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第23讲　原子结构　 核外电子排布
【备考目标】　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、价层电子的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。
考点1　原子结构　核素与同位素
1．原子的构成
(1)原子的构成
(2)构成原子或离子的微粒间的数量关系
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－阳离子所带电荷数，如Mg2＋的核外电子数是10。
④阴离子的核外电子数＝质子数＋阴离子所带电荷数，如Cl－的核外电子数是18。
[深化理解]
①原子中不一定都含有中子，如H中没有中子。
②电子排布完全相同的原子不一定是同一种原子，如互为同位素的各原子。
③易失去1个电子形成＋1价阳离子的不一定是金属原子，如H。
④形成稳定结构的离子最外层不一定是8个电子，如Li＋为2个电子稳定结构。
2．元素、核素、同位素
(1)概念及关系
(2)同位素的特征
①同一元素的各种核素的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(丰度)一般不变。
【提醒】　①由于同位素的存在，核素的种数远大于元素的种数。②不同核素可能具有相同的质子数，如H和H；也可能具有相同的中子数，如C和O；还可能具有相同的质量数，如C和N。
(3)氢元素的三种核素
H：名称为氕，不含中子；
H：用字母D表示，名称为氘或重氢；
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 92U 6C H H 8O
用途 核燃料 考古断代 制氢弹 示踪原子
3.核反应方程的分析技巧
(1)质量数守恒：各微粒左上角数字之和在核反应前后相等。
(2)电荷数守恒：各微粒左下角数字之和(正电荷数)在核反应前后相等。
例：碳 14的β衰变：C―→N＋e
质量数守恒表达式：14＝14＋0；电荷数守恒表达式：6＝7－1。
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)所有原子核内一定都有中子(× )
(2)质子数相同的微粒一定属于同一种元素(× )
(3)核外电子数相同的微粒，其质子数一定相同(× )
(4)同位素的物理性质不同，但化学性质几乎相同(√ )
(5)不同核素之间的转化属于化学反应(× )
题组练习
一、元素、核素、同位素的概念辨析
1．钋 210属于极毒性放射性元素，以相同重量来比较，钋 210的毒性是氰化物的2.5亿倍。下列有关Po的说法正确的是(　　)
A．Po与Po互为同素异形体 B．Po与At互为同位素
C．Po的质子数为84，中子数为126 D．Po元素的相对原子质量为210
解析：选C。Po与Po是同种元素的不同核素，应互为同位素，A错误；Po与At为两种不同元素的核素，不能互称为同位素，B错误；Po的质子数为84，中子数为210－84＝126，C正确；钋 210的近似相对原子质量为210，钋元素的相对原子质量不是210，D错误。
2．根据下列微粒回答问题：H、H、H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8种微粒共含有________种核素，共包括________种元素。
②互为同位素的是________________________________________________。
③质量数相等的是________和________，中子数相等的是________和________。
答案：①8　5　②H、H、H　③14C　14N　14C　16O
二、微粒中粒子数目的分析与计算
3．(2024·天津和平区联考)是目前发现的最后一种元素，也是最重的一种元素，元素符号为Og，是人工合成的放射性稀有气体元素，它的发现标志着元素周期表第七周期被全部填满。用钙离子撞击锎(Cf)靶，可以产生Og，其反应可表示为：Cf＋Ca―→Og＋3n。下列说法错误的是(　　)
A．Og原子核内有176个中子，质子数为118 B．Ca与Ca的化学性质几乎相同
C．Og是一种性质稳定的非金属元素 D．锎为过渡元素
解析：选C。Og为Og，则其原子核内有294－118＝176个中子，质子数为118，A正确；Ca与Ca互为同位素，质子数相同，基态原子电子排布方式相同，化学性质几乎相同，B正确；Og具有放射性，不稳定，C错误；锎元素核电荷数为98，位于第七周期第ⅢB族，是一种锕系元素，属于过渡元素，D正确。
4．某元素的一种同位素X原子的质量数为A，它与2H原子组成2HmX分子，此分子含N个中子，在a g 2HmX中所含电子的物质的量是__________________。
解析：2HmX分子含N个中子，则同位素X含中子数为(N－m)，由同位素X原子的质量数为A可知，质子数为(A－N＋m)，则每个2HmX分子含有质子数为(A－N＋2m)，a g 2HmX的物质的量为＝ mol，故a g 2HmX含有质子的物质的量为(A－N＋2m) mol，因中性分子中质子数等于电子数，则a g 2HmX中所含电子的物质的量是(A－N＋2m) mol。
答案：(A－N＋2m) mol
三、“10e－”“18e－”微粒的应用
5．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。回答下列问题：
(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：___________________________。
