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第23講　原子結構　 核外電子排布
【備考目標】　1.了解元素、核素和同位素的含義。2.了解原子的構成，了解原子序數、核電荷數、質子數、中子數、核外電子數以及它們之間的關系。3.了解原子核外電子的運動狀態、能級分布和排布原理，能正確書寫1～36號元素原子核外電子、價層電子的排布式和軌道表示式。4.了解電子在原子軌道之間的躍遷及其簡單應用。
考點1　原子結構　核素與同位素
1．原子的構成
(1)原子的構成
(2)構成原子或離子的微粒間的數量關系
①原子中：質子數(Z)＝核電荷數＝核外電子數。
②質量數(A)＝質子數(Z)＋中子數(N)。
③陽離子的核外電子數＝質子數－陽離子所帶電荷數，如Mg2＋的核外電子數是10。
④陰離子的核外電子數＝質子數＋陰離子所帶電荷數，如Cl－的核外電子數是18。
[深化理解]
①原子中不一定都含有中子，如H中沒有中子。
②電子排布完全相同的原子不一定是同一種原子，如互為同位素的各原子。
③易失去1個電子形成＋1價陽離子的不一定是金屬原子，如H。
④形成穩定結構的離子最外層不一定是8個電子，如Li＋為2個電子穩定結構。
2．元素、核素、同位素
(1)概念及關系
(2)同位素的特征
①同一元素的各種核素的化學性質幾乎完全相同，物理性質不同。
②天然存在的同一元素各核素所占的原子百分數(豐度)一般不變。
【提醒】　①由于同位素的存在，核素的種數遠大于元素的種數。②不同核素可能具有相同的質子數，如H和H；也可能具有相同的中子數，如C和O；還可能具有相同的質量數，如C和N。
(3)氫元素的三種核素
H：名稱為氕，不含中子；
H：用字母D表示，名稱為氘或重氫；
H：用字母T表示，名稱為氚或超重氫。
(4)幾種重要核素的用途
核素 92U 6C H H 8O
用途 核燃料 考古斷代 制氫彈 示蹤原子
3.核反應方程的分析技巧
(1)質量數守恒：各微粒左上角數字之和在核反應前后相等。
(2)電荷數守恒：各微粒左下角數字之和(正電荷數)在核反應前后相等。
例：碳 14的β衰變：C―→N＋e
質量數守恒表達式：14＝14＋0；電荷數守恒表達式：6＝7－1。
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)所有原子核內一定都有中子(× )
(2)質子數相同的微粒一定屬于同一種元素(× )
(3)核外電子數相同的微粒，其質子數一定相同(× )
(4)同位素的物理性質不同，但化學性質幾乎相同(√ )
(5)不同核素之間的轉化屬于化學反應(× )
題組練習
一、元素、核素、同位素的概念辨析
1．釙 210屬于極毒性放射性元素，以相同重量來比較，釙 210的毒性是氰化物的2.5億倍。下列有關Po的說法正確的是(　　)
A．Po與Po互為同素異形體 B．Po與At互為同位素
C．Po的質子數為84，中子數為126 D．Po元素的相對原子質量為210
解析：選C。Po與Po是同種元素的不同核素，應互為同位素，A錯誤；Po與At為兩種不同元素的核素，不能互稱為同位素，B錯誤；Po的質子數為84，中子數為210－84＝126，C正確；釙 210的近似相對原子質量為210，釙元素的相對原子質量不是210，D錯誤。
2．根據下列微粒回答問題：H、H、H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8種微粒共含有________種核素，共包括________種元素。
②互為同位素的是________________________________________________。
③質量數相等的是________和________，中子數相等的是________和________。
答案：①8　5　②H、H、H　③14C　14N　14C　16O
二、微粒中粒子數目的分析與計算
3．(2024·天津和平區聯考)是目前發現的最后一種元素，也是最重的一種元素，元素符號為Og，是人工合成的放射性稀有氣體元素，它的發現標志著元素周期表第七周期被全部填滿。用鈣離子撞擊锎(Cf)靶，可以產生Og，其反應可表示為：Cf＋Ca―→Og＋3n。下列說法錯誤的是(　　)
A．Og原子核內有176個中子，質子數為118 B．Ca與Ca的化學性質幾乎相同
C．Og是一種性質穩定的非金屬元素 D．锎為過渡元素
解析：選C。Og為Og，則其原子核內有294－118＝176個中子，質子數為118，A正確；Ca與Ca互為同位素，質子數相同，基態原子電子排布方式相同，化學性質幾乎相同，B正確；Og具有放射性，不穩定，C錯誤；锎元素核電荷數為98，位于第七周期第ⅢB族，是一種錒系元素，屬于過渡元素，D正確。
4．某元素的一種同位素X原子的質量數為A，它與2H原子組成2HmX分子，此分子含N個中子，在a g 2HmX中所含電子的物質的量是__________________。
解析：2HmX分子含N個中子，則同位素X含中子數為(N－m)，由同位素X原子的質量數為A可知，質子數為(A－N＋m)，則每個2HmX分子含有質子數為(A－N＋2m)，a g 2HmX的物質的量為＝ mol，故a g 2HmX含有質子的物質的量為(A－N＋2m) mol，因中性分子中質子數等于電子數，則a g 2HmX中所含電子的物質的量是(A－N＋2m) mol。
答案：(A－N＋2m) mol
三、“10e－”“18e－”微粒的應用
5．A＋、B＋、C－、D、E五種粒子(分子或離子)中，每個粒子均有10個電子，已知：
①A＋＋C－===D＋E↑；②B＋＋C－===2D。回答下列問題：
(1)C－的電子式是______________。
(2)分別寫出A＋和D反應、B＋和E反應的離子方程式：_________________________________________________。
(3)除D、E外，請再寫出兩種含10個電子的分子的分子式：___________________________。
(4)除A＋、B＋外，請再寫出兩種含10個電子的陽離子：____________________________________。
