高中化学新教材同步选择性必修第二册 第1章 第一节 第3课时 泡利原理、洪特规则、能量最低原理

第3课时泡利原理、洪特规则、能量最低原理[核心素养发展目标]1.能从原子微观层面理解原子的组成、结构等。能根据核外电子的三条规则熟知核外电子排布的表示方法。2.能根据核外电子的表示方法，推导出对应的原子或离子。一、原子核外电子的排布规则1．泡利原理在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，常用上下箭头(↑和↓)表示自旋相反的电子。2．电子排布的轨道表示式(电子排布图)8O的轨道表示式如下：根据上面回答下列问题：(1)简并轨道：能量相同的原子轨道。(2)电子对：同一个原子轨道中，自旋方向相反的一对电子。(3)单电子：一个原子轨道中若只有一个电子，则该电子称为单电子。(4)自旋平行：箭头同向的单电子称为自旋平行。(5)在氧原子中，有3对电子对，有2个单电子。(6)在氧原子中，有5种空间运动状态，有8种运动状态不同的电子。3．洪特规则(1)内容：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行。(2)特例在简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较大的稳定性。相对稳定的状态eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(全充满：p6、d10、f14,全空：p0、d0、f0,半充满：p3、d5、f7))如24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2。4．能量最低原理(1)内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。(2)因素：整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。1．为什么基态K和Ca的价电子是4s1和4s2，而不是3d1和3d2。提示根据构造原理，3d能量大于4s能量，所以依据能量最低原理，电子填入能量低的能级可使整个原子的能量最低。2．下列有关碳原子的轨道表示式中，能量最低的是()A.B.C.D.答案D解析根据洪特规则，原子的核外电子在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同的轨道且自旋状态相同，这样整个原子的能量最低。A中2p轨道上两个电子挤在同一个轨道上，B、C中两个轨道上电子的自旋状态相反，均与洪特规则相违背，只有D中的排布符合洪特规则，能量最低。3．写出15P、25Mn的轨道表示式，并按要求填空。15P：，有6对电子对，有3个单电子。25Mn：，有15种空间运动状态，有5个单电子，属于半充满。4．下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的是________(填序号，下同)，违反能量最低原理的是__________，违反洪特规则的是__________，违反泡利原理的是________________。①Ca2＋：1s22s22p63s23p6②F－：1s22s23p6③P：④Fe：1s22s22p63s23p63d64s2⑤Mg2＋：1s22s22p6⑥C：答案①④⑤②③⑥解析根据核外电子排布规律知②中错误在于电子排满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——电子在同一能级的不同轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋状态相同，正确的应为；⑥违反泡利原理，正确的应为。注意：书写轨道表示式时，常出现的错误及正确书写二、核外电子的表示方法电子排布式与轨道表示式的比较电子排布式含义用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式意义能直观反映出核外的电子层、能级及各能级上的电子数实例K：1s22s22p63s23p64s1简化电子排布式含义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原子结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示意义避免书写电子排布式过于繁琐实例K：[Ar]4s1轨道表示式含义每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子意义能直观反映出电子的排布情况及电子的自旋状态实例Al：1．以下表示氦原子结构的化学用语中，对电子运动状态描述最详尽的是()A.eq\o\al(·,·)He B.C．1s2 D.答案D2．按要求填空。(1)17Cl的电子排布式：___________________________________。(2)17Cl的价电子排布式：_________________________________。(3)17Cl－的电子式：_______________________________________。