資源簡介

2.1 第2課時　原子核外電子的排布
【學習目標】
1.能舉例說明原子核外電子排布的構造原理。
2.能用電子排布式、軌道表示式表征1~36號元素基態原子的核外電子排布。
【合作探究】
【學習情境】
　　煙花其實和爆竹的結構類似,其結構都包含黑火藥和藥引。制作煙花的過程中還加入了一些發光劑和發色劑,能夠使煙花放出五彩繽紛的顏色。發光劑是金屬鎂或金屬鋁的粉末,這些金屬在燃燒時會發出白熾的強光。發色劑其實只不過是一些金屬化合物。煙花燃燒為什么會放出獨特顏色的火焰 其本質是燃燒時電子發生了躍遷。
任務1　電子排布的構造原理
【新知生成】
1.原子核外電子排布遵循的原理有(1)　　　　　　　;(2)　　　　　　　　　;(3)　　　　　　　　;(4)　　　　　　　　　。
2.原子軌道的能量高低規律
(1)比較下列原子軌道能量的高低,并總結比較原子軌道能量大小的規律。
① 1s　　2s　　3s　　4s　　5s　　6s　　7s
② 7s　　7p　　7d　　7f
③ 3px　　3pz　　3py
規律:　 。
(2)比較3d、4s、4p原子軌道能量的高低:　 。
3.電子排布式:用數字在原子軌道符號右上角標明該能級上排布的電子數的式子。
寫出下列基態原子的電子排布式:
7N 　　　　　　　; 12Mg 　　　　　　　　。
4.簡化的電子排布式:為了避免電子排布式書寫過于煩瑣,可以把內層電子已達到稀有氣體結構的部分寫成“原子實”,以稀有氣體的元素符號外加方括號表示。
7N、12Mg的簡化電子排布式分別為　 、　　　　　　。
5.下列基態氮原子2p軌道表示式違背的原理是(1)　　　　　;(2)　　　　　　　　　　　　。
(1)
(2)
【答案】1.(1)能量最低原理　(2)泡利不相容原理　(3)洪特規則　(4)洪特規則特例
2.(1)①<　<　<　<　<　<　② <　<　<
③=　=　先比較電子層,再比較能級　(2)4s<3d<4p
3.1s22s22p3　 1s22s22p63s2
4.[He]2s22p3　[Ne]3s2
5.(1)洪特規則　(2)洪特規則、泡利不相容原理
【核心突破】
　　典例1　下列說法錯誤的是 (　　)
A.ns電子的能量不一定高于(n-1)p電子的能量
B.基態6C的電子排布式1s22s22違反了洪特規則
C.電子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3違反了能量最低原則
D.電子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10違反了泡利不相容原理
【答案】A
【解析】根據能級構造原理可知,不同層不同能級ns<(n-2)f<(n-1)d　　典例2　根據軌道能量順序寫出下列基態原子或離子的核外電子排布式。
(1)O　　　　　　　　;
(2)Ca　　　　　　　　;
(3)　　　　　　　　;
(4)Al3+　　　　　　　　。
【答案】(1)1s22s22p4　(2)1s22s22p63s23p64s2　(3)1s22s22p63s23p6　(4)1s22s22p6
【解析】O原子有8個電子,按1s、2s、2p順序填充電子:1s22s22p4;Ca原子有20個電子,由于4s<3d,出現原子軌道交錯,按1s、2s、2p、3s、3p、4s順序填充為1s22s22p63s23p64s2;S原子有16個電子,按1s、2s、2p、3s、3p順序填充為1s22s22p63s23p4,為S原子得到2個電子后形成,故3p軌道上填充6個電子,即其核外電子排布式為1s22s22p63s23p6;Al原子有13個電子,按1s、2s、2p、3s、3p順序填充為1s22s22p63s23p1,Al原子失去3個電子后變成Al3+,故Al3+的電子排布式為1s22s22p6。
歸納總結　一、基態原子核外電子排布所遵循的原理
1.能量最低原理:電子優先排布在能量最低的原子軌道里,由里到外,依次排布在能量逐漸升高的原子軌道(對于1~36號元素,重點掌握“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”這一順序)。
2.泡利不相容原理:在任何一個原子中,不可能有運動狀態完全相同的兩個電子。
3.洪特規則:在相同能量的原子軌道上,電子盡可能占據不同的軌道,而且自旋方向相同,這就是洪特規則。如碳原子的軌道表示式是,而不是。
二、核外電子排布的表示方法
粒子 結構 示意圖 含義 將每個電子層上的電子總數表示在原子核外的式子
實例
電子 排布式 含義 用數字在原子軌道符號右上角標明該原子軌道上排布的電子數
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,把內層電子達到稀有氣體結構的部分以相應稀有氣體的元素符號外加方括號表示
實例 Ca:[Ar]4s2
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
實例
　　訓練1　元素周期表中鉍元素的數據如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.Bi元素的質量數是209.0
B.Bi元素的相對原子質量是209.0