解析：本題中五種粒子均有10個電子是解題的突破口。依據已有的元素與化合物的知識可知，10電子的粒子中，原子有Ne，陰離子有N3－、O2－、F－、OH－、NH，陽離子有Na＋、Mg2＋、Al3＋、NH、H3O＋，分子有CH4、NH3、H2O、HF。根據題意由①A＋＋C－===D＋E↑推知，A＋為NH、C－為OH－、D為H2O、E為NH3，由②B＋＋C－===2D推知，B＋為H3O＋，由此解題。
答案：(1)　(2)NH＋H2O NH3·H2O＋H＋　H3O＋＋NH3===NH＋H2O　(3)CH4、HF(答案合理即可)　(4)Na＋、Mg2＋、Al3＋(答任意兩個即可)
【歸納總結】　等電子微粒的判斷方法
(1)“10電子”微粒
(2)“18電子”微粒
考點2　核外電子運動狀態與排布規律
1．電子運動狀態的量子力學模型描述
(1)能層：核外電子是分層排布的，根據電子的能量差異，可將核外電子分成不同的能層。
(2)能級：在多電子原子中，同一能層的電子，能量也可能不同，不同能量的電子分成不同的能級。
(3)電子云與原子軌道
電子云是處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的概率密度分布的形象化描述。量子力學把電子在原子核外的一個空間運動狀態稱為一個原子軌道。因此，常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向。
原子軌道 軌道形狀 軌道個數 能量關系
s 球形 1 ①同一能層各能級：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)②形狀相同的原子軌道：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……③同一能層內形狀相同而伸展方向不同的原子軌道的能量相等，如p能級三個互相垂直的軌道npx、npy、npz的能量相等
p 啞鈴形 3
d － 5
f － 7
(4)能層(n)、能級、原子軌道、電子數間的關系
某能層的能級數＝n，某能層的軌道數＝n2，某能層最多容納的電子數＝2n2。
2．原子狀態與原子光譜
(1)原子狀態
①基態原子：處于最低能量狀態的原子。
②激發態原子：基態原子吸收能量后，電子躍遷到較高能級，變為激發態原子。
(2)原子光譜
不同元素原子的電子發生躍遷時會吸收或釋放不同的光，利用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發射光譜，總稱原子光譜。在現代化學中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析。
3．基態原子的核外電子排布
(1)排布原則
[深化理解]
正確理解核外電子排布的“兩原理，一規則”
①原子核外電子排布符合能量最低原理、洪特規則、泡利原理，若違背其一，則原子能量不處于最低狀態，例：
②當出現d軌道時，雖然電子按ns、(n－1)d、np的順序填充，但在書寫電子排布式時，仍把(n－1)d放在ns前，如Mn：1s22s22p63s23p63d54s2，而失電子時，先失4s軌道上的電子，如Mn2＋：1s22s22p63s23p63d5。
③當能量相同的原子軌道在全滿(p6、d10、f14)、半滿(p3、d5、f7)或全空(p0、d0、f0)狀態時，體系的能量最低，如基態24Cr原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1，而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
(2)填充順序——構造原理
隨著原子核電荷數遞增，電子填入能級的順序稱為構造原理。
【提醒】　①構造原理用于分析基態原子的電子排布，不能分析激發態原子的電子排布；②構造原理是經驗性的，是假想出來的，用于分析電子在各能級上的排布；③存在洪特規則特例的情況下，電子排布不完全符合構造原理。
(3)表示方法
含義 舉例
原子(離子)結構示意圖 表示核外電子分層排布和核內質子數 Na：Na＋：
電子式 表示最外層電子數目
核外電子排布式 表示每個能級上排布的電子數 Cl：1s22s22p63s23p5Cl－：1s22s22p63s23p6
簡化電子排布式 － S：[Ne]3s23p4
電子排布圖(軌道表示式) 表示每個原子軌道中電子的運動狀態
價電子排布式或排布圖 表示價電子的排布 Fe：3d64s2、
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)p能級的能量一定比s能級的能量高 (× )
(2)2p和3p軌道形狀均為啞鈴形，能量也相等 (× )
(3)基態鐵原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p64s23d6(× )
(4)基態磷原子的軌道表示式為(× )
(5)電子排布式1s22s22p63s23p10違反了能量最低原理 (× )
(6)表示的原子能量處于最低狀態 (× )
題組練習
一、核外電子的運動狀態與排布規律
1.按要求填空：
(1)基態F原子的核外電子的運動狀態有________種。
(2)基態鈦原子的價層電子排布式為________，其原子核外電子的空間運動狀態有______種，共有________種運動狀態不同的電子。
(3)基態Si原子價層電子的運動狀態有________種，若其電子排布式表示為[Ne]3s23p違背了________。
(4)基態Cu原子核外電子的空間運動狀態有________種。
(5)Fe3＋比Fe2＋的穩定性更________(填“強”或“弱”)，從結構上分析原因是________________________________________________________________________。
答案： (1) 9　(2)3d24s2　12　22　(3)4　洪特規則　(4)15 （5）強　Fe3＋的價層電子排布式為3d5，原子軌道處于半充滿狀態，故Fe3＋比Fe2＋更穩定
【方法指導】　核外電子運動狀態的判斷
電子的運動狀態與原子核外電子數目相等；空間運動狀態與核外電子填充原子軌道的數目相等。
