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第五章　物质结构与性质
第15讲　原子结构　核外电子排布
复习要点　1.了解元素、核素和同位素的含义。2.了解原子的构成，了解原子序数、核电荷数、质子数、中子数、核外电子数以及它们之间的关系。3.了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理，能正确书写1～36号元素原子核外电子、价层电子排布式和轨道表示式。4.了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。
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考点1　原子结构　核素　同位素
1. 原子的构成
（1）原子的构成
（2）原子的表示方法
（3）微粒之间的关系
③阳离子的核外电子数＝质子数－阳离子所带的电荷数；
④阴离子的核外电子数＝质子数＋阴离子所带的电荷数。
核外电子　
质子数　
中子数　
（4）两种相对原子质量
②元素的相对原子质量：该元素各种天然同位素原子所占的原子百分比与相对原子质量的乘积之和。
如Ar（Cl）＝Ar（35Cl）×a％＋Ar（37Cl）×b％。

2. 元素、核素、同位素、同素异形体的比较
元素 核素 同位素 同素异形体
本质 质子数相同的一类原子 质子数、中子数都一定的原子 质子数相同、中子数不同的核素 同种元素形成的不同单质①
范畴 同类原子 原子 原子 单质
特性 只有种类，没有个数 化学反应中的最小微粒 化学性质几乎完全相同 组成元素相同、单质性质不同
决定
因素 质子数 质子数、中子数 质子数、中子数 组成元素、结构
举例 H、C、O三种元素 1H、2H、3H三种核素 12C、14C②
互称同位素 O2与O3互为同素异形体
3. 常见“10电子”“18电子”的微粒
（1）常见“10电子”的微粒
笔记：由 延伸出的阴、阳离子和氢化物
（2）常见“18电子”的微粒
笔记：由Ar 延伸出的阴、阳离子和氢化物等
（3）其他等电子微粒
①“2电子”的微粒：He、H－、Li＋、Be2＋、H2。
②“9电子”的微粒：—F、—OH、—NH2、—CH3。
④“16电子”的微粒：S、O2、C2H4、HCHO。
题组一　微粒中“粒子数”的确定
A. 质子数相等、电子数和原子数不相等：①
B. 质子数和电子数相等、原子数不相等：②
C. 电子数相等、质子数和原子数不相等：③
D. 原子数和电子数相等、质子数不相等：④
D
20　　　Ca
钙
4s2
40.08
A
A. 41Ca的原子核内有21个中子
B. 41Ca的半衰期长，说明41Ca难以失去电子
C. 41Ca衰变一半所需的时间小于14C衰变一半所需的时间
D. 从Ca原子束流中直接俘获41Ca原子的过程属于化学变化
解析：41Ca的质量数为41，质子数为20，所以中子数为41－20＝21，A正确；41Ca的半衰期长短与其得失电子能力没有关系，B错误；根据题意可知，41Ca衰变一半所需的时间要大于14C衰变一半所需的时间，C错误；从Ca原子束流中直接俘获41Ca原子的过程没有新物质产生，不属于化学变化，D错误。
A. X的中子数为2
B. X、Y互为同位素
B
题组二　“四素”的辨析
①32S和34S互为同位素（2022·浙江1月选考）
②C70和纳米碳管互为同素异形体（2022·浙江1月选考）
③CH2ClCH2Cl和CH3CHCl2互为同分异构体（2022·浙江1月选考）
④C3H6和C4H8一定互为同系物（2022·浙江1月选考）
⑤月壤中的3He与地球上的3H互为同位素
⑥14N2和15N2互为同位素
⑦Fe2C和Fe3C互为同素异形体
④⑤⑥⑦　
解析：32S和34S是质子数相同、中子数不同的原子，互为同位素，故①正确；C70和纳米碳管是由碳元素组成的不同单质，互为同素异形体，故②正确；CH2ClCH2Cl和CH3CHCl2的分子式相同、结构不同，互为同分异构体，故③正确；C3H6和C4H8可能为烯烃或环烷烃，所以不一定是同系物，故④错误；同位素是同种元素的不同种原子，3He和3H的质子数不同，不是同一种元素，不互为同位素，故⑤错误；14N2和15N2均为氮分子，不为同位素，故⑥错误；同素异形体的研究对象是单质，Fe2C和Fe3C均为化合物，不互为同素异形体，故⑦错误。
A. O3是非极性键形成的极性分子
C. O3和O2互为同素异形体
A
解题感悟
“四素”概念的区别和联系
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考点2　原子核外电子排布原理
1. 核外电子运动状态
（1）能层与能级
①能层（n）
②能级①
笔记：①（2024河北）原子光谱是不连续的线状谱线，原因是原子的能级是量子化的（√）
②能层含有的能级数：能层数＝能级数，即第1能层只有1个能级1s
增大　
s、p、d、 f
（2）电子云和原子轨道
①电子云：核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。
②原子轨道
笔记：形象描述电子运动状态，小黑点疏密表示电子出现的概率
