【备考2022】高考化学一轮复习第33讲原子的结构与性质(解析版)

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【备考2022】高考化学一轮复习第33讲原子的结构与性质(解析版)

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第33讲 原子结构与性质
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学习目标
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1.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、价电子的排布式和电子排布图。
2.了解电离能的含义,并能用以说明元素的某些性质。
3.了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。
4.了解电负性的概念,并能用以说明元素的某些性质。
考点一 原子核外电子排布原理
1.能层、能级与原子轨道
(1)能层(n)
在多电子原子中,核外电子的能量是不同的,按照电子的能量差异将核外电子分成不同的能层。通常用K、L、M、N……表示,能量依次升高。
(2)能级
同一能层里电子的能量也可能不同,又将其分成不同的能级,通常用s、p、d、f表示,同一能层里,各能级的能量按s、p、d、f的顺序依次升高,即:E(s)<E(p)<E(d)<E(f)。
(3)原子轨道
电子云轮廓图给出了电子在核外经常出现的区域。这种电子云轮廓图称为原子轨道。
原子轨道
轨道形状
轨道个数
s
球形
1
p
哑铃形
3
特别提醒 第一能层(K),只有s能级;第二能层(L),有s、p两种能级,p能级上有三个原子轨道px、py、pz,它们具有相同的能量;第三能层(M),有s、p、d三种能级。
2.基态原子的核外电子排布
(1)能量最低原理:电子尽可能地先占有能量低的轨道,然后进入能量高的轨道,使整个原子的能量处于最低状态。
如图为构造原理示意图,即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图:
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注意 所有电子排布规则都需要满足能量最低原理。
(2)泡利原理
每个原子轨道里最多只能容纳2个电子,且自旋状态相反。
如2s轨道上的电子排布图为,不能表示为。
(3)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,且自旋状态相同,如2p3的电子排布图为,不能表示为或。
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,体系的能量最低,如24Cr的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。
3.基态原子核外电子排布的表示方法
表示方法
以硫原子为例
电子排布式
1s22s22p63s23p4
简化电子排布式
[Ne]3s23p4
电子排布图
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价电子排布式
3s23p4
4.电子的跃迁与原子光谱
(1)电子的跃迁
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(2)不同元素的原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的电子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。
判断
(1)2p和3p轨道形状均为哑铃形,能量也相等(×)
错因:3p轨道能量大于2p轨道能量。
(2)2px、2py、2pz的能量相等(√)
(3)p轨道的能量一定比s轨道的能量高(×)
错因:2p轨道能量小于3s轨道能量。
(4)2s2的电子排布图为(×)
错因:违背了泡利原理。
(5)2p3的电子排布图为(×)
错因:违背了洪特规则。
题组练习
题组一 电子排布式、电子排布图的规范书写与应用
1.写出下列原子或离子的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 ② ③5 ④3
(2)①1s22s22p63s23p5(或[Ne]3s23p5)② ③9 ④1
(3)①1s22s22p63s23p63d6(或[Ar]3d6)② ③14 ④4
(4)①1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)② ③15 ④1
(5)①1s22s22p63s23p63d104s24p4(或[Ar]3d104s24p4)② ③18 ④2
(6)①1s22s22p63s23p63d104s24p6(或[Ar]3d104s24p6)② ③18 ④0
2.按要求书写电子排布式或电子排布图。
(1)基态Cr3+的核外电子排布式为_________________________________________________。
(2)基态Mn2+的核外电子排布式为________________________________________________。
(3)基态钒原子的价电子排布图为_________________________________________________。
(4)基态镓(Ga)原子的电子排布式为________________________________________________。