2.(人教選擇性必修2 P17T10改編)(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______；其價層電子的軌道表示式為________________________________。
(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離子的結構示意圖為______________________。
(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________________________________________________________________________，
其原子的結構示意圖為_______________________________________________。
(4)E元素基態原子的M層全充滿，N層沒有成對電子且只有一個未成對電子，E的元素符號為________，其基態原子的電子排布式為___________________________________________。
(5)F元素的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋2，則n＝________；原子中能量最高的是__________電子，核外電子軌道表示式為__________________________。
答案：(1)N　 (2)Cl　 (3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)　 (4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(5)2　2p　
二、基態原子(或離子)核外電子排布的表示方法
3.寫出下列原子或離子的①電子排布式、②價層電子的軌道表示式、③原子軌道數、④未成對電子數。
(1)N：①____________，②____________，③____________，④____________。
(2)Cl：①____________，②____________，③____________，④____________。
(3)Fe2＋：①________，②____________，③____________，④____________。
(4)Cu：①____________，②____________，③____________，④____________。
(5)Se：①____________，②____________，③____________，④____________。
(6)Br－：①________，②____________，③____________，④____________。
4.按要求書寫電子排布式或軌道表示式。
(1)基態Cr3＋的核外電子排布式為______________________________。
(2)基態Mn2＋的核外電子排布式為______________________________。
(3)基態釩原子的價層電子的軌道表示式為______________________________。
(4)基態鎵(Ga)原子的電子排布式為______________________________。
(5)基態Ni2＋的價層電子的軌道表示式為______________________________。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3)　(2)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
(4)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)
高考真題
1.(2021·天津高考)核聚變發電有望成為解決人類能源問題的重要手段之一，氘(H)是核聚變反應的主要原料，下列有關敘述正確的是(　　)
A．H的中子數為2 B．H的核電荷數為1
C．H是自然界中最輕的原子 D．H是氫元素的一種同素異形體
解析：選B。 H的中子數為2－1＝1，A錯誤； H的質子數為1，則核電荷數為1，B正確；自然界中最輕的原子是H，不是H，C錯誤； H是氫元素的一種同位素，D錯誤。
2.(2022·山東高考)O、O的半衰期很短，自然界中不能穩定存在。人工合成反應如下：O＋He―→O＋X；O＋He―→O＋mnY。下列說法正確的是(　　)
A．X的中子數為2 B．X、Y互為同位素
C．O、O可用作示蹤原子研究化學反應歷程 D．自然界不存在O2、O2分子是因其化學鍵不穩定
解析：選B。X微粒為He，Y微粒為He，二者互為同位素，X的中子數為4，A錯誤，B正確；由題干信息可知，O與O的半衰期很短，不能穩定存在，不適宜用作示蹤原子研究化學反應歷程，且O===O的鍵能與形成該鍵的核素無關，C、D錯誤。
3.(1)(2023·全國卷乙)基態Fe原子的價層電子排布式為____________。
(2)(2023·浙江高考)基態N原子的價層電子排布式是________________。
(3)(2023·北京高考)基態S原子價層電子排布式是________。
(4)(2022·湖南高考)基態Se原子的核外電子排布式為[Ar]________。
(5)(2022·全國卷甲)基態F原子的價層電子排布圖(軌道表示式)為______________。
(6)(2022·全國卷乙)氟原子激發態的電子排布式有______，其中能量較高的是______。(填字母)
a．1s22s22p43s1 b．1s22s22p43d2 c．1s22s12p5 d．1s22s22p33p2
(7)(2022·山東高考)基態Ni原子的價層電子排布式為________，在元素周期表中位置為__________________。
答案：(1)3d64s2　(2)2s22p3　(3)3s23p4 (4)3d104s24p4　(5) (6)ad　d　(7)3d84s2 　第四周期第Ⅷ族
鞏固練習
一、選擇題(每題5分，共10題，共50分)