球形
哑铃形
1
3
5
7
（3）能层、能级、原子轨道和容纳电子数之间的关系及能量高低
①能层、能级、原子轨道和容纳电子数之间的关系
1
3
5
7
②能量高低
a.相同能层上原子轨道能量：ns＜np＜nd＜nf…
b.形状相同的原子轨道能量：1s＜2s＜3s＜4s…
c.同一能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（简并轨道）的能量相等。
笔记：①（2023重庆）基态Ca原子的核外电子填充在6个轨道中（×）
②（2024山东）激发态H原子的轨道表示式：
（×）
（4）电子的自旋：电子的自旋状态有两种。
2. 基态原子核外电子的排布规律
（1）基态原子核外电子在原子轨道上的填充顺序——构造原理
笔记：能级交错规律：ns＜（n－2）f＜（n－1）d＜np
（2）基态原子核外电子排布原则
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）和全空（p0、d0、f0）状态时，体系的能量较低③，如：24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
笔记：①（2024湖北）泡利原理认为一个原子轨道内最多容纳两个自旋相反的电子（√）；（2024北京）Sn位于元素周期表的第5周期第ⅣA族，基态原子最外层轨道表示式为 　　（提示： ）
②利用电子排布分析成对或未成对电子，如（2023新课标卷）基态原子未成对电子数：B＜C＜O＜N（×）；（2024重庆）基态时，Mg原子和Mn原子的单电子数相等（×）
③应用：比较电离能大小、微粒稳定性，如第一电离能Mg＞Al，第二电离能Cu＞Fe，稳定性Cu＋＞Cu2＋
（2023海南）Cu基态原子核外电子排布符合构造原理（×）
（3）原子核外电子排布表示方法
3d64s2　
1s22s22p63s23p63d54s1
笔记：①（2024江苏）S2－的结构示意图为 （×）
②（2023重庆）O2－的核外电子排布式为 　　。（提示：1s22s22p6）
③[He]＝1s2
[Ne]＝1s22s22p6
[Ar]＝1s22s22p63s23p6
（4）基态原子核外电子排布式的书写模板①及注意事项（以Cr为例）
①明确原子的核外电子数：Cr的原子序数为24，核外有24个电子。
②根据构造原理中的能级填充顺序及每个能级最多容纳的电子数，依次填充电子：1s22s22p63s23p64s23d4。
③验证是否符合洪特规则特例，若符合，则调整最后两个能级上填充的电子数：1s22s22p63s23p64s13d5。
④将相同能层的能级写在一起：1s22s22p63s23p63d54s1。
⑤简写方法：把与稀有气体元素原子结构相同的部分内层电子用相应稀有气体元素的符号外加方括号的形式来表示。如：[Ar]3d54s1②。
笔记：①核外电子排布的书写是高考必考内容，如（2023湖南）基态N原子的价层电子排布图： （√）；（2023福建）基态Cu2＋的价层电子排布式为 　　。（提示：3d9）
②核外电子排布应用：（1）判断周期、族、分区；（2）判断电子空间运动状态和电子运动状态；（3）判断电离能大小（特别是全满、半满、全空）；（4）判断电子的自旋状态；（5）判断成对电子、未成对电子数目
（5）核外电子排布常见错误及注意事项
①书写基态原子的电子排布图时常出现的错误
a. 违反能量最低原理①）。
b. （违反泡利原理）。
c. （违反洪特规则②）。
②当出现d轨道时虽然电子按ns、（n－1）d、np的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把（n－1）d放在ns前，即将能层低的能级写在前，而不能按填充顺序写，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2。
③注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价层电子排布式　③的区别与联系。如Cu的电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1；简化电子排布式：[Ar]3d104s1；价层电子排布式：3d104s1。
笔记：①（2023辽宁）基态Ni原子价层电子排布式：3d10（×）
②（2023浙江1月）碳的基态原子轨道表示式：
③（2022江苏）锗原子（32Ge）基态核外电子排布式为4s24p2（×）
3. 电子的跃迁与原子光谱
（1）电子的跃迁
笔记：①比较能量高低，如1s22s22p1＜1s12s22p2
②发射光谱解释金属元素的焰色试验，如（2023海南）NaCl焰色试验为黄色，与Cl电子跃迁有关（×）
吸收　
释放　
题组一　能层、能级及原子轨道
A. 原子轨道能量：1s＜2s＜3s＜4s
B. M能层存在3个能级、9个原子轨道
C. 4s电子能量较高，总是在比3s电子离核更远的地方运动
D. 同一周期，碱金属元素的第一电离能最小，最容易失电子
C