(5)基态Ni2+的价电子排布图为___________________________________________________。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3) (2)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
(3)
(4)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)
(5)
小结
核外电子排布常见错误
(1)在写基态原子的电子排布图时,常出现以下错误:
①(违反能量最低原理)
②(违反泡利原理)
③(违反洪特规则)
④(违反洪特规则)
(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,如Fe:1s22s22p63s23p63d64s2,而失电子时,却先失4s轨道上的电子,如Fe3+:1s22s22p63s23p63d5。
(3)注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价电子排布式的区别与联系。如Cu的电子排布式:1s22s22p63s23p63d104s1;简化电子排布式:[Ar]3d104s1;价电子排布式:3d104s1。
题组二 多种“化学用语”的规范使用
3.已知A原子的3p轨道上得到1个电子后不能再容纳外来电子;B原子的2p轨道上有1个电子的自旋状态与其他电子的自旋状态相反;C原子的第三电子层上有8个电子,第四电子层上只有1个电子。按要求书写下列图式。
(1)A原子的结构示意图:________________________________________________________;
(2)B基态原子的电子排布图:____________________________________________________;
(3)C基态原子的核外电子排布式:________________________________________________;
(4)A离子的电子式:____________________________________________________________。
答案 (1)
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(2)(3)1s22s22p63s23p64s1(或[Ar]4s1)(4)
解析 由题意可知,A原子的3p轨道上有5个电子,则A为Cl;B原子的2p轨道上有4个电子,则B为O;C原子的外围电子排布式为4s1,则C为K。
4.(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,其元素符号为________;其价电子排布图为_______________________________________________。
(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离子的结构示意图为________________________________________________。
(3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满,D的元素符号为________,其基态原子的电子排布式为_________________________,其原子的结构示意图为_____________________________。
(4)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子且只有一个未成对电子,E的元素符号为________,其基态原子的核外电子排布式为____________________________。
(5)F元素的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+2,则n=________;基态原子中能量最高的是________电子,核外电子排布图为__________________________________。
答案 (1)N  (2)Cl 
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(3)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2) 
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(4)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(5)2 2p 
注意
化学用语的规范使用及意义
(1)结构示意图:能直观地反映核内的质子数和核外的电子层数及各层上的电子数。
(2)核素组成:如O,侧重于表示原子核的结构,它能告诉我们该原子核内的质子数和核外电子数以及质量数,但不能反映核外电子的排布情况。
(3)电子排布式:能直观地反映核外电子的能层、能级和各能级上的电子数,但不能表示原子核的情况,也不能表示各个电子的运动状态。
(4)电子排布图:能反应各轨道的能量的高低,各轨道上的电子分布情况及自旋状态。
(5)价电子排布式:如Fe原子的电子排布式为
1s22s22p63s23p63d64s2,价电子排布式为3d64s2。价电子排布式能反映基态原子的能层数和参与成键的电子数以及最外层电子数。
题组三 电子跃迁与原子光谱
5.下列有关光谱的说法不正确的是(  )
A.原子中的电子在跃迁时会发生能量的变化,能量的表现形式之一是光(辐射),这也是原子光谱产生的原因
B.原子光谱只有发射光谱
C.通过原子光谱可以发现新的元素
D.通过光谱分析可以鉴定某些元素
答案 B