1．地表水和地下水都來源于大氣降水，但重水和輕水中同位素含量是不同的，有時差別還相當大，氫包括兩種穩定核素：H和D，氧常見的核素有16O、17O和18O。下列有關說法正確的是(　　)
A．H2和D2互為同分異構體，其化學性質完全相同
B．HO、HO、HO互為同位素，都能與金屬鈉發生反應
C．18O2和18O3互為同素異形體，其密度之比為2∶3
D．電解一定量的DO時，陰、陽兩極所得氣體的質量之比約為2∶9
解析：選D。同分異構體一般指分子式相同，結構不同的有機物，H2和D2為組成和結構都相同的無機物，A錯誤；16O、17O、18O互為同位素，HO、HO、HO既不互為同位素，也不是同素異形體，B錯誤；18O2和18O3互為同素異形體，但只有在同溫同壓下，它們的密度之比才為2∶3，C錯誤；電解一定量的DO時，陰、陽兩極會收集到物質的量之比為2∶1的D2和18O2，其質量之比約為2∶9，D正確。
2．(2024·廣東茂名模擬)科學家利用H撞擊Cu得到Ni，其反應可表示為H＋Cu―→Ni＋He，下列說法正確的是(　　)
A．1H2和2H2互為同位素 B．4He的中子數為4
C．基態61Ni和基態59Ni核外電子排布相同 D．63Cu比64Cu更易與硫酸反應
解析：選C。同位素是指質子數相同而中子數不同的同一元素的不同原子，1H2和2H2屬于分子，不符合同位素的定義，A錯誤；4He的質量數為4，原子序數＝質子數＝核外電子數＝2，中子數＝4－2＝2，B錯誤； Ni是28號元素，基態61Ni和基態59Ni核外電子排布相同，C正確；同位素的物理性質不同，化學性質幾乎完全相同，故63Cu和64Cu化學性質相同，D錯誤。
3．對充有氖氣的霓虹燈管通電，燈管發出紅色光。產生這一現象的主要原因是(　　)
A．電子由激發態向基態躍遷時以光的形式釋放能量
B．電子由基態向激發態躍遷時吸收除紅光以外的光線
C．氖原子獲得電子后轉變成發出紅光的物質
D．在電流的作用下，氖原子與構成燈管的物質發生反應
解析：選A。在電流作用下，基態氖原子的電子吸收能量躍遷到較高能級，變為激發態原子，這一過程要吸收能量，不會發出紅色光；而電子從較高能量的激發態躍遷到較低能量的激發態或基態時，將釋放能量，從而產生紅光，故A項正確。
4．下列有關化學用語正確的是(　　)
A.O原子的軌道表示式為 B．氯化鈉的分子式：NaCl
C．Cl－的結構示意圖： D.Ca原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d2
解析：選C。O原子的2s能級的2個電子的自旋方向應該相反，A錯誤；氯化鈉是離子化合物，NaCl只是化學式，不是分子式，B錯誤；氯離子的核內有17個質子，核外有18個電子，C正確；Ca的核電荷數為20，電子排布式應是1s22s22p63s23p64s2，D錯誤。
5．已知陰離子R2－的原子核內有n個中子，R原子的質量數為m，則w g R原子完全轉化為R2－時，含有電子的物質的量是(　　)
A．mol B．mol C．wmol D．(m－n＋2) mol
解析：選D。R原子的質子數為m－n，其核外電子數也為m－n，所以R2－的核外電子數為m－n＋2，而w g R原子的物質的量為 mol，所以形成的R2－含有的電子的物質的量為(m－n＋2) mol。
6．下列說法正確的是(　　)
A．同一原子中3s、3p、3d、4s能量依次升高
B．某原子核外電子由1s22s22p63s23p1→1s22s22p63s13p2，原子放出能量
C．p能級的原子軌道呈啞鈴形，隨著能層數的增加，p能級原子軌道數也在增多
D．按照泡利原理，在同一個原子中不可能存在兩個運動狀態完全相同的電子
解析：選D。多電子原子中，根據構造原理，各能級能量高低順序：①相同能層而不同能級的能量高低ns＜np＜nd＜nf，②能層不同時的能量高低2s＜3s＜4s，2p＜3p＜4p，③不同能層不同能級的能量高低ns＜(n－2)f＜(n－1)d＜np，所以同一原子中，3s、3p、4s、3d能量依次升高，故A錯誤；3s能級上的電子比3p能級上的電子能量更低，所以原子核外電子由1s22s22p63s23p1→1s22s22p63s13p2，原子要吸收能量，故B錯誤；p軌道是啞鈴形的，任何能層的p能級都有3個原子軌道，與能層的大小無關，故C錯誤；在多電子的原子中，電子填充在不同的能層，能層又分不同的能級，同一能級又有不同的原子軌道，每個軌道中最多可以填充兩個電子，自旋狀態相反，在一個基態多電子的原子中，不可能有兩個運動狀態完全相同的電子，故D正確。
7．人們通常將在同一原子軌道上運動、自旋狀態相反的2個電子稱為“電子對”，將在某一原子軌道上運動的單個電子稱為“未成對電子”。下列基態原子的電子排布式中，未成對電子數最多的是(　　)
A．1s22s22p63s23p6 B．1s22s22p63s23p63d54s2 C．1s22s22p63s23p63d54s1 D．1s22s22p63s23p63d104s1
解析：選C。1s22s22p63s23p6中每個軌道上都達到飽和，未成對電子數為0；1s22s22p63s23p63d54s2中3d軌道上有5個電子未成對，其他軌道上都達到飽和，未成對電子數為5；1s22s22p63s23p63d54s1中的3d、4s軌道上各有5、1個未成對電子，未成對電子數為6；1s22s22p63s23p63d104s1只有4s上有1個電子未成對，未成對電子數為1。故選C。
8．核外電子的能量不僅與電子所處的能層、能級有關，還與核外電子的數目及核電荷數的多少有關。氬原子與硫離子的核外電子排布相同，都是1s22s22p63s23p6。下列說法正確的是(　　)
A．兩粒子的1s能級上電子的能量相同 B．兩粒子的3p能級上的電子離核的距離相同
C．兩粒子的電子發生躍遷時，產生的光譜不同 D．兩粒子最外層都達到了8電子穩定結構，化學性質相同
解析：選C。雖然氬原子與硫離子的核外電子排布式相同，都是1s22s22p63s23p6，但是氬原子與硫離子的核電荷數不同，原子核對核外電子的吸引力不同，兩粒子的1s能級上電子的能量不同，A錯誤；兩粒子的3p能級上的電子離核的距離不同，B錯誤；雖然兩粒子最外層都達到了8電子穩定結構，但化學性質不同，氬原子穩定，硫離子具有還原性，D錯誤。
