2023届新高考新教材化学鲁科版一轮学案-第5章第15讲　原子结构　基态原子的核外电子排布

第15讲原子结构基态原子的核外电子排布复习目标核心素养1.认识原子结构。知道元素、核素的含义。2．认识核外电子的运动特点。知道电子运动的能量状态具有量子化的特征(能量不连续)，电子可以处于不同的能级，在一定条件下会发生激发与跃迁。知道电子的运动状态(空间分布及能量)可通过原子轨道和电子云模型来描述。3．知道1～36号元素基态原子核外电子的排布。1.宏观辨识与微观探析：能从能层、能级等不同层次认识原子的结构，以及核外电子的排布规律，能从宏观和微观相结合的视角分析原子结构与元素性质的关系。2．证据推理与模型认知：能运用构造原理和能量最低原理，揭示元素原子核外电子排布的规律。3．变化观念与平衡思想：能多角度、动态地分析核外电子的运动状态及原子结构的变化规律，认识元素性质的变化规律。考点一原子结构核素、同位素1．原子结构(1)构成原子的微粒eq\a\vs4\al(原子,\o\al(A,Z)X)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(原子核\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子Z个——决定元素的种类,中子[A－Z个]\f(在质子数确定后,决定核素种类)同位素)),核外电子Z个——最外层电子数决定元素的,化学性质))(2)微粒之间的数量关系①原子中：质子数(Z)＝核电荷数＝核外电子数；②质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)；③阳离子的核外电子数＝质子数－电荷数；④阴离子的核外电子数＝质子数＋电荷数。(3)符号eq\o\al(b,a)eq\o(X,\s\up6(＋c))eq\o\al(d＋,e)中各数字的含义2．元素、核素、同位素(1)元素、核素、同位素的关系(2)同位素的特征①相同存在形态的同位素，化学性质几乎完全相同，物理性质不同。②天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数一般不变。(3)氢元素的三种核素eq\o\al(1,1)H：名称为氕，不含中子；eq\o\al(2,1)H：用字母D表示，名称为氘或重氢；eq\o\al(3,1)H：用字母T表示，名称为氚或超重氢。(4)几种重要核素的用途核素eq\o\al(235,92)Ueq\o\al(14,6)Ceq\o\al(2,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(18,8)O用途核燃料用于考古断代制氢弹示踪原子[微思考]所有原子的原子核均同时含有质子和中子，这个结论正确吗？试举例说明。提示：并非所有的原子都含有中子，eq\o\al(1,1)H原子核中只有一个质子，没有中子。3．两种相对原子质量(1)原子(即核素)的相对原子质量：一个原子(即核素)的质量与12C原子质量的1/12的比值。一种元素有几种同位素，就有几种不同核素的相对原子质量。(2)元素的相对原子质量：是按该元素各种天然同位素原子所占的原子百分比算出的平均值。如：Ar(Cl)＝Ar(35Cl)×a%＋Ar(37Cl)×b%。(1)一种元素可以有多种核素，也可能只有一种核素，有多少种核素就有多少种原子。()(2)不同的核素可能具有相同的质子数，也可能质子数、中子数、质量数均不相同。()(3)核聚变如eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，因为有新微粒生成，所以该变化是化学变化。()(4)中子数不同而质子数相同的微粒一定互为同位素。()(5)通过化学变化可以实现16O与18O间的相互转化。()(6)eq\o\al(35,17)Cl与eq\o\al(37,17)Cl得电子能力几乎相同。()答案：(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×(6)√题点一与原子结构有关的概念辨析1．下列说法正确的是()①在氮原子中，质子数为7而中子数不一定为7②eq\o\al(18,8)O与eq\o\al(19,8)O是不同的核素，因此分别由这两种原子构成的分子化学性质不同③O2和O3互为同素异形体④eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti的质量数不同，属于两种元素⑤实际存在的eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H、H＋和H2，是氢的五种核素⑥eq\o\al(1,1)H2、eq\o\al(2,1)H2、eq\o\al(3,1)H2互为同位素⑦稀土元素eq\o\al(144,62)Sm与eq\o\al(150,62)Sm是同一种核素A．