C.Bi原子6p軌道有一個未成對電子
D.Bi原子最外層有5個能量相同的電子
【答案】B
【解析】Bi的質子數為83,因不知中子數,無法確定其質量數,A項錯誤;Bi的相對原子質量為209.0,B項正確;6p軌道有3個未成對電子,C項錯誤;最外層5個電子分別在s、p軌道,能量不同,D項錯誤。
　　訓練2　下列對電子排布式或軌道表示式書寫的評價正確的是 (　　)
選項 電子排布式或軌道表示式 評價
A N原子的軌道表示式: 錯誤;違反洪特規則
B O原子的軌道表示式: 錯誤;違反泡利不相容原理
C K原子的電子排布式:1s22s22p63s23p63d1 錯誤;違反能量最低原理
D Br-的電子排布式:[Ar]3d104s24p6 錯誤;違反能量最低原理
　　【答案】C
【解析】A項,相同軌道中的兩個電子運動方向相反,違反了泡利不相容原理,不符合題意;B項,電子應先充滿同能級的軌道,違反了洪特規則,不符合題意;C項,K原子的電子排布式:1s22s22p63s23p64s1,1s22s22p63s23p63d1違反能量最低原理,符合題意;D項,Br-的電子排布式:[Ar]3d104s24p6,正確,評價錯誤。
任務2　核外電子排布的表示方法　原子光譜
【新知生成】
1.寫出下列原子核外電子排布表示方法的含義。
(1)1s1 　(2)[Ar]4s2　(3)
2.基態銅原子的核外電子排布式、簡化的核外電子排布式、外圍電子排布式分別為　　　　　　　　、　　　　　　　　　、　　　　　　　　　。
3.吸收光譜與發射光譜
4.焰色試驗的原理是原子中的電子　　　　了能量,從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道。但處于能量較高軌道上的電子是不穩定的,很快躍遷回能量較低的軌道,這時就將多余的能量以　　　　的形式放出,使火焰呈現顏色。
【答案】1.(1)
(2)[Ar]4s2表示鈣原子核外電子排布式的簡寫,把內層電子達到稀有氣體結構的部分寫成“原子實”
(3)
2.1s22s22p63s23p63d104s1　[Ar]3d104s1　3d104s1
3.吸收　發射
4.吸收　光
【核心突破】
　　典例3　按要求回答下列問題:
(1)基態17Cl-的電子排布式為　　　　　　　　。
(2)基態17Cl的外圍電子排布式為　　　　。
(3)17Cl-的電子式為　　　　。
(4)基態17Cl的軌道表示式為　 。
(5)17Cl的原子結構示意圖為　 。
(6)第4周期中最外層僅有1個電子的所有基態原子的簡化電子排布式為　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　。
(7)某元素質量數為51,中子數為28,其基態原子未成對電子數為　　　　。
【答案】(1)1s22s22p63s23p6{或[Ne]3s23p6}　(2)3s23p5　(3)]-　(4)
(5)　(6)19K:[Ar]4s1　24Cr:[Ar]3d54s1　29Cu:[Ar]3d104s1　(7)3
【解析】(1)~(5)主要考查電子排布式、外圍電子排布式、電子式、軌道表示式、原子結構示意圖等常用化學用語概念的區別,要注意對概念的辨析。
(6)第4周期最外層只有1個電子的最外層電子排布式為4s1,此時3s、3p應已填滿,3d軌道可能全空、半充滿或全充滿,即這些原子的電子排布式分別為19K:[Ar]4s1、24Cr:[Ar]3d54s1、29Cu:[Ar]3d104s1。
(7)該元素原子的質子數為51-28=23,為釩元素,其基態原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d34s2,3d能級有5個原子軌道,3個電子優先分別占據1個軌道,且自旋方向相同,故有3個未成對電子。
　　典例4　在第4周期中,未成對電子數最多的元素是　　　　　　　(填名稱)。
(1)該元素位于第　　　　族。
(2)該元素基態原子的核外電子排布式是　 。
(3)該元素原子中有　　　　個能層,　　　　個能級,　　　　種運動狀態不同的電子。
(4)該元素原子的外圍電子排布式為　　　　,外圍電子軌道表示式為　　　　。
【答案】鉻　(1)ⅥB　(2)1s22s22p63s23p63d54s1{或[Ar]3d54s1}　(3)4　7　24　(4)3d54s1　
【解析】第4周期元素中,鉻元素原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1,未成對電子數最多(6個)。根據其核外電子排布式,可知該元素位于ⅥB族,有4個能層,7個能級,每個電子的運動狀態都是不同的,有24種運動狀態不同的電子。
歸納總結　核外電子排布的表示方法
(1)核外電子排布式的書寫
①簡單原子的核外電子排布式:按照軌道能量順序將電子依次填充到能量逐漸升高的軌道中。例如,7N:1s22s22p3,17Cl:1s22s22p63s23p5。
②復雜原子的核外電子排布式:先按能量從低到高排列,然后再把同一層的電子排到一起,如26Fe,先按能量從低到高排列為1s22s22p63s23p64s23d6,然后將同一層的電子移到一起,即1s22s22p63s23p63d64s2。