(4)除A＋、B＋外，请再写出两种含10个电子的阳离子：____________________________________。
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的知识可知，10电子的粒子中，原子有Ne，阴离子有N3－、O2－、F－、OH－、NH，阳离子有Na＋、Mg2＋、Al3＋、NH、H3O＋，分子有CH4、NH3、H2O、HF。根据题意由①A＋＋C－===D＋E↑推知，A＋为NH、C－为OH－、D为H2O、E为NH3，由②B＋＋C－===2D推知，B＋为H3O＋，由此解题。
答案：(1)　(2)NH＋H2O NH3·H2O＋H＋　H3O＋＋NH3===NH＋H2O　(3)CH4、HF(答案合理即可)　(4)Na＋、Mg2＋、Al3＋(答任意两个即可)
【归纳总结】　等电子微粒的判断方法
(1)“10电子”微粒
(2)“18电子”微粒
考点2　核外电子运动状态与排布规律
1．电子运动状态的量子力学模型描述
(1)能层：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)电子云与原子轨道
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。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。因此，常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。
原子轨道 轨道形状 轨道个数 能量关系
s 球形 1 ①同一能层各能级：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)②形状相同的原子轨道：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……③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p能级三个互相垂直的轨道npx、npy、npz的能量相等
p 哑铃形 3
d － 5
f － 7
(4)能层(n)、能级、原子轨道、电子数间的关系
某能层的能级数＝n，某能层的轨道数＝n2，某能层最多容纳的电子数＝2n2。
2．原子状态与原子光谱
(1)原子状态
①基态原子：处于最低能量状态的原子。
②激发态原子：基态原子吸收能量后，电子跃迁到较高能级，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，利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。在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
3．基态原子的核外电子排布
(1)排布原则
[深化理解]
正确理解核外电子排布的“两原理，一规则”
①原子核外电子排布符合能量最低原理、洪特规则、泡利原理，若违背其一，则原子能量不处于最低状态，例：
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Mn：1s22s22p63s23p63d54s2，而失电子时，先失4s轨道上的电子，如Mn2＋：1s22s22p63s23p63d5。
③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，如基态24Cr原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
(2)填充顺序——构造原理
随着原子核电荷数递增，电子填入能级的顺序称为构造原理。
【提醒】　①构造原理用于分析基态原子的电子排布，不能分析激发态原子的电子排布；②构造原理是经验性的，是假想出来的，用于分析电子在各能级上的排布；③存在洪特规则特例的情况下，电子排布不完全符合构造原理。
(3)表示方法
含义 举例
原子(离子)结构示意图 表示核外电子分层排布和核内质子数 Na：Na＋：
电子式 表示最外层电子数目
核外电子排布式 表示每个能级上排布的电子数 Cl：1s22s22p63s23p5Cl－：1s22s22p63s23p6
简化电子排布式 － S：[Ne]3s23p4
电子排布图(轨道表示式) 表示每个原子轨道中电子的运动状态
价电子排布式或排布图 表示价电子的排布 Fe：3d64s2、
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)p能级的能量一定比s能级的能量高 (× )
(2)2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等 (× )
(3)基态铁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d6(× )
(4)基态磷原子的轨道表示式为(× )
(5)电子排布式1s22s22p63s23p10违反了能量最低原理 (× )
(6)表示的原子能量处于最低状态 (× )
题组练习
一、核外电子的运动状态与排布规律
1.按要求填空：
(1)基态F原子的核外电子的运动状态有________种。
(2)基态钛原子的价层电子排布式为________，其原子核外电子的空间运动状态有______种，共有________种运动状态不同的电子。
(3)基态Si原子价层电子的运动状态有________种，若其电子排布式表示为[Ne]3s23p违背了________。
(4)基态Cu原子核外电子的空间运动状态有________种。