解析：离原子核越远，能量越高，1s、2s、3s、4s离核越来越远，轨道能量：1s＜2s＜3s＜4s，故A正确；M能层存在3个能级，分别为3s、3p、3d，s、p、d能级分别含有1、3、5个原子轨道，共9个原子轨道，故B正确；能级和能层只是表明电子在该处出现的概率大小，与电子运动的位置无关，故C错误；同一周期，从左到右，第一电离能呈增大趋势，碱金属元素的第一电离能最小，最容易失电子，故D正确。
解析：（1）基态S原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4，最高能级为3p，其电子云轮廓图为哑铃形。
哑铃　
解析：（2）基态K原子占据K、L、M、N四个能层，其中能量最高的是N能层。N能层上为4s电子，电子云轮廓图为球形。
N　
球　
解析：（3）电子在原子核外出现的概率密度分布通常用电子云来形象化描述。基态14C原子的电子排布图为 ，所以其基态原子中，核外存在2对自旋相反的电子。
电子云　
2　
解析：（4）Co是27号元素，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2。元素Mn与O中，由于O是非金属元素而Mn是金属元素，所以O的第一电离能大于Mn的。基态O原子核外电子排布式为1s22s22p4，其核外未成对电子数是2，而基态Mn原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，其核外未成对电子数是5，因此Mn的基态原子核外未成对电子数比O的多。
1s22s22p63s23p63d74s2（或[Ar]3d74s2）　
O　
Mn　
1s22s22p63s23p63d84s2（或[Ar]3d84s2）　
2　
解题感悟
能层、能级与电子能量的关系
解析：（1）基态F原子共有9个核外电子，则每个电子都有对应的轨道和自旋状态，所以核外电子的运动状态有9种。
9　
解析：（2）基态Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，价层电子排布式为3d24s2；s轨道有1种空间运动状态，p轨道有3种空间运动状态，d轨道有5种空间运动状态，3d轨道只有2个电子，有2种空间运动状态，因此基态Ti原子的核外电子的空间运动状态有12种；核外有22个电子，有22种运动状态。
3d24s2　
12　
22　
解析：（1）根据对角线原则，Li与Mg的化学性质最相似。基态时Mg原子M层的两个电子处于3s轨道上，且自旋相反。
Mg　
相反　
解析：（2）基态S原子的价电子排布式为3s23p4，根据基态原子电子排布规则，两种自旋状态的电子数之比为1∶2或2∶1。
1∶2（或2∶1）　
解题感悟
核外电子运动状态数目的判断
电子的运动状态与原子核外电子数目相等；空间运动状态与核外电子填充原子轨道的数目相等。
题组三　“两原理、一规则”书写轨道表示式
5. 按要求填空：
（1）Ca2＋和Cl－的最外层电子轨道表示式均为 　 　。
（2）（2024·新课标卷）Ni基态原子价层电子的轨道表示式为 　 　。
（3）（2024·广东化学）基态N原子价层电子的轨道表示式为 　 　。
（4）（2024·北京化学）Sn位于元素周期表的第5周期第ⅣA族。Sn的基态原子最外
层轨道表示式为 　 　。
3d84s2　
[Ar]3d4　
A. Ar的基态原子电子排布方式只有一种
B. Na的第二电离能＞Ne的第一电离能
C. Ge的基态原子简化电子排布式为[Ar]4s24p2
D. Fe原子变成Fe＋，优先失去3d轨道上的电子
AB　
解析：（3）根据原子核外电子排布规律，基态Ar原子的电子排布方式只有1s22s22p63s23p6一种，A项正确；Na的第二电离能指气态基态Na＋失去一个电子转化为气态基态正离子所需的最低能量，Na＋和Ne具有相同的电子层结构，Na＋的核电荷数大于Ne，Na＋的原子核对外层电子的吸引力大于Ne的，故Na的第二电离能＞Ne的第一电离能，B项正确；Ge的原子序数为32，基态Ge原子的简化电子排布式为[Ar]3d104s24p2，C项错误；基态Fe原子的价层电子排布式为3d64s2，Fe原子变成Fe＋，优先失去4s轨道上的电子，D项错误。
2　
＋4　
3s23p4　
2s22p3　
3d64s2　
A. 微粒半径：③＞①＞②
B. 电子排布属于基态原子（或离子）的是①②
C. 电离一个电子所需最低能量：①＞②＞③
D. 得电子能力：①＞②
AB　
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限时跟踪检测
A. Mc元素的质子数为115
B. 287Mc与288Mc互为同素异形体
D. Mc元素位于元素周期表中第ⅥA族
A
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A. 同一原子中3s、3p、3d、4s能量依次升高
B. 某原子核外电子由1s22s22p63s23p1→1s22s22p63s13p2，原子放出能量
C. p能级的原子轨道呈哑铃形，随着能层数的增加，p能级原子轨道数也在增多
D. 按照“泡利不相容”原理，在同一个原子中不可能存在两个运动状态完全相同的电子
D