(4)17Cl的价电子轨道表示式：__________________________________________。(5)17Cl的原子结构示意图：____________________________________________。(6)第四周期中最外层只有1个电子的所有基态原子的简化电子排布式：________________________________________________________________________。答案(1)1s22s22p63s23p5(2)3s23p5(3)(4)(5)(6)[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1解析(6)第四周期最外层只有1个电子的基态原子的最外层电子排布式为4s1，此时3s、3p轨道应已填满，3d轨道可能全空、半充满或全充满，即其简化电子排布式为[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1。3．(1)氧元素基态原子核外未成对电子数为________个，第三周期中有两个成单电子的元素符号________(填一种即可)，M层上有2对成对电子的原子最外层共有______种不同运动状态的电子。(2)1～36号元素原子中未成对电子数为2的元素符号及价电子排布式：___________________________________________________________________________________________。(3)某元素的原子序数为33，该元素原子的价电子排布式为________________，该元素原子核外有________个能层，________个能级，________个原子轨道，有________个单电子。答案(1)2Si(或S)6(2)C：2s22p2，Si：3s23p2，Ge：4s24p2，O：2s22p4，S：3s23p4，Se：4s24p4，Ti：3d24s2，Ni：3d84s2(3)4s24p348183解析(1)O原子核外有8个电子，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p4，故未成对电子数是2。第三周期中有两个未成对电子(单电子)的元素的价电子排布式为3s23p2或3s23p4，核外电子数为14或16，元素符号为Si或S。M层上有2对成对电子的原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4，最外层有6个电子，每个电子的运动状态不相同，所以共有6种不同运动状态的电子。(2)具有最外层为p2、p4、3d2、3d8结构的原子有2个未成对电子。符合条件的元素价电子排布式为2s22p2、3s23p2、4s24p2、2s22p4、3s23p4、4s24p4、3d24s2、3d84s2，分别为C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni元素。(3)先利用能级顺序和排布规律排出其电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s24p3，价电子排布式为4s24p3，得出该元素原子核外有8个能级，共1＋1＋3＋1＋3＋5＋1＋3＝18个原子轨道(s：1个轨道；p：3个轨道；d：5个轨道)，3个单电子。熟记第四周期未成对电子数规律未成对电子数及其占据的原子轨道元素符号及价电子排布14sK：4s1,Cu：3d104s13dSc：3d14s24pGa：4s24p1，Br：4s24p523dTi：3d24s2，Ni：3d84s24pGe：4s24p2，Se：4s24p433dV：3d34s2，Co：3d74s24pAs：4s24p343dFe：3d64s253dMn：3d54s263d和4sCr：3d54s11．下列原子的轨道表示式中，符合洪特规则的是()A.B.C.D.答案C2．下列有关化学用语中不能体现氮原子核外电子能量有差异的是()A.B.C.D．1s22s22p3答案A3．24Cr原子处于基态时，价电子排布可用轨道表示式表示成，而不是。下列说法中正确的是()A．这两种排布方式都符合能量最低原理B．这两种排布方式都符合泡利原理C．这两种排布方式都符合洪特规则D．这个实例说明洪特规则有时候和能量最低原理是矛盾的答案B解析洪特规则实际上是能量最低原理的一个特例，电子排布满足洪特规则，实际上是为了更好地遵循能量最低原理，同一能级的不同原子轨道在全满(s2、p6和d10)、半充满(s1、p3和d5)和全空(s0、p0和d0)状态时，体系能量较低，原子较稳定。4．下列关于硅原子的核外电子排布表示方法中，错误的是()A．1s22s22p63s23p2B．[Ne]3s23p2C.D.答案C解析A、B两项是电子排布式，C、D两项是轨道表示式，其中C项违背了洪特规则，故错误。5．在短周期元素中，元素的基态原子核外未成对电子数等于能层数的元素有a种，元素的基态原子最外层电子数是未成对电子数2倍的元素有b种，则a∶b的值为()A．1B．2C．3D．4答案B解析在短周期元素中，符合基态原子核外未成对电子数等于能层数的元素有第一周期的H元素；在第二周期，原子核外未成对电子数为2的元素，其核外电子轨道表示式为(C元素)或(O元素)；在第三周期，原子核外未成对电子数为3的元素，其最外层电子轨道表示式是(P元素)，符合条件的元素共4种，即a＝4。