9.元素周期表中鉍元素的數據如圖，下列說法不正確的是(　　)
A．鉍原子s軌道的形狀是球形，p軌道的形狀是啞鈴形
B．鉍元素的相對原子質量是209.0
C．鉍原子6p能級中6px、6py、6pz軌道上各有一個電子
D．鉍原子最外層有5個能量相同的電子
解析：選D。s軌道的形狀是球形，p軌道的形狀是啞鈴形，A正確；根據題圖中信息可知，鉍的相對原子質量為209.0，B正確；根據洪特規則可知，鉍原子6p能級中6px、6py、6pz軌道上各有一個電子，C正確；鉍原子最外層6s軌道上有2個電子，6p軌道上有3個電子，但6s、6p軌道上電子能量不同，D錯誤。
10．短周期元素R基態原子最外層的p能級上有2個未成對電子。關于基態R原子的描述中正確的是(　　)
A．基態R原子核外電子的電子云輪廓圖有兩種：球形和啞鈴形
B．基態R原子的價層電子排布式為ns2np2(n＝2或3)
C．基態R原子的原子軌道總數為9
D．基態R原子的軌道表示式為
解析：選A。由“短周期元素R基態原子最外層的p能級上有2個未成對電子”可知，可能有兩種情況：p能級上只有2個電子，R為第ⅣA族元素，C或Si；p能級上有4個電子，R為第ⅥA族元素，O或S，故只有A正確。
二、非選擇題(共2題，共25分)
11．(10分)(1)新型半導體材料如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等在國防技術、航空航天及5G技術等領域扮演著重要的角色。回答下列問題。
基態Si原子中，核外電子占據的最高能層的符號為________，占據最高能級的電子的電子云輪廓圖形狀為________；基態Ga原子的核外電子排布式為[Ar]3d104s24p1，其轉化為下列激發態時，吸收能量最少的是________(填字母)。(5分)
(2)碘元素在元素周期表中的位置為__________，碘基態原子價層電子排布式為________。價層電子共占據____個軌道。(5分)
解析：(1)基態Si原子中，核外電子占據三個能層，其中最高能層的符號為M，占據最高能級為p能級，電子的電子云輪廓圖形狀為啞鈴形；基態Ga原子的核外電子排布為[Ar]3d104s24p1，其轉化為激發態且吸收能量最少，則基態鎵原子的電子中進入高能級的電子最少，電子從基態進入高能級的數目由多到少的順序為C>B，A、D違反洪特規則，所以所需能量最少的為B。(2)碘是53號元素，其在周期表中的位置是第五周期第ⅦA族，碘基態原子價層電子排布式為5s25p5；價層電子共占據1個s軌道、3個p軌道，共4個軌道。
答案：(1)M　啞鈴形　B　(2)第五周期第ⅦA族　5s25p5　4
12.(15分)(1)已知X、Y和Z三種元素的原子序數之和等于42。X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子。X與Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成負一價離子。
①X元素基態原子的電子排布式為___________________，該元素的化學符號是________。(3分)
②Y元素原子的價層電子軌道表示式為_____________________，該元素的名稱是________。(3分)
③已知化合物X2Y3在稀硫酸中可被金屬鋅還原為XZ3，產物還有ZnSO4和H2O，該反應的化學方程式是______________________________________________________________。
(2)C、N、O、Al、Si、Cu是常見的六種元素。
①Si位于元素周期表第______周期第______族。(2分)
②N的基態原子核外電子排布式為____________________；Cu的基態原子最外層有________個電子。(4分)
解析：(1)X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，X為As；Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子，X與Y可形成化合物X2Y3，Y為O；X、Y和Z三種元素的原子序數之和等于42，Z元素可以形成負一價離子，Z為H。
答案：(1)①1s22s22p63s23p63d104s24p3(或[Ar]3d104s24p3)　As
氧 ③As2O3＋6Zn＋6H2SO4===2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O　(2)①三　ⅣA　②1s22s22p3　1
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第23講　原子結構　 核外電子排布
【備考目標】　1.了解元素、核素和同位素的含義。2.了解原子的構成，了解原子序數、核電荷數、質子數、中子數、核外電子數以及它們之間的關系。3.了解原子核外電子的運動狀態、能級分布和排布原理，能正確書寫1～36號元素原子核外電子、價層電子的排布式和軌道表示式。4.了解電子在原子軌道之間的躍遷及其簡單應用。
考點1　原子結構　核素與同位素
1．原子的構成
(1)原子的構成
(2)構成原子或離子的微粒間的數量關系
①原子中：質子數(Z)＝核電荷數＝ 。
②質量數(A)＝ ＋ 。
③陽離子的核外電子數＝質子數－陽離子所帶電荷數，如Mg2＋的核外電子數是10。
④陰離子的核外電子數＝質子數＋陰離子所帶電荷數，如Cl－的核外電子數是18。
[深化理解]
①原子中不一定都含有中子，如H中沒有中子。
②電子排布完全相同的原子不一定是同一種原子，如互為同位素的各原子。
③易失去1個電子形成＋1價陽離子的不一定是金屬原子，如H。
④形成穩定結構的離子最外層不一定是8個電子，如Li＋為2個電子穩定結構。
2．元素、核素、同位素
(1)概念及關系
(2)同位素的特征
①同一元素的各種核素的化學性質 ，物理性質 。
②天然存在的同一元素各核素所占的原子百分數(豐度)一般 。
【提醒】　①由于同位素的存在，核素的種數遠大于元素的種數。②不同核素可能具有相同的質子數，如H和H；也可能具有相同的中子數，如C和O；還可能具有相同的質量數，如C和N。