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解析：同一原子中，3s、3p、4s、3d能量依次升高，故A错误；3s能级上的电子比3p能级上的电子能量更低，所以原子核外电子由 1s22s22p63s23p1→1s22s22p63s13p2，原子要吸收能量，故B错误；p能级的原子轨道是哑铃形的，任何能层的p能级都有3个原子轨道，与能层数无关，故C错误；在多电子的原子中，电子填充在不同的能层，能层又分不同的能级，同一能级又有不同的原子轨道，每个轨道中最多可以填充两个电子，自旋状态相反，在一个基态多电子的原子中，不可能有两个运动状态完全相同的电子，故D正确。
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A. As的价层电子排布式：4s24p3
B. py轨道的电子云轮廓图：
C. 核外电子的空间运动状态与其运动状态是一样的
D. 中心原子是sp杂化的，其分子的空间结构不一定为直线形
C
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解析：As的原子序数为33，位于第四周期ⅤA族，基态As原子的价层电子排布式为4s24p3，A正确；p轨道的电子云轮廓图为哑铃形，py轨道的电子云轮廓图为 ，B正确；核外电子的空间运动状态不包括其自旋，而运动状态则包括自旋，两者不同，C错误；中心原子是sp杂化的，若不为ABn型分子，其分子的空间结构不一定为直线形，例如环辛炔，D正确。
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A. 钙离子的电子式为
B
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A. 电子排布式为1s22s22p63s23p1的元素，其价态为＋3价时最稳定
B. 在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同
C. 碳原子核外能量最高的电子云轮廓图如图所示
D. 钠原子由1s22s22p63p1→1s22s22p63s1时，吸收能量，由激发态转化成基态
D
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解析：电子排布式为1s22s22p63s23p1的元素是Al，其最外层有3个电子，易失去最外层的3个电子达到8电子稳定结构，所以铝元素的价态为＋3价时最稳定，A项正确；在同一能级上运动的电子，其自旋状态不同，故其运动状态肯定不同，B项正确；碳原子核外能量最高的电子为2p能级上的电子，C项正确；钠原子由1s22s22p63p1→1s22s22p63s1时，由激发态转化成基态，放出能量，D项错误。
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C
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解析：A项为有1个电子跃迁到2s轨道的激发态；B项为有1个电子跃迁到2s、一个电子跃迁到2p轨道的激发态；C项为有2个电子跃迁到2p轨道的激发态；D项为基态原子。所以C中电子能量最高，最不稳定，最易失电子，电离最外层一个电子所需能量最小。
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A. Fe原子的价层电子排布式为3d64s2
B. Cu的基态原子核外电子共有15种不同的运动状态
C. S的基态原子的轨道表示式为
D. 4f、4s、3d原子轨道的能量关系：E（4f）＞E（4s）＞E（3d）
A
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解析：Fe的原子序数为26，电子排布式为[Ar]3d64s2，因此基态Fe原子的价层电子排布式为3d64s2，故A正确；Cu的原子序数为29，原子核外有29个电子，所以基态Cu原子核外电子共有29种不同的运动状态，故B错误；基态S原子的轨道表示式为 ，故C错误；由原子轨道能量的高低顺序：1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p＜5s＜4d＜5p＜6s＜4f……可知，4f、4s、3d原子轨道的能量关系为E（4f）＞E（3d）＞E（4s），故D错误。
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A. 1s22s22p63s23p64s24p3是基态原子的电子排布式
B. 铜属于ds区元素，氯属于p区元素，二者基态原子未成对电子数目不相同
C. Fe3＋核外电子共有23种运动状态，其d能级电子自旋方向相同
D. 基态原子最外层电子排布为ns1的元素均在ⅠA族或ⅠB族
C