①⑥ B．②④C．⑤⑦ D．①③解析：D②中因为核外电子数相同，所以化学性质相同，②错误；④⑦分别属于同一种元素的不同核素，④⑦错误；同位素研究对象是原子与原子之间，⑥均为分子，⑥错误。2．重水(D2O)是重要的核工业原料，下列说法错误的是()A．氘(D)原子核外有1个电子B．1H与D互称同位素C．H2O与D2O互称同素异形体D．1Heq\o\al(18,2)O与Deq\o\al(16,2)O的相对分子质量相同解析：C同素异形体是同元素的不同单质，C错误。题点二各种粒子之间的关系3．某元素的一种核素X的原子质量数为A，含N个中子，它与1H原子组成HmX分子，agHmX中所含质子的物质的量是()A．eq\f(aA－N＋m,A＋m)mol B.eq\f(aA－N,m)molC．eq\f(aA－N,A＋m)mol D.eq\f(aA－N＋m,m)mol解析：AHmX的相对分子质量为A＋m，agHmX分子的物质的量n＝eq\f(ag,A＋mg·mol－1)；X原子的质量数为A，含N个中子，则质子数为A－N，所以agHmX分子中含质子的物质的量为eq\f(a,A＋m)mol×(A－N＋m)＝eq\f(aA－N＋m,A＋m)mol，A正确。[练后归纳]求一定质量的某物质中微粒数的答题模板4．某元素(X)构成的双原子单质分子有三种，其相对分子质量分别为158、160、162，在天然单质中，这三种单质的物质的量之比为1∶1∶1，由此推断以下结论正确的是()A．此元素有3种不同的同位素B．其中一种同位素质量数为80C．其同位素79X占原子总数的eq\f(1,2)D．单质X2的平均相对分子质量为162解析：C由题意知元素X有两种同位素，A项错误；设X的两种同位素分别为a、b，则对应单质化学式分别为a2、ab、b2，由a2、b2可求得a、b的质量数为79和81，B项错误；质量数为79的核素占原子总数的分数为eq\f(1×2＋1,6)＝eq\f(1,2)，C项正确；单质X2的平均相对分子质量为158×eq\f(1,3)＋160×eq\f(1,3)＋162×eq\f(1,3)＝160，D项错误。考点二基态原子的核外电子排布1．原子状态和原子光谱(1)原子状态①基态原子：处于最低能量的原子。②激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，从低能级跃迁到较高能级状态的原子。(2)原子光谱不同元素的原子发生电子跃迁时会吸收或释放不同的光，用光谱仪记录下来便得到原子光谱。利用原子光谱的特征谱线可以鉴定元素，称为光谱分析。(3)基态、激发态及光谱示意图2．电子层与能级电子层(n)一二三四…n电子层符号KLMN……能级1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f……最多容纳电子数2262610261014……281832…2n23.电子云与原子轨道(1)电子云①定义：形象描述电子在原子核外空间某处单位体积内的概率密度分布的图形。②电子云轮廓图a．小黑点越密，表示概率密度越大。b．s电子云图呈球形，p电子云图呈哑铃形。(2)原子轨道①定义：量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。②各能级上的原子轨道数目能级nsnpndnf…原子轨道数1357…③能量关系a．相同电子层上原子轨道能量的高低：ns<np<nd<nf…；b．形状相同的原子轨道能量的高低：1s<2s<3s<4s…；c．同一电子层内形状相同而伸展方向不同的原子轨道的能量相等，如npx、npy、npz轨道的能量相等。4．基态原子核外电子排布(1)构造原理如图为构造原理示意图，亦即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图：(2)排布规律①泡利不相容原理1个原子轨道里最多容纳2个电子，且自旋方向相反。如2s轨道上的电子排布图为，不能表示为。②洪特规则电子排布在同一能级的不同轨道时，将尽可能分占不同的原子轨道，且自旋方向相同。如2p3的电子排布图为，不能表示为洪特规则特例：当能量相同的原子轨道在全满(p6、d10、f14)、半满(p3、d5、f7)或全空(p0、d0、f0)状态时，体系的能量最低，如：24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。③能量最低原理原子的核外电子排布遵循构造原理，使整个原子的能量处于最低状态。5．基态原子核外电子排布的表示方法表示方法举例(以S原子为例)电子排布式1s22s22p63s23p4简化电子排布式[Ne]3s23p4电子排布图(轨道表示式)________________________________________________________价电子排布式3s23p4(1)p能级的能量一定比s能级的能量高。