(3)氫元素的三種核素
H：名稱為 ，不含中子；
H：用字母 表示，名稱為 或重氫；
H：用字母 表示，名稱為 或超重氫。
(4)幾種重要核素的用途
核素 92U 6C H H 8O
用途 核燃料 考古斷代 制氫彈 示蹤原子
3.核反應方程的分析技巧
(1)質量數守恒：各微粒左上角數字之和在核反應前后相等。
(2)電荷數守恒：各微粒左下角數字之和(正電荷數)在核反應前后相等。
例：碳 14的β衰變：C―→N＋e
質量數守恒表達式： ；電荷數守恒表達式： 。
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)所有原子核內一定都有中子( )
(2)質子數相同的微粒一定屬于同一種元素( )
(3)核外電子數相同的微粒，其質子數一定相同( )
(4)同位素的物理性質不同，但化學性質幾乎相同( )
(5)不同核素之間的轉化屬于化學反應( )
題組練習
一、元素、核素、同位素的概念辨析
1．釙 210屬于極毒性放射性元素，以相同重量來比較，釙 210的毒性是氰化物的2.5億倍。下列有關Po的說法正確的是(　　)
A．Po與Po互為同素異形體 B．Po與At互為同位素
C．Po的質子數為84，中子數為126 D．Po元素的相對原子質量為210
2．根據下列微粒回答問題：H、H、H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8種微粒共含有________種核素，共包括________種元素。
②互為同位素的是________________________________________________。
③質量數相等的是________和________，中子數相等的是________和________。
二、微粒中粒子數目的分析與計算
3．(2024·天津和平區聯考)是目前發現的最后一種元素，也是最重的一種元素，元素符號為Og，是人工合成的放射性稀有氣體元素，它的發現標志著元素周期表第七周期被全部填滿。用鈣離子撞擊锎(Cf)靶，可以產生Og，其反應可表示為：Cf＋Ca―→Og＋3n。下列說法錯誤的是(　　)
A．Og原子核內有176個中子，質子數為118 B．Ca與Ca的化學性質幾乎相同
C．Og是一種性質穩定的非金屬元素 D．锎為過渡元素
4．某元素的一種同位素X原子的質量數為A，它與2H原子組成2HmX分子，此分子含N個中子，在a g 2HmX中所含電子的物質的量是__________________。
三、“10e－”“18e－”微粒的應用
5．A＋、B＋、C－、D、E五種粒子(分子或離子)中，每個粒子均有10個電子，已知：
①A＋＋C－===D＋E↑；②B＋＋C－===2D。回答下列問題：
(1)C－的電子式是______________。
(2)分別寫出A＋和D反應、B＋和E反應的離子方程式：____________________________________。
(3)除D、E外，請再寫出兩種含10個電子的分子的分子式：______________________________。
(4)除A＋、B＋外，請再寫出兩種含10個電子的陽離子：_________________________________。
【歸納總結】　等電子微粒的判斷方法
(1)“10電子”微粒
(2)“18電子”微粒
考點2　核外電子運動狀態與排布規律
1．電子運動狀態的量子力學模型描述
(1)能層：核外電子是 排布的，根據電子的 差異，可將核外電子分成不同的能層。
(2)能級：在多電子原子中，同一能層的電子， 也可能不同，不同 的電子分成不同的能級。
(3)電子云與原子軌道
電子云是處于一定空間運動狀態的電子在原子核外空間的 的形象化描述。量子力學把電子在原子核外的一個 稱為一個原子軌道。因此，常用電子云輪廓圖的形狀和取向來表示原子軌道的形狀和取向。
原子軌道 軌道形狀 軌道個數 能量關系
s 球形 1 ①同一能層各能級：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)②形狀相同的原子軌道：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……③同一能層內形狀相同而伸展方向不同的原子軌道的能量 ，如p能級三個互相垂直的軌道npx、npy、npz的能量
p 啞鈴形 3
d － 5
f － 7
(4)能層(n)、能級、原子軌道、電子數間的關系
某能層的能級數＝n，某能層的軌道數＝n2，某能層最多容納的電子數＝2n2。
2．原子狀態與原子光譜
(1)原子狀態
①基態原子：處于 狀態的原子。
②激發態原子：基態原子 后，電子躍遷到較高能級，變為激發態原子。
(2)原子光譜
不同元素原子的電子發生 時會吸收或釋放不同的光，利用光譜儀攝取各種元素原子的 或 ，總稱原子光譜。在現代化學中，常利用 上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析。
3．基態原子的核外電子排布
(1)排布原則
[深化理解]
正確理解核外電子排布的“兩原理，一規則”
①原子核外電子排布符合能量最低原理、洪特規則、泡利原理，若違背其一，則原子能量不處于最低狀態，例：
②當出現d軌道時，雖然電子按ns、(n－1)d、np的順序填充，但在書寫電子排布式時，仍把(n－1)d放在ns前，如Mn：1s22s22p63s23p63d54s2，而失電子時，先失4s軌道上的電子，如Mn2＋：1s22s22p63s23p63d5。
③當能量相同的原子軌道在全滿(p6、d10、f14)、半滿(p3、d5、f7)或全空(p0、d0、f0)狀態時，體系的能量最低，如基態24Cr原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1，而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
(2)填充順序——構造原理
隨著原子核電荷數遞增，電子填入能級的順序稱為構造原理。
【提醒】　①構造原理用于分析基態原子的電子排布，不能分析激發態原子的電子排布；②構造原理是經驗性的，是假想出來的，用于分析電子在各能級上的排布；③存在洪特規則特例的情況下，電子排布不完全符合構造原理。