(5)Fe3＋比Fe2＋的稳定性更________(填“强”或“弱”)，从结构上分析原因是________________________________________________________________________。
答案： (1) 9　(2)3d24s2　12　22　(3)4　洪特规则　(4)15 （5）强　Fe3＋的价层电子排布式为3d5，原子轨道处于半充满状态，故Fe3＋比Fe2＋更稳定
【方法指导】　核外电子运动状态的判断
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。
2.(人教选择性必修2 P17T10改编)(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______；其价层电子的轨道表示式为________________________________。
(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________，其基态原子的电子排布式为___________________________________________。
(5)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝________；原子中能量最高的是__________电子，核外电子轨道表示式为__________________________。
答案：(1)N　 (2)Cl　 (3)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)　 (4)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(5)2　2p　
二、基态原子(或离子)核外电子排布的表示方法
3.写出下列原子或离子的①电子排布式、②价层电子的轨道表示式、③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____________。
4.按要求书写电子排布式或轨道表示式。
(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)基态钒原子的价层电子的轨道表示式为______________________________。
(4)基态镓(Ga)原子的电子排布式为______________________________。
(5)基态Ni2＋的价层电子的轨道表示式为______________________________。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d3(或[Ar]3d3)　(2)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5)
(4)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)
高考真题
1.(2021·天津高考)核聚变发电有望成为解决人类能源问题的重要手段之一，氘(H)是核聚变反应的主要原料，下列有关叙述正确的是(　　)
A．H的中子数为2 B．H的核电荷数为1
C．H是自然界中最轻的原子 D．H是氢元素的一种同素异形体
解析：选B。 H的中子数为2－1＝1，A错误； H的质子数为1，则核电荷数为1，B正确；自然界中最轻的原子是H，不是H，C错误； H是氢元素的一种同位素，D错误。
2.(2022·山东高考)O、O的半衰期很短，自然界中不能稳定存在。人工合成反应如下：O＋He―→O＋X；O＋He―→O＋mnY。下列说法正确的是(　　)
A．X的中子数为2 B．X、Y互为同位素
C．O、O可用作示踪原子研究化学反应历程 D．自然界不存在O2、O2分子是因其化学键不稳定
解析：选B。X微粒为He，Y微粒为He，二者互为同位素，X的中子数为4，A错误，B正确；由题干信息可知，O与O的半衰期很短，不能稳定存在，不适宜用作示踪原子研究化学反应历程，且O===O的键能与形成该键的核素无关，C、D错误。
3.(1)(2023·全国卷乙)基态Fe原子的价层电子排布式为____________。
(2)(2023·浙江高考)基态N原子的价层电子排布式是________________。
(3)(2023·北京高考)基态S原子价层电子排布式是________。
(4)(2022·湖南高考)基态Se原子的核外电子排布式为[Ar]________。
(5)(2022·全国卷甲)基态F原子的价层电子排布图(轨道表示式)为______________。
(6)(2022·全国卷乙)氟原子激发态的电子排布式有______，其中能量较高的是______。(填字母)
a．1s22s22p43s1 b．1s22s22p43d2 c．1s22s12p5 d．1s22s22p33p2
(7)(2022·山东高考)基态Ni原子的价层电子排布式为________，在元素周期表中位置为__________________。
答案：(1)3d64s2　(2)2s22p3　(3)3s23p4 (4)3d104s24p4　(5) (6)ad　d　(7)3d84s2 　第四周期第Ⅷ族
巩固练习
一、选择题(每题5分，共10题，共50分)
1．地表水和地下水都来源于大气降水，但重水和轻水中同位素含量是不同的，有时差别还相当大，氢包括两种稳定核素：H和D，氧常见的核素有16O、17O和18O。下列有关说法正确的是(　　)
A．H2和D2互为同分异构体，其化学性质完全相同
B．HO、HO、HO互为同位素，都能与金属钠发生反应
C．18O2和18O3互为同素异形体，其密度之比为2∶3