(2)特別地,當同一原子軌道上的電子排布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、d5、f7)和全空狀態(p0、d0、f0)時,具有較低的能量和較大的穩定性。例如,鉻(24Cr)的外圍電子排布是3d54s1(3d、4s軌道均為半充滿),而不是3d44s2;銅(29Cu)的外圍電子排布是3d104s1(3d全充滿,4s半充滿)。
　　訓練3　下列有關基態原子核外電子排布的式子不正確的是 (　　)
A.24Cr的電子排布式:1s22s22p63s23p63d54s1
B.K的簡化電子排布式:[Ar]4s1
C.N原子的軌道表示式:
D.S原子的軌道表示式:
【答案】D
【解析】原子軌道在全充滿、半充滿和全空狀態時體系能量較低,原子較穩定,故Cr的外圍電子排布不是3d44s2,而是3d54s1,A項正確;該式為簡化的電子排布式,以[Ar]代表1s22s22p63s23p6,B項正確;2p3中的三個電子自旋狀態相同,C項正確;S原子的軌道表示式應是,D項錯誤。
　　訓練4　具有下列電子排布式的原子中,半徑最大的是 (　　)
A.1s22s22p63s23p5 B.1s22s22p3 C.1s22s22p2 D.1s22s22p63s23p2
【答案】D
【解析】由基態原子的核外電子排布式可以確定A為氯元素,B為氮元素,C為碳元素,D為硅元素,根據同周期從左到右原子半徑減小,同主族自上而下原子半徑增大,可知Si元素的原子半徑最大。
課堂小結
【隨堂檢測】
1.下列表示氦原子結構的化學用語中,對電子運動狀態描述最詳盡的是 (　　)
AHe B. C.1s2 D.
【答案】D
【解析】A項,電子式只能表示原子的最外層電子數;B項,原子結構示意圖只表示原子核外的電子分層排布情況;C項,電子排布式具體到各能級的電子數;D項,電子排布圖包含了能層、能級以及軌道內電子的自旋狀態等信息,故該項符合題意。
2.下列軌道表示式能表示磷原子的最低能量狀態的是 (　　)
A.
B.
C.
D.
【答案】C
【解析】由于軌道中的電子處于半充滿或全充滿狀態能量最低、穩定性強,且遵循洪特規則,單獨電子占據一個軌道,電子自旋方向相同,C項正確。
3.下列表示式錯誤的是(　　)。
A.基態Na+的軌道表示式:
B.Na+的結構示意圖:
C.基態Na原子的電子排布式:1s22s22p63s1
D.基態Na原子的簡化電子排布式:[Ne]3s1
【答案】A
【解析】根據泡利不相容原理可知,同一軌道的兩個電子的自旋方向相反,故Na+的軌道表示式:,A項錯誤;鈉是11號元素,故Na+的結構示意圖:,B項正確;根據能量最低原理和能級構造原理可知,基態Na原子的電子排布式為1s22s22p63s1,C項正確;根據基態Na原子的電子排布式為1s22s22p63s1,故可簡化為[Ne]3s1,D項正確。
4.若某基態原子的外圍電子排布式為4d15s2,則下列說法正確的是(　　)。
A.該元素基態原子中共有3個電子
B.該元素原子核外有5個電子層
C.該元素原子最外層共有3個電子
D.該元素原子M能層共有8個電子
【答案】B
【解析】由外圍電子排布式為4d15s2可知,該元素原子核外有5個電子層,最外層有2個電子,M層是第三層,3d能級應排滿,電子排布為3s23p63d10,共18個電子。
5.以下列出的是一些原子的2p能級和3d能級中電子排布的情況。其中:違反了泡利不相容原理的是　　　　,違反了洪特規則的是　　　　。(填序號)　
① 　② 　③ ④ 　⑤
【答案】②　③
【解析】泡利不相容原理:每個原子軌道上最多只能容納2個自旋狀態相反的電子;洪特規則是指在能量相同的各個軌道上排布的電子,總是優先單獨占據不同的軌道,且自旋方向相同。所以違反泡利不相容原理的有②,違反洪特規則的有③。
6.A、B、C、D代表4種元素。請回答下列問題:
(1)A元素基態原子的最外層有3個未成對電子,次外層有2個電子,其元素符號為　　　　。
(2)B元素的負一價離子和C元素的正一價離子的電子層結構都與氬相同,B的元素符號為　　　　,C的元素符號為　　　　。
(3)D元素的正三價離子的3d能級為半充滿,D的元素符號為　　　　,其基態原子的電子排布式為　。
【答案】(1)N　(2)Cl　K
(3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2{或[Ar]3d64s2}
【解析】(1)由題意可知,A原子只有兩個電子層,其基態原子的軌道表示式為,可見該元素核外有7個電子,為氮元素。
(2)B-、C+的電子層結構都與Ar相同,即核外都有18個電子,則B為17號元素Cl,C為19號元素K。
(3)由題可知,D3+的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d5,是由D元素原子失去2個4s電子和1個3d電子后得到的,則D元素原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2,故該元素是26號元素Fe。
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