(3)表示方法
含義 舉例
原子(離子)結構示意圖 表示核外電子分層排布和核內質子數 Na：Na＋：
電子式 表示最外層電子數目
核外電子排布式 表示每個能級上排布的電子數 Cl：1s22s22p63s23p5Cl－：1s22s22p63s23p6
簡化電子排布式 － S：[Ne]3s23p4
電子排布圖(軌道表示式) 表示每個原子軌道中電子的運動狀態
價電子排布式或排布圖 表示價電子的排布 Fe：3d64s2、
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)p能級的能量一定比s能級的能量高 ( )
(2)2p和3p軌道形狀均為啞鈴形，能量也相等 ( )
(3)基態鐵原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p64s23d6( )
(4)基態磷原子的軌道表示式為( )
(5)電子排布式1s22s22p63s23p10違反了能量最低原理 ( )
(6)表示的原子能量處于最低狀態 ( )
題組練習
一、核外電子的運動狀態與排布規律
1.按要求填空：
(1)基態F原子的核外電子的運動狀態有________種。
(2)基態鈦原子的價層電子排布式為________，其原子核外電子的空間運動狀態有______種，共有________種運動狀態不同的電子。
(3)基態Si原子價層電子的運動狀態有________種，若其電子排布式表示為[Ne]3s23p違背了________。
(4)基態Cu原子核外電子的空間運動狀態有________種。
(5)Fe3＋比Fe2＋的穩定性更________(填“強”或“弱”)，從結構上分析原因是________________________________________________________________________。
【方法指導】　核外電子運動狀態的判斷
電子的運動狀態與原子核外電子數目相等；空間運動狀態與核外電子填充原子軌道的數目相等。
2.(人教選擇性必修2 P17T10改編)(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______；其價層電子的軌道表示式為________________________________。
(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離子的結構示意圖為______________________。
(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________________________________________________________________________，
其原子的結構示意圖為_______________________________________________。
(4)E元素基態原子的M層全充滿，N層沒有成對電子且只有一個未成對電子，E的元素符號為________，其基態原子的電子排布式為___________________________________________。
(5)F元素的原子最外層電子排布式為nsnnpn＋2，則n＝________；原子中能量最高的是__________電子，核外電子軌道表示式為__________________________。
二、基態原子(或離子)核外電子排布的表示方法
3.寫出下列原子或離子的①電子排布式、②價層電子的軌道表示式、③原子軌道數、④未成對電子數。
(1)N：①____________，②____________，③____________，④____________。
(2)Cl：①____________，②____________，③____________，④____________。
(3)Fe2＋：①________，②____________，③____________，④____________。
(4)Cu：①____________，②____________，③____________，④____________。
(5)Se：①____________，②____________，③____________，④____________。
(6)Br－：①________，②____________，③____________，④____________。
4.按要求書寫電子排布式或軌道表示式。
(1)基態Cr3＋的核外電子排布式為______________________________。
(2)基態Mn2＋的核外電子排布式為______________________________。
(3)基態釩原子的價層電子的軌道表示式為______________________________。
(4)基態鎵(Ga)原子的電子排布式為______________________________。
(5)基態Ni2＋的價層電子的軌道表示式為______________________________。
高考真題
1.(2021·天津高考)核聚變發電有望成為解決人類能源問題的重要手段之一，氘(H)是核聚變反應的主要原料，下列有關敘述正確的是(　　)
A．H的中子數為2 B．H的核電荷數為1
C．H是自然界中最輕的原子 D．H是氫元素的一種同素異形體
2.(2022·山東高考)O、O的半衰期很短，自然界中不能穩定存在。人工合成反應如下：O＋He―→O＋X；O＋He―→O＋mnY。下列說法正確的是(　　)
A．X的中子數為2 B．X、Y互為同位素
C．O、O可用作示蹤原子研究化學反應歷程 D．自然界不存在O2、O2分子是因其化學鍵不穩定
3.(1)(2023·全國卷乙)基態Fe原子的價層電子排布式為____________。
(2)(2023·浙江高考)基態N原子的價層電子排布式是________________。
(3)(2023·北京高考)基態S原子價層電子排布式是________。