符合基态原子最外层电子数是未成对电子数2倍的元素，其基态原子的最外层电子数是2、4、6或8，若最外层电子数为2，则是氦或第ⅡA族元素，这些元素原子的最外层电子排布式为ns2，无未成对电子，不符合题意；若最外层电子数为4，则是第ⅣA族元素，这些元素原子的最外层电子排布式为ns2np2，其p能级上的2个电子为未成对电子，符合题意，因题目要求是短周期元素，故有2种；若最外层电子数为6，则是第ⅥA族元素，这些元素原子的最外层电子排布式为ns2np4，其p能级上有2个未成对电子，最外层电子数是未成对电子数的3倍，不符合题意；若最外层电子数为8，则是0族元素，这些元素原子的最外层电子排布式为ns2np6，其p能级为全充满状态，无未成对电子，因此不符合题意，总之，符合条件的元素共2种，即b＝2。综上可知a∶b的值为2。6．下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是()A．原子核外L能层的未成对电子数与M能层的未成对电子数相等的原子B．原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子C．2p能级只有1个空轨道的X原子和3p能级只有1个空轨道的Y原子D．最外层都只有一个电子的X、Y原子答案C解析L层(M层)只有1个未成对电子的可能是Li或F(Na或Cl)，L层(M层)有2个未成对电子的可能是C或O(Si或S)，A项错误；B项中X为Mg，Y可能为Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C项为C()和Si()；D项中最外层只有1个电子的原子有氢及碱金属，氢原子与碱金属原子化学性质不相似。题组一核外电子排布式与轨道表示式1．下列叙述正确的是()A．可能存在基态核外电子排布为1s22s22p63s23p64s24p1的原子B．在氢原子的电子云图中，小黑点的疏密程度表示电子在该区域出现的概率密度C．当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相反D．1个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且自旋方向相同答案B解析A中原子的核外电子排布应该为1s22s22p63s23p63d14s2；当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同；一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，且自旋方向相反，所以A、C、D错误。2．下列各基态原子的核外电子排布式表示正确的是()A．钠原子：1s22s22p7B．铜原子：1s22s22p63s23p63d94s2C．铁原子：1s22s22p63s23p63d8D．氪原子：1s22s22p63s23p63d104s24p6答案D解析违背了泡利原理，应该是1s22s22p63s1，A错误；等价轨道在全空、半满、全满时是稳定状态，应该是1s22s22p63s23p63d104s1，B错误；违背了能量最低原理，应该是1s22s22p63s23p63d64s2，C错误。3．下列电子排布式或轨道表示式正确的是()A．C的轨道表示式：B．Ca的电子排布式：1s22s22p63s23p63d2C．N的轨道表示式：D．Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6答案D4．已知铬的核电荷数为24，以下是一些同学绘制的基态铬原子核外电子的轨道表示式，其中最能准确表示基态铬原子核外电子运动状态的是()答案D5．在核电荷数为26的元素Fe的原子核外3d、4s轨道内，下列轨道表示式正确的是()A.B.C.D.答案C题组二核外电子排布规则的应用6．下列微粒中，最外层未成对电子数最多的是()A．SB．AsC．MnD．Fe3＋答案D解析各微粒的未成对电子数分别为：S：2个，As：3个，Mn：5个，Fe3＋：5个，但Mn的最外层电子排布式为4s2。7．下列表达式错误的是()A．甲烷的电子式：B．氮原子的L层电子的轨道表示式：C．碳-12原子：eq\o\al(12,6)CD．S2－的核外电子排布式：1s22s22p63s23p4答案D8．基态原子的4s能级中只有1个电子的元素共有()A．1种B．2种C．3种D．8种答案C解析基态原子4s能级中只有1个电子的元素有：K、Cr、Cu。9．A原子的结构示意图为，则X、Y及该原子3d能级上的电子数不可能的组合是()A．18、8、0 B．20、8、0C．25、13、5 D．30、18、10答案A10．具有如下电子层结构的原子，其相应元素一定属于同一主族的是()A．3p轨道上有2个未成对电子的原子和4p轨道上有2个未成对电子的原子B．3p轨道上只有1个空轨道的原子和4p轨道上只有1个空轨道的原子C．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s22p6的原子D．