()(2)同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次增多。()(3)2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等。()(4)2px、2py、2pz的能量相等。()(5)铁元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d6。()(6)Cr的基态原子的简化电子排布式为[Ar]3d44s2。()(7)基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)<E(2s)<E(2px)<E(2py)<E(2pz)。()(8)电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了能量最低原则。()(9)磷元素基态原子的电子排布图为。()答案：(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×(8)×(9)×[典例]M、R、X、Y为原子序数依次增大的短周期主族元素，Z是一种过渡元素。M基态原子L层中p轨道电子数是s轨道电子数的2倍，R是同周期元素中最活泼的金属元素，X和M形成的一种化合物是引起酸雨的主要大气污染物，Z的基态原子4s和3d轨道半充满。请回答下列问题：(1)写出M、R的价电子排布式：M、R。(2)写出X、Y的价电子排布图：X、Y。(3)写出Z的核外电子排布式：，Z的核外未成对电子数为。[解析]根据题目给出的M、R和X的信息确定，M是氧元素，R是钠元素，X是硫元素。根据M、R、X、Y为原子序数依次增大的短周期主族元素确定Y是氯元素。根据Z的基态原子4s和3d轨道半充满，则Z元素原子的核外有24个电子，是铬元素。[答案](1)2s22p43s1(2)(3)1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s16[延伸探究](1)电子排布式的书写顺序与电子排布顺序相同吗？为什么？(2)价电子排布式与最外层电子排布式相同吗？试举例说明。提示：(1)不相同；电子排布式的书写顺序≠电子排布顺序。电子进入能级的顺序是按照构造原理中能级的能量递增的顺序，而电子排布式的书写规则是按照电子层的顺序，电子层中的能级按s、p、d、f的顺序排布。(2)价电子是原子在参与化学反应时能够用于成键的电子，是原子核外跟元素化合价有关的电子。在主族元素中，价电子数就是最外层电子数；副族元素原子的价电子，除最外层电子外，还可包括次外层电子。例如，Mn的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，价电子排布式为3d54s2。[对点练1](基态原子核外电子排布规律)下列电子排布图所表示的元素原子中，其能量处于最低状态的是。解析：①不符合能量最低原理；②不符合洪特规则；④不符合能量最低原理。答案：③⑤[对点练2](表示核外电子排布的方法)写出下列基态原子或离子的①电子排布式、②价电子排布图、③电子占的原子轨道数、④未成对电子数。(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。答案：(1)①1s22s22p3[对点练3](元素的推断)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。答案：(1)C或O(2)ClK(3)Fe1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2(4)Cu1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1(5)22p1．寻找“10电子”微粒和“18电子”微粒的方法(1)“10电子”微粒：(2)“18电子”微粒：2．记忆其他等电子微粒(1)“14电子”微粒：Si、N2、CO、C2H2、Ceq\o\al(2－,2)。(2)“16电子”微粒：S、O2、C2H4、HCHO。3．质子数和核外电子数分别相等的两种微粒关系(1)可以是两种原子，如同位素原子。(2)可以是两种分子，如CH4、NH3等。(3)可以是两种带电荷数相同的阳离子，如NHeq\o\al(＋,4)、H3O＋。(4)可以是两种带电荷数相同的阴离子，如OH－、F－。1．下列各组中两种微粒所含电子数不相等的是()A．H3O＋和OH－ B．CO和N2C．HNO2和NOeq\o\al(－,2) D．CHeq\o\al(＋,3)和NHeq\o\al(＋,4)解析：DA．H3O＋和OH－均含有10个电子；B.CO和N2均含有14个电子；C．HNO2和NOeq\o\al(－,2)均含有24个电子；D.CHeq\o\al(＋,3)中含有8个电子，而NHeq\o\al(＋,4)含有10个电子。2．