(4)(2022·湖南高考)基態Se原子的核外電子排布式為[Ar]________。
(5)(2022·全國卷甲)基態F原子的價層電子排布圖(軌道表示式)為______________。
(6)(2022·全國卷乙)氟原子激發態的電子排布式有______，其中能量較高的是______。(填字母)
a．1s22s22p43s1 b．1s22s22p43d2 c．1s22s12p5 d．1s22s22p33p2
(7)(2022·山東高考)基態Ni原子的價層電子排布式為________，在元素周期表中位置為__________________。
鞏固練習
一、選擇題(每題5分，共10題，共50分)
1．地表水和地下水都來源于大氣降水，但重水和輕水中同位素含量是不同的，有時差別還相當大，氫包括兩種穩定核素：H和D，氧常見的核素有16O、17O和18O。下列有關說法正確的是(　　)
A．H2和D2互為同分異構體，其化學性質完全相同
B．HO、HO、HO互為同位素，都能與金屬鈉發生反應
C．18O2和18O3互為同素異形體，其密度之比為2∶3
D．電解一定量的DO時，陰、陽兩極所得氣體的質量之比約為2∶9
2．(2024·廣東茂名模擬)科學家利用H撞擊Cu得到Ni，其反應可表示為H＋Cu―→Ni＋He，下列說法正確的是(　　)
A．1H2和2H2互為同位素 B．4He的中子數為4
C．基態61Ni和基態59Ni核外電子排布相同 D．63Cu比64Cu更易與硫酸反應
3．對充有氖氣的霓虹燈管通電，燈管發出紅色光。產生這一現象的主要原因是(　　)
A．電子由激發態向基態躍遷時以光的形式釋放能量
B．電子由基態向激發態躍遷時吸收除紅光以外的光線
C．氖原子獲得電子后轉變成發出紅光的物質
D．在電流的作用下，氖原子與構成燈管的物質發生反應
4．下列有關化學用語正確的是(　　)
A.O原子的軌道表示式為 B．氯化鈉的分子式：NaCl
C．Cl－的結構示意圖： D.Ca原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d2
5．已知陰離子R2－的原子核內有n個中子，R原子的質量數為m，則w g R原子完全轉化為R2－時，含有電子的物質的量是(　　)
A．mol B．mol C．wmol D．(m－n＋2) mol
6．下列說法正確的是(　　)
A．同一原子中3s、3p、3d、4s能量依次升高
B．某原子核外電子由1s22s22p63s23p1→1s22s22p63s13p2，原子放出能量
C．p能級的原子軌道呈啞鈴形，隨著能層數的增加，p能級原子軌道數也在增多
D．按照泡利原理，在同一個原子中不可能存在兩個運動狀態完全相同的電子
7．人們通常將在同一原子軌道上運動、自旋狀態相反的2個電子稱為“電子對”，將在某一原子軌道上運動的單個電子稱為“未成對電子”。下列基態原子的電子排布式中，未成對電子數最多的是(　　)
A．1s22s22p63s23p6 B．1s22s22p63s23p63d54s2 C．1s22s22p63s23p63d54s1 D．1s22s22p63s23p63d104s1
8．核外電子的能量不僅與電子所處的能層、能級有關，還與核外電子的數目及核電荷數的多少有關。氬原子與硫離子的核外電子排布相同，都是1s22s22p63s23p6。下列說法正確的是(　　)
A．兩粒子的1s能級上電子的能量相同 B．兩粒子的3p能級上的電子離核的距離相同
C．兩粒子的電子發生躍遷時，產生的光譜不同 D．兩粒子最外層都達到了8電子穩定結構，化學性質相同
9.元素周期表中鉍元素的數據如圖，下列說法不正確的是(　　)
A．鉍原子s軌道的形狀是球形，p軌道的形狀是啞鈴形
B．鉍元素的相對原子質量是209.0
C．鉍原子6p能級中6px、6py、6pz軌道上各有一個電子
D．鉍原子最外層有5個能量相同的電子
10．短周期元素R基態原子最外層的p能級上有2個未成對電子。關于基態R原子的描述中正確的是(　　)
A．基態R原子核外電子的電子云輪廓圖有兩種：球形和啞鈴形
B．基態R原子的價層電子排布式為ns2np2(n＝2或3)
C．基態R原子的原子軌道總數為9
D．基態R原子的軌道表示式為
二、非選擇題(共2題，共25分)
11．(10分)(1)新型半導體材料如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等在國防技術、航空航天及5G技術等領域扮演著重要的角色。回答下列問題。
基態Si原子中，核外電子占據的最高能層的符號為________，占據最高能級的電子的電子云輪廓圖形狀為________；基態Ga原子的核外電子排布式為[Ar]3d104s24p1，其轉化為下列激發態時，吸收能量最少的是________(填字母)。(5分)
(2)碘元素在元素周期表中的位置為__________，碘基態原子價層電子排布式為________。價層電子共占據____個軌道。(5分)
12.(15分)(1)已知X、Y和Z三種元素的原子序數之和等于42。X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子。X與Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成負一價離子。
①X元素基態原子的電子排布式為___________________，該元素的化學符號是________。(3分)
②Y元素原子的價層電子軌道表示式為_____________________，該元素的名稱是________。(3分)
③已知化合物X2Y3在稀硫酸中可被金屬鋅還原為XZ3，產物還有ZnSO4和H2O，該反應的化學方程式是______________________________________________________________。
(2)C、N、O、Al、Si、Cu是常見的六種元素。
①Si位于元素周期表第______周期第______族。(2分)
②N的基態原子核外電子排布式為____________________；Cu的基態原子最外層有________個電子。(4分)
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