解析 电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量的变化,并以光的形式体现,用光谱仪摄取得到光谱。电子从基态向激发态的跃迁会吸收能量,形成吸收光谱;电子从激发态向基态的跃迁会放出能量,形成发射光谱。原子中的电子在跃迁时会发生能量的变化,能量的表现形式之一是光(辐射),这也是原子光谱产生的原因,选项A正确;原子光谱既有发射光谱,也有吸收光谱,选项B不正确;通过原子光谱可以发现新的元素,选项C正确;通过光谱分析可以鉴定某些元素,选项D正确。
6.回答下列问题:
(1)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。则元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为________nm(填字母)。
A.404.4B.553.5C.589.2D.670.8E.766.5
(2)发生焰色反应的原因是_______________________________________________________。
答案 (1)A (2)电子由较高能级跃迁到较低能级时,以光的形式释放能量
考点二 原子结构与元素的性质
1.原子结构与周期的关系
(1)原子结构与周期的关系(完成下列表格)
周期
能层数
每周期第一个元素
每周期最后一个元素
原子序数
基态原子的简化电子排布式
原子序数
基态原子的电子排布式

2
3
[He]2s1
10
1s22s22p6

3
11
[Ne]3s1
18
1s22s22p63s23p6

4
19
[Ar]4s1
36
1s22s22p63s23p63d104s24p6

5
37
[Kr]5s1
54
1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6

6
55
[Xe]6s1
86
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p6
(2)每族元素的价层电子排布特点
①主族
主族
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
排布特点
ns1
ns2
ns2np1
ns2np2
主族
ⅤA
ⅥA
ⅦA
排布特点
ns2np3
ns2np4
ns2np5
②0族:He为1s2;其他ns2np6。
③过渡元素(副族和第Ⅷ族):(n-1)d1~10ns1~2。
(3)元素周期表的分区与价层电子排布的关系
①周期表的分区
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②各区价层电子排布特点
分区
价层电子排布
s区
ns1~2
p区
ns2np1~6(除He外)
d区
(n-1)d1~9ns1~2(除钯外)
ds区
(n-1)d10ns1~2
f区
(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2
2.原子半径
(1)影响因素
(2)变化规律
元素周期表中,同周期主族元素从左到右,原子半径逐渐减小;同主族元素从上到下,原子半径逐渐增大。
3.电离能
(1)第一电离能:气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量。符号:I1;单位:kJ·mol-1。
(2)规律
①同周期:第一种元素的第一电离能最小,最后一种元素的第一电离能最大,从左到右总体呈现逐渐增大的变化趋势,其中ⅡA与ⅢA,ⅤA与ⅥA元素的第一电离能出现反常。
②同族元素:从上到下第一电离能变小。
③同种原子:逐级电离能越来越大(即I1<I2<I3…)。
4.电负性
(1)含义:元素的原子在化合物中吸引键合电子能力的标度。元素的电负性越大,表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强。
(2)标准:以最活泼的非金属氟的电负性为4.0作为相对标准,计算得出其他元素的电负性(稀有气体未计)。
(3)变化规律
金属元素的电负性一般小于1.8,非金属元素的电负性一般大于1.8,而位于非金属三角区边界的“类金属”(如锗、锑等)的电负性则在1.8左右。
在元素周期表中,同周期从左到右,元素的电负性逐渐变大,同主族从上到下,元素的电负性逐渐变小。
5.对角线规则
在元素周期表中,某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的,如
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判断
(1)正三价阳离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5的元素在周期表中位于ⅧB族(×)
错因:该元素位于第Ⅷ族。
(2)价电子排布式为4s24p3的元素位于第四周期ⅤA族,是p区元素(√)
(3)元素的电负性越大,非金属性越强,第一电离能也越大(×)
错因:如电负性O>N,非金属性O>N,而第一电离能N>O。
(4)最外层有2个未成对电子的可能是ns2np2或ns2np4,短周期元素中分别为C、Si和O、S(√)
(5)价电子排布式为5s25p1的元素位于第五周期ⅠA族,是s区元素(×)
错因:应位于第五周期ⅢA族,是p区元素。
练习
1.按要求回答下列问题:
(1)第三周期所有元素的第一电离能(I1)大小顺序为____________________(用元素符号表示)。
(2)Na的逐级电离能中有________次突跃。分别是哪级电离能发生突跃?________________。
(3)F、Cl、Br、I的第一电离能由大到小的顺序为____________________________________,电负性由大到小的顺序为________________。
答案 (1)Na<Al<Mg<Si<S<P<Cl<Ar(2)2 I2?I1、I10?I9(3)F>Cl>Br>I F>Cl>Br>I
2.为什么Mg的第一电离能比Al大?P的第一电离能比S大?