D．电解一定量的DO时，阴、阳两极所得气体的质量之比约为2∶9
解析：选D。同分异构体一般指分子式相同，结构不同的有机物，H2和D2为组成和结构都相同的无机物，A错误；16O、17O、18O互为同位素，HO、HO、HO既不互为同位素，也不是同素异形体，B错误；18O2和18O3互为同素异形体，但只有在同温同压下，它们的密度之比才为2∶3，C错误；电解一定量的DO时，阴、阳两极会收集到物质的量之比为2∶1的D2和18O2，其质量之比约为2∶9，D正确。
2．(2024·广东茂名模拟)科学家利用H撞击Cu得到Ni，其反应可表示为H＋Cu―→Ni＋He，下列说法正确的是(　　)
A．1H2和2H2互为同位素 B．4He的中子数为4
C．基态61Ni和基态59Ni核外电子排布相同 D．63Cu比64Cu更易与硫酸反应
解析：选C。同位素是指质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子，1H2和2H2属于分子，不符合同位素的定义，A错误；4He的质量数为4，原子序数＝质子数＝核外电子数＝2，中子数＝4－2＝2，B错误； Ni是28号元素，基态61Ni和基态59Ni核外电子排布相同，C正确；同位素的物理性质不同，化学性质几乎完全相同，故63Cu和64Cu化学性质相同，D错误。
3．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是(　　)
A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应
解析：选A。在电流作用下，基态氖原子的电子吸收能量跃迁到较高能级，变为激发态原子，这一过程要吸收能量，不会发出红色光；而电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态或基态时，将释放能量，从而产生红光，故A项正确。
4．下列有关化学用语正确的是(　　)
A.O原子的轨道表示式为 B．氯化钠的分子式：NaCl
C．Cl－的结构示意图： D.Ca原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d2
解析：选C。O原子的2s能级的2个电子的自旋方向应该相反，A错误；氯化钠是离子化合物，NaCl只是化学式，不是分子式，B错误；氯离子的核内有17个质子，核外有18个电子，C正确；Ca的核电荷数为20，电子排布式应是1s22s22p63s23p64s2，D错误。
5．已知阴离子R2－的原子核内有n个中子，R原子的质量数为m，则w g R原子完全转化为R2－时，含有电子的物质的量是(　　)
A．mol B．mol C．wmol D．(m－n＋2) mol
解析：选D。R原子的质子数为m－n，其核外电子数也为m－n，所以R2－的核外电子数为m－n＋2，而w g R原子的物质的量为 mol，所以形成的R2－含有的电子的物质的量为(m－n＋2) mol。
6．下列说法正确的是(　　)
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
解析：选D。多电子原子中，根据构造原理，各能级能量高低顺序：①相同能层而不同能级的能量高低ns＜np＜nd＜nf，②能层不同时的能量高低2s＜3s＜4s，2p＜3p＜4p，③不同能层不同能级的能量高低ns＜(n－2)f＜(n－1)d＜np，所以同一原子中，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，与能层的大小无关，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。
7．人们通常将在同一原子轨道上运动、自旋状态相反的2个电子称为“电子对”，将在某一原子轨道上运动的单个电子称为“未成对电子”。下列基态原子的电子排布式中，未成对电子数最多的是(　　)
A．1s22s22p63s23p6 B．1s22s22p63s23p63d54s2 C．1s22s22p63s23p63d54s1 D．1s22s22p63s23p63d104s1
解析：选C。1s22s22p63s23p6中每个轨道上都达到饱和，未成对电子数为0；1s22s22p63s23p63d54s2中3d轨道上有5个电子未成对，其他轨道上都达到饱和，未成对电子数为5；1s22s22p63s23p63d54s1中的3d、4s轨道上各有5、1个未成对电子，未成对电子数为6；1s22s22p63s23p63d104s1只有4s上有1个电子未成对，未成对电子数为1。故选C。
8．核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关，还与核外电子的数目及核电荷数的多少有关。氩原子与硫离子的核外电子排布相同，都是1s22s22p63s23p6。下列说法正确的是(　　)
A．两粒子的1s能级上电子的能量相同 B．两粒子的3p能级上的电子离核的距离相同
C．两粒子的电子发生跃迁时，产生的光谱不同 D．两粒子最外层都达到了8电子稳定结构，化学性质相同
解析：选C。虽然氩原子与硫离子的核外电子排布式相同，都是1s22s22p63s23p6，但是氩原子与硫离子的核电荷数不同，原子核对核外电子的吸引力不同，两粒子的1s能级上电子的能量不同，A错误；两粒子的3p能级上的电子离核的距离不同，B错误；虽然两粒子最外层都达到了8电子稳定结构，但化学性质不同，氩原子稳定，硫离子具有还原性，D错误。
9.元素周期表中铋元素的数据如图，下列说法不正确的是(　　)
A．铋原子s轨道的形状是球形，p轨道的形状是哑铃形
B．铋元素的相对原子质量是209.0
