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原子结构与性质
第一章　
课程标准要求 学科核心素养
1.能说明微观粒子的运动状态与宏观物体运动特点的差异。
2.能结合能量最低原理、泡利原理、洪特规则书写1～36 号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式,并说明含义。
3.能说出元素电离能、电负性的含义,能描述主族元素第一电离能、电负性变化的一般规律,能从电子排布的角度对这一规律进行解释。能说明电负性大小与原子在化合物中吸引电子能力的关系,能利用电负性判断元素的金属性与非金属性的强弱。 1.宏观辨识与微观探析:能从原子结构视角说明元素的性质递变规律;能根据物质的微观结构说明或预测物质的性质,评估所作说明或预测的合理性。
2.证据推理与模型认知:能说明原子结构等模型建立的重要证据及推理过程;能说出与元素性质有关的主要参数的含义与适用范围;能采用模型、符号等多种方式对物质的结构进行综合表征。
4.能从原子价电子数目和价层电子排布的角度解释元素周期表的分区、周期和族的划分。能列举元素周期律(表)的应用。
5.能说明建构思维模型在人类认识原子结构过程中的重要作用,能论证证据与模型建立及其发展之间的关系。能简要说明原子核外电子运动规律的理论探究对研究元素性质及其变化规律的意义。 3.科学探究与创新意识:体会在对物质微观结构的科学探究中经历基于实验证据建立、优化甚至是重构模型的过程,既需要严谨的科学推理,又需要大胆的科学猜想;认识科学理论是不断创新和发展的,树立对科学本质不懈追求的意识。
第一节　原子结构
第1课时　能层与能级　基态与激发态　构造原理
1.通过认识原子结构与核外电子的排布,能说明能层与能级的关系,描述核外电子的排布规律。2.通过认识基态与激发态的含义与关系,能从电子跃迁的角度解释原子光谱的形成。3.通过学习原子核外电子的能级高低顺序,了解原子核外电子排布的构造原理,并结合构造原理形成核外电子排布式书写的思维模型,能熟练书写1～36号元素的核外电子排布式。
辨析能层与能级
学习任务1
1.能层
(1)含义:核外电子按能量不同分成能层,用符号 、 、 、 、 、
、 ……表示。
(2)序号及符号:能层序号一、二、三、四、五、六、七……分别用K、L、M、N、O、P、Q……表示。
(3)能量关系:能层越高,电子的能量越高,能量的高低顺序为E(K)E(M)K
L
M
N
O
P
Q
2.能级
(1)含义:根据多电子原子中同一能层电子 的不同,将它们分成不同能级。
(2)表示方法。
①任一能层的能级总是从s能级开始。
②每一能级用相应能层的序数和字母s、p、d、f……组合起来表示。
能量
[示例] 1s表示 ,2s表示 ,3d表示 ;n能层的能级按能量由低到高的排列顺序为
等。
第一能层中的s能级
第二能层中的s能级
第三能层中的d能级
ns、np、nd、nf
3.能层、能级与最多容纳的电子数
能层(n) 一 二 三 四 五 六 七 ……
符号 K L M N O P Q ……
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s …… …… …… ……
最多电
子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 …… …… …… ……
2 8 18 32 …… …… …… ……
亨利·莫斯莱和巴克拉首次于X射线吸收研究的实验中发现了电子层。巴克拉把它们称为K、L、M(以英文字母排列)等(最初K和L电子层名为B和A,改为K和L的原因是预留空位给未发现的电子层)。1920年,丹麦科学家玻尔正式提出了构造原理,即从氢开始,随核电荷数递增,新增电子填入原子核外“壳层”的顺序,由此开启了用原子结构解释元素周期律的篇章。5年后,玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”,厘清了核外电子的可能状态。为方便理解,这里的能层可比作是楼层,能级可比作是楼层间的台阶。
探究　能层与能级的数量与能量关系
问题1:一个能层的能级数与能层序数(n)间存在什么关系 如M能层中共有几个能级 分别用什么符号表示 各能级最多容纳的电子数是多少
提示:能层的能级数等于该能层序数;M能层中共有3个能级;分别用3s、3p、3d表示;s能级最多容纳2个电子,p能级最多容纳6个电子,d能级最多容纳10个电子。