答案 基态镁原子的电子排布式为1s22s22p63s2,基态磷原子的电子排布式为1s22s22p63s23p3,镁原子、磷原子最外层的3s2、3p3能级中,电子分别处于全充满、半充满稳定状态,失电子较难,则其第一电离能较同周期相邻元素要大。
3.根据信息回答下列问题:
不同元素的原子在分子内吸引键合电子的能力大小可用数值表示,该数值称为电负性。一般认为:如果两个成键原子间的电负性差值大于1.7,原子之间通常形成离子键;如果两个成键原子间的电负性差值小于1.7,通常形成共价键。下表是某些元素的电负性值:
元素符号
Li
Be
B
C
O
F
Na
Al
Si
P
S
Cl
电负性值
1.0
1.5
2.0
2.5
3.5
4.0
0.9
1.5
1.8
2.1
2.5
3.0
(1)通过分析电负性值的变化规律,确定Mg元素的电负性值的最小范围:________________。
(2)请归纳元素的电负性和金属性、非金属性的关系是_______________________。
(3)推测AlF3、AlCl3、AlBr3是离子化合物还是共价化合物:AlF3_______________________,AlCl3_____________________,AlBr3________________。
答案 (1)0.9~1.5
(2)非金属性越强,电负性越大;金属性越强,电负性越小
(3)离子化合物 共价化合物 共价化合物
4.根据对角线规则,Be、Al元素最高价氧化物对应水化物的性质相似,它们都具有__________性,其中Be(OH)2显示这种性质的离子方程式是_____________________________________。
答案 两 Be(OH)2+2H+===Be2++2H2O、Be(OH)2+2OH-===BeO+2H2O
题组练习
题组一 元素周期律的准确判断
1.对Na、Mg、Al的有关性质的叙述不正确的是(  )
A.第一电离能:Na<Mg<Al
B.电负性:Na<Mg<Al
C.还原性:Na>Mg>Al
D.碱性:NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3
答案 A
解析 同周期从左到右元素的第一电离能一般呈增大趋势,但ⅡA、ⅤA族元素的p轨道全空或半充满是较稳定结构,所以其第一电离能较相邻元素的略大。
2.下列四种元素的基态原子的电子排布式如下:
①1s22s22p63s23p4 ②1s22s22p63s23p3③1s22s22p3 ④1s22s22p5
则下列有关比较中正确的是(  )
A.第一电离能:④>③>②>①
B.原子半径:④>③>②>①
C.电负性:④>③>②>①
D.最高正化合价:④>③=②>①
答案 A
解析 由电子排布式可知:①为S,②为P,③为N,④为F。第一电离能为④>③>②>①,A正确;B不正确,原子半径应是②最大,④最小;C不正确,电负性:④最大,②最小;D不正确,F无正价,最高正价:①>②=③。
3.A元素的阳离子与B元素的阴离子具有相同的电子层结构,有关两元素的下列叙述:①原子半径A<B,②离子半径A>B,③原子序数A>B,④原子最外层电子数A<B,⑤A的正价与B的负价绝对值一定相等,⑥A的电负性小于B的电负性,⑦A的第一电离能大于B的第一电离能。其中正确的是(  )
A.①②⑦
B.③④⑥
C.③⑤
D.③④⑤⑥⑦
答案 B
解析 A元素的阳离子与B元素的阴离子具有相同的电子层结构,则A在B的下一周期。①错误,因A原子半径大于同一主族的上一周期元素原子的半径,该原子的半径又大于同一周期的B原子的半径,所以原子半径A>B;②错误,具有相同的电子层结构的离子,核电荷数越大,离子半径越小;⑦错误,A的第一电离能小于B的第一电离能。
题组二 元素推断与元素的逐级电离能
4.下表列出了某短周期元素R的各级电离能数据(用I1、I2……表示,单位为kJ·mol-1)。
I1
I2
I3
I4
……
R
740
1500
7700
10500
下列关于元素R的判断中一定正确的是(  )
A.R的最高正价为+3价
B.R元素位于元素周期表中第Ⅱ族
C.R元素第一电离能大于同周期相邻元素
D.R元素基态原子的电子排布式为1s22s2
答案 C
解析 由表中数据可知,R元素的第三电离能与第二电离能的差距最大,故最外层有2个电子,最高正价为+2价,位于第ⅡA族,可能为Be或Mg元素,故A、B、D错误;第ⅡA族(ns2np0)的元素,因p轨道处于全空状态,比较稳定,故其第一电离能大于同周期相邻主族元素,C正确。
5.根据下列五种元素的第一至第四电离能数据(单位:kJ·mol-1),回答下列各题:
元素代号
I1
I2
I3
I4
Q
2080
4000
6100
9400
R
500
4600
6900
9500
S
740
1500
7700
10500
T
580
1800
2700
11600
U
420
3100
4400
5900
(1)在周期表中,最可能处于同一族的是________。
A.Q和R
B.S和T
C.T和U
D.R和T
E.R和U
(2)下列离子的氧化性最弱的是________。
A.S2+
B.R2+
C.T3+
D.U+
(3)下列元素中,化学性质和物理性质与Q元素最相似的是________。