C．铋原子6p能级中6px、6py、6pz轨道上各有一个电子
D．铋原子最外层有5个能量相同的电子
解析：选D。s轨道的形状是球形，p轨道的形状是哑铃形，A正确；根据题图中信息可知，铋的相对原子质量为209.0，B正确；根据洪特规则可知，铋原子6p能级中6px、6py、6pz轨道上各有一个电子，C正确；铋原子最外层6s轨道上有2个电子，6p轨道上有3个电子，但6s、6p轨道上电子能量不同，D错误。
10．短周期元素R基态原子最外层的p能级上有2个未成对电子。关于基态R原子的描述中正确的是(　　)
A．基态R原子核外电子的电子云轮廓图有两种：球形和哑铃形
B．基态R原子的价层电子排布式为ns2np2(n＝2或3)
C．基态R原子的原子轨道总数为9
D．基态R原子的轨道表示式为
解析：选A。由“短周期元素R基态原子最外层的p能级上有2个未成对电子”可知，可能有两种情况：p能级上只有2个电子，R为第ⅣA族元素，C或Si；p能级上有4个电子，R为第ⅥA族元素，O或S，故只有A正确。
二、非选择题(共2题，共25分)
11．(10分)(1)新型半导体材料如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等在国防技术、航空航天及5G技术等领域扮演着重要的角色。回答下列问题。
基态Si原子中，核外电子占据的最高能层的符号为________，占据最高能级的电子的电子云轮廓图形状为________；基态Ga原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p1，其转化为下列激发态时，吸收能量最少的是________(填字母)。(5分)
(2)碘元素在元素周期表中的位置为__________，碘基态原子价层电子排布式为________。价层电子共占据____个轨道。(5分)
解析：(1)基态Si原子中，核外电子占据三个能层，其中最高能层的符号为M，占据最高能级为p能级，电子的电子云轮廓图形状为哑铃形；基态Ga原子的核外电子排布为[Ar]3d104s24p1，其转化为激发态且吸收能量最少，则基态镓原子的电子中进入高能级的电子最少，电子从基态进入高能级的数目由多到少的顺序为C>B，A、D违反洪特规则，所以所需能量最少的为B。(2)碘是53号元素，其在周期表中的位置是第五周期第ⅦA族，碘基态原子价层电子排布式为5s25p5；价层电子共占据1个s轨道、3个p轨道，共4个轨道。
答案：(1)M　哑铃形　B　(2)第五周期第ⅦA族　5s25p5　4
12.(15分)(1)已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X与Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。
①X元素基态原子的电子排布式为___________________，该元素的化学符号是________。(3分)
②Y元素原子的价层电子轨道表示式为_____________________，该元素的名称是________。(3分)
③已知化合物X2Y3在稀硫酸中可被金属锌还原为XZ3，产物还有ZnSO4和H2O，该反应的化学方程式是______________________________________________________________。
(2)C、N、O、Al、Si、Cu是常见的六种元素。
①Si位于元素周期表第______周期第______族。(2分)
②N的基态原子核外电子排布式为____________________；Cu的基态原子最外层有________个电子。(4分)
解析：(1)X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，X为As；Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，X与Y可形成化合物X2Y3，Y为O；X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，Z元素可以形成负一价离子，Z为H。
答案：(1)①1s22s22p63s23p63d104s24p3(或[Ar]3d104s24p3)　As
氧 ③As2O3＋6Zn＋6H2SO4===2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O　(2)①三　ⅣA　②1s22s22p3　1
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第23讲　原子结构　 核外电子排布
【备考目标】　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、价层电子的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。
考点1　原子结构　核素与同位素
1．原子的构成
(1)原子的构成
(2)构成原子或离子的微粒间的数量关系
①原子中：质子数(Z)＝核电荷数＝ 。
②质量数(A)＝ ＋ 。
③阳离子的核外电子数＝质子数－阳离子所带电荷数，如Mg2＋的核外电子数是10。
④阴离子的核外电子数＝质子数＋阴离子所带电荷数，如Cl－的核外电子数是18。
[深化理解]
①原子中不一定都含有中子，如H中没有中子。
②电子排布完全相同的原子不一定是同一种原子，如互为同位素的各原子。
③易失去1个电子形成＋1价阳离子的不一定是金属原子，如H。
④形成稳定结构的离子最外层不一定是8个电子，如Li＋为2个电子稳定结构。
2．元素、核素、同位素
(1)概念及关系
(2)同位素的特征
①同一元素的各种核素的化学性质 ，物理性质 。