问题2:判断第五能层最多可容纳多少个电子,并试用以上能层与能级上填充的最多电子数规律加以解释。
提示:第五能层最多可容纳50个电子,它们分别容纳在5个能级中。5s能级最多容纳2个电子,5p能级最多容纳6个电子,5d能级最多容纳10个电子,5f能级最多容纳14个电子。
问题3:以s能级为例,不同能层的s能级之间的能量有何关系 同一能层不同能级间的能量有何关系
提示:不同能层的s能级的能量关系为E(1s)归纳拓展
能层与能级的数量与能量关系
1.能层就是电子层。
2.任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级数等于该能层序数,即第一能层只有1个能级(1s),第二能层有2个能级(2s和2p),第三能层有3个能级(3s、3p和3d),依次类推。并不是任何能层均含有任何能级。
3.多电子原子中,同一能层不同能级的能量顺序:E(ns)如第四能层中E(4s)归纳拓展
4.不同能层中同一能级,能层序数越大,能量越高。
如E(1s)5.原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数是2n2(n为能层序数),但不一定与实际填充的电子数相同。
6.不同能层中符号相同的能级可容纳的最多电子数相同。例如,1s、2s、3s、4s……能级最多都只能容纳2个电子。
题点一　能层与能级的定义
1.下列能级符号不正确的是(　　)
A.2d B.3p
C.4s D.6f
A
【解析】 第二电子层(L层)只有2s和2p能级,没有2d能级,故A不正确。
2.下列关于能层和能级的认识正确的是(　　)
A.各能层含有的电子数为2n2
B.各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束
C.各能层含有的能级数为n-1
D.无论哪一个能层的s能级,最多容纳的电子数均为2
D
【解析】 各能层最多容纳的电子数是2n2,A项错误;第一、第二、第三能层都没有f能级,B项错误;能层序数等于各能层所含的能级数,C项错误。
题点二　能层与能级的数量与能量关系
3.下列说法正确的是(　　)
A.同一原子中1s、2s、3s电子能量逐渐减小
B.同一原子中2p、3p、4p能级可容纳的最多电子数相同
C.能量高的电子在离核近的区域运动,能量低的电子在离核远的区域运动
D.3d能级最多容纳5个电子,3f能级最多容纳 7个电子
B
【解析】 能级符号相同,能层越大,电子能量越高,所以1s、2s、3s电子的能量逐渐增大,故A错误;同一原子中,2p、3p、4p可容纳的最多电子数相同,都为6,故B正确;能量低的电子在离核近的区域运动,能量高的电子在离核远的区域运动,故C错误;3d能级最多容纳10个电子,从N能层(第四能层)开始有f能级,最多容纳14个电子,不存在3f能级,故D错误。
4.碘是人体中的重要元素,人体缺碘易患甲状腺肿大,请回答下列问题。
(1)碘在元素周期表中的位置是　　　　　　　　　　。
第五周期第ⅦA族
(2)碘原子有　　　　个能层,分别为　　　　　　　　　　　(用相应的符号表示)。
5　
K、L、M、N、O
【解析】 (2)能层即电子层,碘原子一共有5个能层,分别是K、L、M、N、O。
(3)碘原子的结构示意图为　　　　　　,最外电子层有　　　　个电子,这些电子有　　　　个能级,各个能级所容纳的电子数分别为　 。
7　
2　
2、5
【解析】 (3)根据核外电子排布规律可知,碘原子的结构示意图为 ;其最外层有7个电子,这7个电子占有2个能级,分别是5s、5p。
认识基态与激发态、原子光谱
学习任务2
1.基态原子与激发态原子
(1)基态原子:处于 状态的原子。
(2)激发态原子:基态原子 能量,它的电子会跃迁到 能级,变为激发态原子。
(3)基态、激发态相互间转化的能量变化。
最低能量
基态原子 激发态原子
吸收
较高
2.光谱
(1)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 光谱或 光谱,总称原子光谱。
吸收
发射
(2)原子光谱的成因及分类。
吸收光谱
发射光谱
[示例] 若钠原子的一个电子从1s能级跃迁到3p能级,要 能量,因此可观察到 光谱。
吸收
吸收
(3)光谱分析:在现代化学中,常利用原子光谱上的 来鉴定元素,称为光谱分析。
特征谱线
发现第一种太阳元素——氦