最外层电子排布式为1s2的原子和最外层电子排布式为2s2的原子答案B解析p轨道有3个原子轨道，最多可以容纳6个电子，根据电子排布的泡利不相容原理和洪特规则，当p轨道上有2个电子或4个电子时，p轨道上有2个未成对电子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A不符合题意；p轨道上有1个空轨道，说明另外两个轨道各容纳了1个电子，加上s轨道上的2个电子，最外层是4个电子，属于第ⅣA族元素，故B符合题意；最外层电子排布式为1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有气体元素，但不属于主族元素，故C错误；最外层电子排布式为1s2的原子为He，位于0族，而最外层电子排布为2s2的原子是Be，属于第ⅡA族元素，故D错误。11．下表列出了核电荷数为21～25的元素的最高正化合价，回答下列问题：元素名称钪钛钒铬锰元素符号ScTiVCrMn核电荷数2122232425最高正化合价＋3＋4＋5＋6＋7(1)写出下列元素基态原子的核外电子排布式：Sc________________；Ti________________；V________________；Cr________________；Mn________________。(2)对比上述五种元素原子的核外电子排布式与元素的最高正化合价，你发现的规律是________________，出现这一现象的原因是________________。答案(1)1s22s22p63s23p63d14s2(或[Ar]3d14s2)1s22s22p63s23p63d24s2(或[Ar]3d24s2)1s22s22p63s23p63d34s2(或[Ar]3d34s2)1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)1s22s22p63s23p63d54s2(或[Ar]3d54s2)(2)五种元素的最高正化合价等于各元素基态原子的最高能层s电子和次高能层d电子数目之和能级交错使得d电子也参与了化学反应12．A、B、C、D、E代表5种元素。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，该原子的轨道表示式为________。(2)B元素的负一价离子与C元素的正一价离子的电子排布式都与氩原子相同，B元素的符号为________，C的离子结构示意图为________。(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________，其价电子轨道表示式为________。答案(1)(2)Cl(3)Fe1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)(4)Cu解析(1)根据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，可知该元素的基态原子有2个能层，共有7个电子，是N元素，其原子轨道表示式为。(2)B元素的负一价离子与C元素的正一价离子的电子排布式与氩原子相同，即都有18个电子，则B元素为Cl，C元素为K，K＋的结构示意图为。(3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满，则原子的价电子排布式为3d64s2，即为26号Fe元素，其基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2。(4)由E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有1个未成对电子，可知其价电子排布式为3d104s1，所以E为Cu元素，其价电子轨道表示式为。13．有A、B、C、D四种短周期主族元素，它们的原子序数依次增大，其中A元素原子核外仅有一个非空原子轨道，也是宇宙中最丰富的元素；B元素原子核外p电子数比s电子数少1；C为金属元素且原子核外p电子数和s电子数相等；D元素的原子核外所有p轨道为全充满或半充满状态。(1)写出四种元素的元素符号：A________，B________，C________，D________。(2)写出C、D两种元素基态原子的轨道表示式：C：________________________________________________________________________。D：________________________________________________________________________。(3)B元素的单质的电子式为________，其简单氢化物的电子式为________。答案(1)HNMgP(2)(3)解析A是宇宙中最丰富的元素，且原子核外仅有一个非空原子轨道，则A为氢；B元素原子的核外电子排布式为1s22s22p3，则B为氮；C元素原子的核外电子排布式为1s22s22p63s2，则C为镁；D元素原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p3，则D为磷。14．已知A原子中只含1个电子；B原子的3p轨道上得到1个电子后不容纳外来电子；C原子的2p轨道上有1个电子的自旋方向与其他电子的自旋方向相反；D原子的第三电子层上有8个电子，第四电子层上只有