②天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数(丰度)一般 。
【提醒】　①由于同位素的存在，核素的种数远大于元素的种数。②不同核素可能具有相同的质子数，如H和H；也可能具有相同的中子数，如C和O；还可能具有相同的质量数，如C和N。
(3)氢元素的三种核素
H：名称为 ，不含中子；
H：用字母 表示，名称为 或重氢；
H：用字母 表示，名称为 或超重氢。
(4)几种重要核素的用途
核素 92U 6C H H 8O
用途 核燃料 考古断代 制氢弹 示踪原子
3.核反应方程的分析技巧
(1)质量数守恒：各微粒左上角数字之和在核反应前后相等。
(2)电荷数守恒：各微粒左下角数字之和(正电荷数)在核反应前后相等。
例：碳 14的β衰变：C―→N＋e
质量数守恒表达式： ；电荷数守恒表达式： 。
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)所有原子核内一定都有中子( )
(2)质子数相同的微粒一定属于同一种元素( )
(3)核外电子数相同的微粒，其质子数一定相同( )
(4)同位素的物理性质不同，但化学性质几乎相同( )
(5)不同核素之间的转化属于化学反应( )
题组练习
一、元素、核素、同位素的概念辨析
1．钋 210属于极毒性放射性元素，以相同重量来比较，钋 210的毒性是氰化物的2.5亿倍。下列有关Po的说法正确的是(　　)
A．Po与Po互为同素异形体 B．Po与At互为同位素
C．Po的质子数为84，中子数为126 D．Po元素的相对原子质量为210
2．根据下列微粒回答问题：H、H、H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8种微粒共含有________种核素，共包括________种元素。
②互为同位素的是________________________________________________。
③质量数相等的是________和________，中子数相等的是________和________。
二、微粒中粒子数目的分析与计算
3．(2024·天津和平区联考)是目前发现的最后一种元素，也是最重的一种元素，元素符号为Og，是人工合成的放射性稀有气体元素，它的发现标志着元素周期表第七周期被全部填满。用钙离子撞击锎(Cf)靶，可以产生Og，其反应可表示为：Cf＋Ca―→Og＋3n。下列说法错误的是(　　)
A．Og原子核内有176个中子，质子数为118 B．Ca与Ca的化学性质几乎相同
C．Og是一种性质稳定的非金属元素 D．锎为过渡元素
4．某元素的一种同位素X原子的质量数为A，它与2H原子组成2HmX分子，此分子含N个中子，在a g 2HmX中所含电子的物质的量是__________________。
三、“10e－”“18e－”微粒的应用
5．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。回答下列问题：
(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：______________________________。
(4)除A＋、B＋外，请再写出两种含10个电子的阳离子：_________________________________。
【归纳总结】　等电子微粒的判断方法
(1)“10电子”微粒
(2)“18电子”微粒
考点2　核外电子运动状态与排布规律
1．电子运动状态的量子力学模型描述
(1)能层：核外电子是 排布的，根据电子的 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， 也可能不同，不同 的电子分成不同的能级。
(3)电子云与原子轨道
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 的形象化描述。量子力学把电子在原子核外的一个 称为一个原子轨道。因此，常用电子云轮廓图的形状和取向来表示原子轨道的形状和取向。
原子轨道 轨道形状 轨道个数 能量关系
s 球形 1 ①同一能层各能级：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)②形状相同的原子轨道：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……③同一能层内形状相同而伸展方向不同的原子轨道的能量 ，如p能级三个互相垂直的轨道npx、npy、npz的能量
p 哑铃形 3
d － 5
f － 7
(4)能层(n)、能级、原子轨道、电子数间的关系
某能层的能级数＝n，某能层的轨道数＝n2，某能层最多容纳的电子数＝2n2。
2．原子状态与原子光谱
(1)原子状态
①基态原子：处于 状态的原子。
②激发态原子：基态原子 后，电子跃迁到较高能级，变为激发态原子。
(2)原子光谱
不同元素原子的电子发生 时会吸收或释放不同的光，利用光谱仪摄取各种元素原子的 或 ，总称原子光谱。在现代化学中，常利用 上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。
3．基态原子的核外电子排布
(1)排布原则
[深化理解]
正确理解核外电子排布的“两原理，一规则”
①原子核外电子排布符合能量最低原理、洪特规则、泡利原理，若违背其一，则原子能量不处于最低状态，例：
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Mn：1s22s22p63s23p63d54s2，而失电子时，先失4s轨道上的电子，如Mn2＋：1s22s22p63s23p63d5。