A＋、B＋、C－、D、E五种粒子(分子或离子)中，每个粒子均有10个电子，已知：①A＋＋C－=D＋E↑；②B＋＋C－=2D。请回答：(1)C－的电子式是。(2)分别写出A＋和D反应、B＋和E反应的离子方程式、。(3)除D、E外，请再写出两种含10个电子的分子的分子式。解析：本题中五种粒子均有10个电子是解题的突破口。依据已有的元素与化合物知识可知，10个电子的粒子中，原子有Ne；阴离子有N3－、O2－、F－、OH－、NHeq\o\al(－,2)；阳离子有Na＋、Mg2＋、Al3＋、NHeq\o\al(＋,4)、H3O＋；分子有CH4、NH3、H2O、HF。根据题意有①A＋＋C－=D＋E↑，推知A＋应为NHeq\o\al(＋,4)，C－为OH－、D为H2O、E为NH3，将其结果代入②B＋＋C－=2D，推知B＋应为H3O＋。答案：(1)(2)NHeq\o\al(＋,4)＋H2ONH3·H2O＋H＋H3O＋＋NH3=NHeq\o\al(＋,4)＋H2O(3)CH4、Ne、HF(任选两种)3．用A＋、B－、C2－、D、E、F、G和H分别表示含有18个电子的八种微粒(离子或分子)，请回答：(1)A元素是，B元素是，C元素是。(用元素符号表示)(2)D是由两种元素组成的双原子分子，其分子式是。(3)E是所有含18个电子的微粒中氧化能力最强的分子，其分子式是。(4)F是由两种元素组成的三原子分子，其分子式为。(5)G分子中含有4个原子，其分子式是。(6)H分子中含有8个原子，其分子式是。答案：(1)KClS(2)HCl(3)F2(4)H2S(5)H2O2(或PH3)(6)C2H61．(2021·浙江1月选考，7)下列说法正确的是()A．14N2和15N2互为同位素B．间二甲苯和苯互为同系物C．Fe2C和Fe3C互为同素异形体D．乙醚和乙醇互为同分异构体解析：BA．14N2和15N2均为氮气分子，不能互称同位素，同位素指的是同一种元素的不同原子，A不正确；B.间二甲苯和苯结构相似，分子中均含有1个苯环，两者在分子组成上相差2个“CH2”原子团，因此两者互为同系物，B正确；C．Fe2C和Fe3C均为化合物，不能互称同素异形体，同素异形体的研究对象是单质，C不正确；D.乙醚的分子式为C4H10O，乙醇的分子式为C2H6O，两者分子式不同，因此，两者不能互称同分异构体，D不正确。2．(2021·广东卷，3)“天问一号”着陆火星，“嫦娥五号”采回月壤。腾飞中国离不开化学，长征系列运载火箭使用的燃料有液氢和煤油等化学品。下列有关说法正确的是()A．煤油是可再生能源B．H2燃烧过程中热能转化为化学能C．火星陨石中的20Ne质量数为20D．月壤中的3He与地球上的3H互为同位素解析：CA．煤油来源于石油，属于不可再生能源，故A错误；B.氢气的燃烧过程放出热量，将化学能变为热能，故B错误；C．元素符号左上角数字为质量数，所以火星陨石中的20Ne质量数为20，故C正确；D.同位素须为同种元素，3He和3H的质子数不同，不可能为同位素关系，故D错误。3．(2021·河北卷，5)用中子轰击eq\o\al(N,Z)X原子产生α粒子(即氦核eq\o\al(4,2)He)的核反应为：eq\o\al(N,Z)X＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,p)Y＋eq\o\al(4,2)He。已知元素Y在化合物中呈＋1价。下列说法正确的是()A．H3XO3可用于中和溅在皮肤上的NaOH溶液B．Y单质在空气中燃烧的产物是Y2O2C．X和氢元素形成离子化合物D．6Y和7Y互为同素异形体解析：A根据核反应为：eq\o\al(N,Z)X＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,p)Y＋eq\o\al(4,2)He可知，X的质量数N为4＋7－1＝10，又因为Y在化合物中呈＋1价，则推知Y位于ⅠA族，质量数＝质子数＋中子数，Y的质量数为7，所以得出Y为Li，其质子数p＝3，所以X的质子数Z＝3＋2－0＝5，核电荷数＝原子序数＝核内质子数＝5，则推知X属于B元素。A．H3BO3为硼酸，氢氧化钠溶液具有腐蚀性，若不慎将NaOH溶液溅到皮肤上，则需用大量水冲洗，同时涂抹H3BO3溶液，以中和碱液，A正确；B.Y为Li，在空气中燃烧的产物只有Li2O，B错误；C．X为B，与氢元素会形成BH3或B2H4等硼氢化合物，B元素与H元素以共价键结合，属于共价化合物，C错误；D.6Li和7Li两者的质子数均为3，中子数不同，所以两者互为同位素，D错误。4．[2021·河北卷，17(1)(2)](1)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排布相同的是(填离子符号)。(2)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用＋eq\f(1,2)表示，与之相反的用－eq\f(1,2)表示，称为电子