;D項,應為[Ne]3s23p2。
【例3】下列有關(guān)核外電子排布的式子表示不正確的是(　　)。
A.基態(tài)24Cr的電子排布式:1s22s22p63s23p63d54s1
B.基態(tài)K的簡化電子排布式:[Ar]4s1
C.基態(tài)N原子的軌道表示式:
D.基態(tài)Si原子的軌道表示式:
【答案】D
【解析】24Cr的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1,這樣排布可以滿足洪特規(guī)則特例,且能量最低,A項正確;Si原子3p能級的電子排布遵循洪特規(guī)則,其軌道表示式為,D項不正確。
【例4】下表列出了核電荷數(shù)為21~25的元素的最高正化合價,回答下列問題:
元素名稱 鈧 鈦 釩 鉻 錳
元素符號 Sc Ti V Cr Mn
核電荷數(shù) 21 22 23 24 25
最高正價 +3 +4 +5 +6 +7
(1)寫出下列元素基態(tài)原子的核外電子排布式:
Sc:　 。
Ti:　 。
V:　 。
Mn:　 。
(2)已知基態(tài)鉻原子的核外電子排布式是1s22s22p63s23p63d54s1,其并未嚴格按照基態(tài)原子核外電子在原子軌道上的排布順序進行排布,為什么核外電子這樣排布呢 　。
(3)對比上述五種元素原子的核外電子排布式與元素的最高正化合價,你發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是　 。
【答案】(1)1s22s22p63s23p63d14s2{或[Ar]3d14s2}
1s22s22p63s23p63d24s2{或[Ar]3d24s2}
1s22s22p63s23p63d34s2{或[Ar]3d34s2}
1s22s22p63s23p63d54s2{或[Ar]3d54s2}
(2)由洪特規(guī)則的特例可知,能量相同的原子軌道半充滿狀態(tài)一般比較穩(wěn)定
(3)五種元素的最高正化合價數(shù)值等于各元素基態(tài)原子的最外電子層s電子和次外電子層d電子數(shù)目之和
【解析】(1)根據(jù)核電荷數(shù)和構(gòu)造原理可以寫出四種元素原子的核外電子排布式。(2)由洪特規(guī)則的特例可知,能量相同的原子軌道全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)一般比較穩(wěn)定。(3)由化合價數(shù)值與對應的核外電子排布式,可以得出最高正化合價數(shù)值等于各元素基態(tài)原子的最外電子層s電子和次外電子層d電子數(shù)目之和。
【隨堂檢測】
1.下列化學用語的表示正確的是(　　)。
A.原子核內(nèi)有10個中子的氧原子O
B.氯原子的結(jié)構(gòu)示意圖:
C.基態(tài)Fe3+的最外層電子排布式:3s23p63d5
D.基態(tài)銅原子的價電子軌道表示式:
【答案】C
【解析】A項,原子核內(nèi)有10個中子的氧原子可表示為O,錯誤;B項,氯原子的結(jié)構(gòu)示意圖為,錯誤;C項,鐵的原子序數(shù)是26,Fe3+的最外層電子排布式為3s23p63d5,正確;D項,銅的原子序數(shù)是29,則基態(tài)銅原子的價電子軌道表示式為,錯誤。
2.基態(tài)原子的4s能級中只有1個電子的元素共有(　　)。
A.1種　　　B.2種　　　C.3種　　　D.8種
【答案】C
【解析】4s能級中只有1個電子的基態(tài)原子可以是主族元素K,也可以是過渡元素Cu或Cr,所以共有3種。
3.下列各組中的X和Y兩種原子,其元素化學性質(zhì)一定相似的是(　　)。
A.X原子和Y原子最外層都只有一個電子
B.X原子的核外電子排布式為1s2,Y原子的核外電子排布式為1s22s2
C.X原子2p能級上有三個電子,Y原子的3p能級上有三個電子
D.X原子核外M層上僅有兩個電子,Y原子核外N層上僅有兩個電子
【答案】C
【解析】A項,如H和Na原子的最外層均只有1個電子,但化學性質(zhì)不相似,錯誤;B項,X為He,Y為Be,兩者化學性質(zhì)不相似,錯誤;C項,X為N,Y為P,同主族元素化學性質(zhì)相似,正確;D項,X為Mg,Y不確定,元素種類很多,錯誤。
4.根據(jù)下列敘述寫出對應元素符號和基態(tài)原子核外電子排布式。
(1)次外層d軌道全空,最外層有一個4s電子:　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)某元素+3價離子和氬原子的電子排布相同:　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)某元素+3價離子的3d軌道半充滿:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)K,1s22s22p63s23p64s1
(2)Sc,1s22s22p63s23p63d14s2
(3)Fe,1s22s22p63s23p63d64s2
5.A、B、C、D、E代表前四周期的五種元素,原子序數(shù)依次增大。請回答下列問題:
(1)A元素基態(tài)原子的最外層有3個未成對電子,次外層有2個電子,其軌道表示式為　　　　。
(2)B元素的負一價離子的電子層結(jié)構(gòu)與氬相同,B的離子的結(jié)構(gòu)示意圖為　　　　。
(3)C元素的正三價離子的3d能級為半充滿,C的元素符號為　　　　,其基態(tài)原子的電子排布式為　　　　。
(4)D元素基態(tài)原子的M層全充滿,N層沒有成對電子,只有一個未成對電子,D的元素符號為　　　　。其基態(tài)原子的電子排布式為　　　　。
(5)E元素基態(tài)原子中沒有未成對電子,E的電子排布式是　　　　。
【答案】(1)　(2)
(3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2
(4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1
(5)1s22s22p63s23p63d104s2或1s22s22p63s23p63d104s24p6
【解析】(1)基態(tài)原子的最外層有3個未成對電子,次外層有2個電子的元素為氮元素,其軌道表示式為。
(2)因為B-的電子層結(jié)構(gòu)與氬相同,即核外電子數(shù)相同,所以B元素的質(zhì)子數(shù)為18-1=17,則B-為Cl-,其結(jié)構(gòu)示意圖為。
(3)C元素的正三價離子的3d能級為半充滿,C的元素符號為Fe,其基態(tài)原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2。
(4)D元素基態(tài)原子的M層全充滿,N層沒有成對電子,只有一個未成對電子,則D為Cu,其基態(tài)原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s1。
(5)E元素基態(tài)原子中沒有未成對電子,且E的原子序數(shù)在五種元素中最大,因此E元素為30號元素Zn或36號元素Kr,其電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s2或1s22s22p63s23p63d104s24p6。
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