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第一章 原子结构与性质
第一节 原子结构
能层与能级
1.能层：原子核外电子是分层排布的，根据电子的能量差异，可将核外电子分成不同的能层。
2.能级：在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，不同能量的电子分成不同的能级。
3.能层中各能级的能量关系
(1)能层或能级的能量关系

(2)不同能层不同能级的能量高低顺序(存在能级交错)：ns＜(n－2)f＜(n－1)d
＜np。
基态与激发态　原子光谱
1.基态原子与激发态原子
(1)基态原子：处于最低能量状态的原子。
(2)激发态原子：基态原子吸收能量，它的电子会跃迁到较高能级，变为激发态
原子。
2.原子光谱
不同元素原子的电子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。
3.基态原子与激发态原子的关系
4.光谱的成因及分类
关于电子跃迁的注意事项
(1)电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量；反之，将吸收能量。光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式。
(2)电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移)，而原子得失电子时发生的是化学
变化。
(3)一般在能量相近的能级间发生电子跃迁。
(4)光谱分析：在现代化学中，利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。
构造原理与电子排布式
1.构造原理
(1)以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数的递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
(2)示意图：
(3)能级交错：随核电荷数递增，电子并不总是填满一个能层后再开始填入下一个能层的。电子是按3p→4s→3d的顺序而不是按3p→3d→4s的顺序填充的，这种现象被称为能级交错。
从第三能层开始出现能级交错排列的顺序为ns→(n－2)f→(n－1)d→np。
2.电子排布式
(1)概念：将能级上所排布的电子数标注在该能级符号右上角，并按照能层由低到高的顺序排列的式子。
(2)电子排布式的表示方法 (以Al原子为例)
(3)书写规则
①一般情况下，能层低的能级要写在左边，而不是按构造原理顺序书写，如钪(Sc)的电子排布式中最后两个能级应为3d14s2，不应写成4s23d1。
②特例：有些过渡金属元素基态原子的电子排布式不符合构造原理，如Cr和Cu的最后两个能级的电子排布式分别为3d54s1和3d104s1。
(4)类型(以基态26Fe原子为例)
类型 基态26Fe原子
电子排布式 1s22s22p63s23p63d64s2
简化电子排布式 [Ar]代表Ar的核外电子排布式，即用[Ar]代替1s22s22p63s23p6。Fe的简化电子排布式为[Ar]3d64s2
价层电子排布式 将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层(简称价层)。Fe的价层电子排布式为3d64s2
电子云与原子轨道
1.电子云
电子云是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。为表示电子云轮廓的形状，我们常使用电子云轮廓图。
(1)s电子云轮廓图呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。
(2)p电子云轮廓图是哑铃状的，且相互垂直。
2.原子轨道
(1)概念：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)不同能层的能级、原子轨道
能级 原子轨
道数 原子轨
道名称 原子轨道的形状和取向
形状 取向
ns 1 ns 球形 —
相互垂直
……
……
np 3 npx、npy、npz 哑铃形
nd 5 …… ……
nf 7 …… ……
…… …… …… …… ……
①能层的原子轨道数目：n2
②相同能层不同能级的能量高低：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……
③不同能层，同一类能级能量高低：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……
④同一能层同一能级原子轨道的能量相同。
不同能层中的p能级都有3个原子轨道，分别以px、py、pz表示，形状相似，但不同能层中的p能级的原子轨道的半径不同。在同一能层中px、py、pz的能量相同。
泡利原理、洪特规则、能量最低原理
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。
2.洪特规则
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。
3.能量最低原理
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。
能层与能级的组成及能量关系
1.能层与能级的关系
能层与能级类似楼层与楼梯之间的关系，能层是楼层，能级是楼梯的阶级，如图所示。
2.能层与能级的数量关系