1868年8月18日,科学家在观测日全食时发现太阳的光谱线中有一条黄线,并且是单线。而钠元素的光谱线是双线,因此可以确定这条黄线不是钠元素的光谱线。科学家确认这是一种新元素,最初被命名为太阳元素——氦。后来,在地球上也发现了氦元素。
探究　产生光谱现象的原因
问题1:科学家发现的太阳光谱中氦元素的光谱属于吸收光谱还是发射光谱
提示:发射光谱。
问题2:金属的焰色试验中,一些金属元素呈现不同的焰色的原因是什么
问题3:光谱分析法鉴定元素的原理是什么
提示:一种元素有一种原子光谱,一种原子光谱对应着一种元素,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),所以,可以用光谱分析法鉴定元素。
光谱产生的原因与应用
1.光(辐射)是电子跃迁释放能量的重要形式之一。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,将以光的形式释放能量。
2.日常生活中看到的灯光、激光、焰火等可见光,都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
3.电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移),一般在能量相近的能级间发生,而原子得失电子时发生的是化学变化。
归纳拓展
题点一　基态与激发态
1.下列关于同一原子中的基态和激发态的说法错误的是(　　)
A.激发态时的能量比基态时的高
B.激发态时较不稳定
C.由基态转化为激发态的过程中释放能量
D.电子在激发态与基态之间相互跃迁时都会产生原子光谱
C
【解析】 激发态时能量较高,较不稳定,A、B正确;电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时,会吸收能量,产生吸收光谱,反之会产生发射光谱,C错误,D正确。
2.基态与激发态
(1)基态原子:处于　　　　　　　　状态的原子。
(2)基态原子　　　　　,电子跃迁到　　　　　,变为激发态原子。
(3)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　 。
(4)　　　　　是电子跃迁释放能量的重要形式。
最低能量
吸收能量　
较高能级
释放能量
光(辐射)
题点二　原子光谱
3.电子由3d能级跃迁至4p能级时,可通过光谱仪直接摄取(　　)
A.电子的运动轨迹图像 B.原子的吸收光谱
C.电子体积大小的图像 D.原子的发射光谱
B
【解析】 E(3d)4.燃放烟花是我国人民庆祝重要节日的一种方式,如辛弃疾在《青玉案·元夕》中写道“东风夜放花千树,更吹落、星如雨。”下列关于烟花的说法正确的是(　　)
A.烟花的色彩是原子吸收光能产生的
B.烟花的绿色是铜原子核外电子从基态跃迁到激发态所致
C.可以通过加入某些金属化合物使烟花绽放特定的颜色
D.烟花呈现出各种颜色是化学变化
C
【解析】 烟花的色彩是激发态原子释放光能产生的,A错误;烟花的绿色是铜原子核外电子从激发态跃迁到基态所致,B错误;不同金属焰色不同,可以通过加入某些金属化合物使烟花绽放特定的颜色,C正确;烟花呈现出各种颜色是通过焰色试验实现的,焰色试验是物理变化,D错误。
探究构造原理与电子排布式
学习任务3
1.构造原理
(1)构造原理:以光谱学事实为基础,从氢开始,随 递增,新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
核电荷数
能层
能级
电子填
入能级
即电子所排的能级顺序:1s、2s、2p、3s、3p、4s、 、4p、5s、 、5p、6s、 、 、6p、7s……
(2)能级交错:根据构造原理示意图可知,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。
3d
4d
4f
5d
2.电子排布式
(1)含义:将能级上所排布的电子数标注在该能级符号 ,并按照能层从左到右的顺序排列的式子。
(2)表示方法。
右上角
[示例] 书写基态铝原子的电子排布式,并解释各字母、数字代表的意义。
提示:
半导体或芯片是由晶体硅生产的。晶圆片上刻蚀出数以百万甚至上亿的晶体管,通过控制电流来管理数据,形成各种文字、数字、声音、图像和色彩。晶体硅广泛用于集成电路、微波传送、激光转换等领域。
探究　构造原理与电子排布式的书写
问题1:写出基态硅原子的电子排布式及简化的电子排布式,硅元素的原子核外共有多少种不同能级的电子