③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，如基态24Cr原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，而不是1s22s22p63s23p63d44s2。
(2)填充顺序——构造原理
随着原子核电荷数递增，电子填入能级的顺序称为构造原理。
【提醒】　①构造原理用于分析基态原子的电子排布，不能分析激发态原子的电子排布；②构造原理是经验性的，是假想出来的，用于分析电子在各能级上的排布；③存在洪特规则特例的情况下，电子排布不完全符合构造原理。
(3)表示方法
含义 举例
原子(离子)结构示意图 表示核外电子分层排布和核内质子数 Na：Na＋：
电子式 表示最外层电子数目
核外电子排布式 表示每个能级上排布的电子数 Cl：1s22s22p63s23p5Cl－：1s22s22p63s23p6
简化电子排布式 － S：[Ne]3s23p4
电子排布图(轨道表示式) 表示每个原子轨道中电子的运动状态
价电子排布式或排布图 表示价电子的排布 Fe：3d64s2、
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)p能级的能量一定比s能级的能量高 ( )
(2)2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等 ( )
(3)基态铁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d6( )
(4)基态磷原子的轨道表示式为( )
(5)电子排布式1s22s22p63s23p10违反了能量最低原理 ( )
(6)表示的原子能量处于最低状态 ( )
题组练习
一、核外电子的运动状态与排布规律
1.按要求填空：
(1)基态F原子的核外电子的运动状态有________种。
(2)基态钛原子的价层电子排布式为________，其原子核外电子的空间运动状态有______种，共有________种运动状态不同的电子。
(3)基态Si原子价层电子的运动状态有________种，若其电子排布式表示为[Ne]3s23p违背了________。
(4)基态Cu原子核外电子的空间运动状态有________种。
(5)Fe3＋比Fe2＋的稳定性更________(填“强”或“弱”)，从结构上分析原因是________________________________________________________________________。
【方法指导】　核外电子运动状态的判断
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。
2.(人教选择性必修2 P17T10改编)(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______；其价层电子的轨道表示式为________________________________。
(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________，其基态原子的电子排布式为___________________________________________。
(5)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝________；原子中能量最高的是__________电子，核外电子轨道表示式为__________________________。
二、基态原子(或离子)核外电子排布的表示方法
3.写出下列原子或离子的①电子排布式、②价层电子的轨道表示式、③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____________。
4.按要求书写电子排布式或轨道表示式。
(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)基态钒原子的价层电子的轨道表示式为______________________________。
(4)基态镓(Ga)原子的电子排布式为______________________________。
(5)基态Ni2＋的价层电子的轨道表示式为______________________________。
高考真题
1.(2021·天津高考)核聚变发电有望成为解决人类能源问题的重要手段之一，氘(H)是核聚变反应的主要原料，下列有关叙述正确的是(　　)
A．H的中子数为2 B．H的核电荷数为1
C．H是自然界中最轻的原子 D．H是氢元素的一种同素异形体
2.(2022·山东高考)O、O的半衰期很短，自然界中不能稳定存在。人工合成反应如下：O＋He―→O＋X；O＋He―→O＋mnY。下列说法正确的是(　　)
A．X的中子数为2 B．X、Y互为同位素
C．O、O可用作示踪原子研究化学反应历程 D．自然界不存在O2、O2分子是因其化学键不稳定
3.(1)(2023·全国卷乙)基态Fe原子的价层电子排布式为____________。
(2)(2023·浙江高考)基态N原子的价层电子排布式是________________。
(3)(2023·北京高考)基态S原子价层电子排布式是________。
(4)(2022·湖南高考)基态Se原子的核外电子排布式为[Ar]________。
(5)(2022·全国卷甲)基态F原子的价层电子排布图(轨道表示式)为______________。
(6)(2022·全国卷乙)氟原子激发态的电子排布式有______，其中能量较高的是______。(填字母)