(1)一至七能层的符号分别为K、L、M、N、O、P、Q，各能层最多容纳的电子数为2n2(n为能层序数)。
(2)s、p、d、f能级中最多容纳的电子数分别为2、6、10、14。
(3)一个能层的能级数等于能层序数，不同能层所能容纳的最多电子数不同。
下列表述错误的是(　　)
A.能级能量：1s＜2s＜3s＜4s
B.M能层存在3个能级
C.p能级的能量不一定比s能级的能量高
D.4s电子能量较高，总是在比3s电子离核更远的地方运动
D
不同能层的相同能级的能量随能层序数的增大而增大，则能级能量：1s＜2s＜3s＜4s，A正确；M能层存在3个能级，分别为3s、3p、3d，B正确；p能级的能量不一定比s能级的能量高，比如3p能级能量小于4s能级能量，C正确；4s电子能量较高，但不一定总是在比3s电子离核更远的地方运动，D错误。
在多电子原子中，能层或能级的能量关系
核外电子排布规律与表示方法
1.核外电子运动状态与空间运动状态的区别
运动状态判断方法 解释
空间运动状态种数＝电子占据原子轨道数目 同一个原子轨道里的电子的空间运动状态
相同
电子的运动状态种数＝电子数目 电子除空间运动状态外，还有自旋状态，每个原子轨道内的2个电子，自旋相反
2.基态原子核外电子排布规律
3.电子排布式、简化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
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烦琐，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烦琐
实例 K：[Ar]4s1
轨道表示式 含义 每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一种自旋状态的电子
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：
(2024·福建福州高二期中)下列对电子排布式或轨道表示式书写的评价正确的是(　　)
选项 电子排布式或轨道表示式 评价
A 基态N原子的轨道表示式： 错误；违反洪特规则
B 基态O原子的轨道表示式： 错误；违反泡利原理
C 基态K原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d1 错误；违反能量最低原理
D 基态Br－的电子排布式：
[Ar]3d104s24p6 错误；违反能量最低原理
相同轨道中的两个电子运动方向相同，违反了泡利原理，A错误；电子应先单独分占同能级的轨道，违反了洪特规则，B错误；基态K原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s1，违反能量最低原理，C正确；基态Br－的电子排布式：[Ar]3d104s24p6，正确，评价错误，D错误。
C
按要求回答下列问题。
(1)基态Ti原子的核外电子排布式为　　　　　　。
1s22s22p63s23p63d24s2(或[Ar]3d24s2)
Ti是22号元素，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2或[Ar]3d24s2。
(2)基态Fe原子成为阳离子时首先失去　　　　轨道电子，基态Sm原子的价层电子排布式为4f66s2，Sm3＋的价层电子排布式为　　　　。
4s　4f5
基态Fe原子的价层电子排布式为3d64s2，其阳离子Fe2＋、Fe3＋的价层电子排布式分别是3d6、3d5，二者均首先失去4s轨道上的电子；基态Sm原子失去3个电子成为Sm3＋时，首先失去6s轨道上的电子，然后失去1个4f轨道上的电子，故Sm3＋的价层电子排布式为4f5。
(3)基态Cu2＋核外电子排布式为　　　　　　　。
1s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)
基态Cu2＋的核外有27个电子，核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9。
(4)基态Zn原子核外电子排布式为　　　　　　　。
1s22s22p63s23p63d104s2(或[Ar]3d104s2)
基态Zn原子核外有30个电子，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2。
(5)基态氮原子价层电子的轨道表示式(电子排布图)为　　　　　　　　　。
N位于元素周期表第二周期第ⅤA族，基态氮原子的价层电子轨道表示式是
。
(6)基态Co原子核外电子排布式为　　　　　　　。
1s22s22p63s23p63d74s2(或[Ar]3d74s2)
Co是27号元素，位于元素周期表第四周期第Ⅷ族，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2。
书写轨道表示式时的“五”注意
(1)一个方框表示一个原子轨道，一个箭头表示一个电子。
(2)不同能级中的□要相互分开，同一能级中的□要相互连接。
(3)整个轨道表示式中各能级的排列顺序要与相应的电子排布式一致。
(4)当□中有2个电子时，它们的自旋状态必须相反。
(5)洪特规则的特例：在能量相同的轨道(同一能级)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高的稳定性，书写时要注意这种特殊情况。

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