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解析：根据构造原理，4p能级能量比3d能级高，基态原子的电子应先填充完3d能级，再填充4p能级，故1s22s22p63s23p64s24p3应是激发态原子的电子排布式，故A错误；Cu位于第四周期ⅠB族，属于ds区元素，Cl位于第三周期ⅦA族，属于p区元素，Cu原子、Cl原子都有1个未成对电子，故B错误；原子核外没有运动状态相同的电子，Fe3＋核外电子有23个，即核外电子共有23种运动状态，Fe3＋的d能级电子排布式为3d5，电子优先单独占有1个轨道且自旋方向相同，故C正确；基态Cr原子最外层电子排布式为4s1，其位于ⅥB族，故D错误。
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A. ①②③ B. ②④⑥
C. ④⑤⑥ D. ③④⑥
解析：洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同。泡利原理：在一个原子轨道里，最多容纳2个电子，且自旋方向相反。①符合洪特规则和泡利原理，不符合题意；②违背洪特规则，符合题意；③违背泡利原理，不符合题意；④违背洪特规则，符合题意；⑤符合洪特规则和泡利原理，不符合题意；⑥违背洪特规则，符合题意；综上所述，选项B符合题意。
B
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元素 元素性质或原子结构
X 原子核外s能级上的电子总数与p能级上的电子总数相等，但第一电离能低于同周期相邻元素
Y 原子核外s能级上的电子总数与p能级上的电子总数相等，但第一电离能高于同周期相邻元素
Z 其价层电子中，在不同形状的原子轨道中运动的电子数相等
N 只有一个未成对电子
B
A. 原子半径：Z＞Y＞X
B. 元素的电负性：X＞N＞Z
C. 元素的第一电离能：Z＞N＞Y
D. X的基态原子的电子轨道表示式：
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解析：由题意分析可知，X、Y、Z、N分别为O、Mg、Si、Cl。原子半径大小为Mg＞Si＞O，故A错误；电负性大小为O＞Cl＞Si，故B正确；元素的第一电离能大小为Cl＞Si＞Mg，故C错误；O的基态原子的轨道表示式为 ，故D错误。
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11. （2025·河北承德模拟）如图是s能级和p能级的原子轨道图，试回答下列问题：
解析：（1）s电子的原子轨道为球形；每个s能级有1个原子轨道；p电子的原子轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道。
球　
1　
哑铃　
3　
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解析：（2）np能级上已填充电子，说明ns能级已经排满电子，故n＝2，元素X的原子核外电子排布式为1s22s22p3，原子中能量最高的是2p电子，其电子云在空间有3个相互垂直的伸展方向。
2p　
3个相互垂直的伸展　
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12
①K＋：1s22s22p63s23p6
②F：1s22s23p5
③P：
④Cu：1s22s22p63s23p63d94s2
⑤Fe2＋：1s22s22p63s23p63d6
⑥Mg：1s22s22p63s2
⑦O：
①⑤⑥　
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解析：（3）①K＋核外有18个电子，核外电子排布式为1s22s22p63s23p6，正确；②3p能级能量比2p能级高，应是2p能级填充5个电子，错误；③3p能级应是3个电子优先单独占据1个轨道，且自旋方向相同，错误；④应满足洪特规则特例，核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，错误；⑤原子形成阳离子先失去最外层的电子，Fe2＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，正确；⑥符合能量最低原理，正确；⑦同一轨道中2个电子自旋方向相反，错误。
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12. （2025·广东模拟）有四种短周期元素，它们的结构、性质等信息如表所述：
元素 结构、性质等信息
A 是短周期中（除稀有气体外）原子半径最大的元素，该元素的某种合金是原子反应堆的导热剂
B B与A同周期，其最高价氧化物对应的水化物呈两性
C 元素的气态氢化物极易溶于水，可用作制冷剂
D 是海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生产过程中常用的消毒杀菌剂
请根据表中信息填写：
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D－的结构示意图是 　 　。
1s22s22p63s1
第三周期第ⅢA族　
小于　
3　
2p　
哑铃　
1s22s22p63s23p5（或[Ne]3s23p5）
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