A.硼B.铍C.氦D.氢
(4)每种元素都出现相邻两个电离能的数据相差较大的情况,这一事实从一个侧面说明:________________________________________________________________________,如果U元素是短周期元素,你估计它的第2次电离能飞跃数据将发生在失去第______个电子时。
(5)如果R、S、T是同周期的三种主族元素,则它们的原子序数由小到大的顺序是__________,其中________元素的第一电离能异常高的原因是___________________。
答案 (1)E (2)D (3)C(4)电子分层排布,各能层能量不同 10
(5)R<S<T S S元素的最外层电子处于s轨道全充满状态,能量较低,比较稳定,失去第一个电子吸收的能量较多
解析 (1)根据电离能的变化趋势知,Q为稀有气体元素,R为第ⅠA族元素,S为第ⅡA族元素,T为第ⅢA族元素,U为第ⅠA族元素,所以R和U处于同一主族。
(2)由于U为第ⅠA族元素且比R电离能小,所以U+的氧化性最弱。
(3)由于Q是稀有气体元素,所以氦的物理性质和化学性质与其最相似。
(4)电离能的突跃变化,从一个侧面说明核外电子是分层排布的。若U是短周期元素,则U是Na,其核外电子排布式为1s22s22p63s1,由于2s22p6所处能层相同,所以它的第2次电离能飞跃数据发生在失去第10个电子时。
(5)同一周期,第一电离能呈增大趋势,但ⅡA、ⅤA族比相邻元素要高,因为其最外层电子呈全充满或半充满结构。
题组三 元素周期表、元素周期律的综合应用
6.下表是元素周期表的一部分,表中所列的字母分别代表一种化学元素。试回答下列问题:
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(1)元素p为26号元素,请写出其基态原子电子排布式:_________________________。
(2)h的单质在空气中燃烧发出耀眼的白光,请用原子结构的知识解释发光的原因:__________
_______________________________________________________________________________。
(3)o、p两元素的部分电离能数据如下表:
   元素电离能/kJ·mol-1   
o
p
I1
717
759
I2
1509
1561
I3
3248
2957
比较两元素的I2、I3可知,气态o2+再失去一个电子比气态p2+再失去一个电子难。对此,你的解释是______________________________________________________________________。
(4)第三周期8种元素单质熔点高低的顺序如图1所示,其中电负性最大的是________(填图1中的序号)。
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(5)表中所列的某主族元素的电离能情况如图2所示,则该元素是__________(填元素符号)。
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答案 (1)1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(2)电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时,以光(子)的形式释放能量
(3)Mn2+的3d轨道电子排布为半充满状态,比较稳定(4)2(5)Al
解析 (2)h为Mg元素,Mg单质在空气中燃烧发出耀眼的白光,电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时以光(子)的形式释放能量。(3)o为Mn元素,其基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2,Mn2+的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,其3d轨道为半充满结构,相对比较稳定,其失去第3个电子时比较困难,而Fe2+的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d6,其3d轨道再失去一个电子即为半充满结构,故其失去第3个电子比较容易。(4)第三周期8种元素分别为钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩,其单质中钠、镁、铝形成金属晶体,熔点依次升高;硅形成原子晶体;磷、硫、氯、氩形成分子晶体,且常温下磷、硫为固体,氯气、氩为气体,8种元素熔点最低的为氩,其次为氯,其中电负性最大的为氯。(5)由图可知,该元素的电离能I4远大于I3,故为第ⅢA族元素,应为Al。
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精品试卷·第
2

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