a．1s22s22p43s1 b．1s22s22p43d2 c．1s22s12p5 d．1s22s22p33p2
(7)(2022·山东高考)基态Ni原子的价层电子排布式为________，在元素周期表中位置为__________________。
巩固练习
一、选择题(每题5分，共10题，共50分)
1．地表水和地下水都来源于大气降水，但重水和轻水中同位素含量是不同的，有时差别还相当大，氢包括两种稳定核素：H和D，氧常见的核素有16O、17O和18O。下列有关说法正确的是(　　)
A．H2和D2互为同分异构体，其化学性质完全相同
B．HO、HO、HO互为同位素，都能与金属钠发生反应
C．18O2和18O3互为同素异形体，其密度之比为2∶3
D．电解一定量的DO时，阴、阳两极所得气体的质量之比约为2∶9
2．(2024·广东茂名模拟)科学家利用H撞击Cu得到Ni，其反应可表示为H＋Cu―→Ni＋He，下列说法正确的是(　　)
A．1H2和2H2互为同位素 B．4He的中子数为4
C．基态61Ni和基态59Ni核外电子排布相同 D．63Cu比64Cu更易与硫酸反应
3．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是(　　)
A．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
B．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应
4．下列有关化学用语正确的是(　　)
A.O原子的轨道表示式为 B．氯化钠的分子式：NaCl
C．Cl－的结构示意图： D.Ca原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d2
5．已知阴离子R2－的原子核内有n个中子，R原子的质量数为m，则w g R原子完全转化为R2－时，含有电子的物质的量是(　　)
A．mol B．mol C．wmol D．(m－n＋2) mol
6．下列说法正确的是(　　)
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
7．人们通常将在同一原子轨道上运动、自旋状态相反的2个电子称为“电子对”，将在某一原子轨道上运动的单个电子称为“未成对电子”。下列基态原子的电子排布式中，未成对电子数最多的是(　　)
A．1s22s22p63s23p6 B．1s22s22p63s23p63d54s2 C．1s22s22p63s23p63d54s1 D．1s22s22p63s23p63d104s1
8．核外电子的能量不仅与电子所处的能层、能级有关，还与核外电子的数目及核电荷数的多少有关。氩原子与硫离子的核外电子排布相同，都是1s22s22p63s23p6。下列说法正确的是(　　)
A．两粒子的1s能级上电子的能量相同 B．两粒子的3p能级上的电子离核的距离相同
C．两粒子的电子发生跃迁时，产生的光谱不同 D．两粒子最外层都达到了8电子稳定结构，化学性质相同
9.元素周期表中铋元素的数据如图，下列说法不正确的是(　　)
A．铋原子s轨道的形状是球形，p轨道的形状是哑铃形
B．铋元素的相对原子质量是209.0
C．铋原子6p能级中6px、6py、6pz轨道上各有一个电子
D．铋原子最外层有5个能量相同的电子
10．短周期元素R基态原子最外层的p能级上有2个未成对电子。关于基态R原子的描述中正确的是(　　)
A．基态R原子核外电子的电子云轮廓图有两种：球形和哑铃形
B．基态R原子的价层电子排布式为ns2np2(n＝2或3)
C．基态R原子的原子轨道总数为9
D．基态R原子的轨道表示式为
二、非选择题(共2题，共25分)
11．(10分)(1)新型半导体材料如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等在国防技术、航空航天及5G技术等领域扮演着重要的角色。回答下列问题。
基态Si原子中，核外电子占据的最高能层的符号为________，占据最高能级的电子的电子云轮廓图形状为________；基态Ga原子的核外电子排布式为[Ar]3d104s24p1，其转化为下列激发态时，吸收能量最少的是________(填字母)。(5分)
(2)碘元素在元素周期表中的位置为__________，碘基态原子价层电子排布式为________。价层电子共占据____个轨道。(5分)
12.(15分)(1)已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X与Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。
①X元素基态原子的电子排布式为___________________，该元素的化学符号是________。(3分)
②Y元素原子的价层电子轨道表示式为_____________________，该元素的名称是________。(3分)
③已知化合物X2Y3在稀硫酸中可被金属锌还原为XZ3，产物还有ZnSO4和H2O，该反应的化学方程式是______________________________________________________________。
(2)C、N、O、Al、Si、Cu是常见的六种元素。
①Si位于元素周期表第______周期第______族。(2分)
②N的基态原子核外电子排布式为____________________；Cu的基态原子最外层有________个电子。(4分)
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