提示:基态硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2,简写为[Ne]3s23p2,硅元素原子核外有5种不同能级的电子。
问题2:图中3s23p2是硅的何种电子排布式 该排布式与硅元素的化合价之间有何关系
提示:3s23p2是硅的价层电子排布式。元素原子的价层电子排布能体现出元素的主要化合价。
问题3:从元素周期表给出的信息知,Cr和Cu的简化电子排布式分别为[Ar]3d54s1和[Ar]3d104s1,这样的电子排布符合构造原理吗 是根据什么确定其电子排布的
提示:不符合构造原理。是根据Cr、Cu的原子光谱确定的。
1.基态原子电子排布式的书写(以Fe为例)
归纳拓展
(1)按照构造原理写出电子填入能级的顺序 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→
4d→5p→6s……
(2)分析基态原子的核外电子数,根据各能级容纳的电子数填充
电子 基态铁原子的核外电子数为26,电子填充顺序为1s2→2s2→2p6→3s2→3p6→4s2→3d6
(3)去掉空能级,并按能层顺序书写,能量低的能级写在左边,而不是按照构造原理的顺序书写 铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,不能写成1s22s22p63s23p64s23d6
2.简化电子排布式
将电子排布式中内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分,用相应的稀有气体元素符号外加方括号表示的式子称为简化电子排布式;方括号里的符号的意义是该元素上一个周期的惰性气体元素原子电子排布式的结构。
归纳拓展
实例 电子排布式 简化电子排布式
氮 1s22s22p3 [He]2s22p3
钠 1s22s22p63s1 [Ne]3s1
砷 1s22s22p63s23p63d104s24p3 [Ar]3d104s24p3
3.价层电子排布式的书写
主族元素的价层电子是最外层电子;过渡元素的价层电子不仅是最外层电子,还有次外层电子及某些元素倒数第三层电子。如Cl的价层电子排布式为3s23p5;K的价层电子排布式为4s1;Fe的价层电子排布式为3d64s2。
归纳拓展
4.离子核外电子排布式的书写
先写出原子的电子排布式,再根据得失电子情况进行调整。对于主族元素的原子来说,原子失去电子时,一般只失去最外层电子,而过渡元素的原子可能还会进一步失去内层电子;原子得到电子时,一般总是填充到最外层未填满的能级上。如
归纳拓展
5.绝大多数元素的原子核外电子的排布顺序遵循构造原理,但是Cr([Ar]3d54s1)、Cu([Ar]3d104s1)等除外。
题点一　构造原理的理解与应用
1.下列有关构造原理的说法错误的是(　　)
A.原子核外电子填充3p、3d、4s能级的顺序为 3p→4s→3d
B.某基态原子部分核外电子的排布式为3d64s2
C.所有基态原子的核外电子排布都遵循构造原理
D.构造原理中的电子排布能级顺序,实质是各能级能量由低到高的顺序
C
【解析】 根据构造原理ns<(n-2)f<(n-1)d(n-1)d2.比较下列能级的能量大小关系(填“>”“<”或“=”)。
(1)2s　　　　4s;　(2)3p　　　　3d;
(3)3d　　　　4s;　(4)4d　　　　5d;
(5)2p　　　　3s;　(6)4d　　　　5f。
<
<
>
<
<
<
【解析】 由构造原理可知,①同一能层的能级能量高低顺序为ns判断能级能量高低的方法
思维建模
题点二　电子排布式的书写
3.下列电子排布式表示基态原子的核外电子排布的是(　　)
A.1s22s22p63s13p2
B.1s22s22p63s23p63d104s14p1
C.1s22s22p63s23p63d24s1
D.1s22s22p63s23p63d104s24p1
D
【解析】 A表示激发态原子,对应基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p1;
B表示激发态原子,对应基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2;
C表示激发态原子,对应基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d14s2;D项电子排布式满足构造原理,能量最低,表示基态原子。
4.某元素基态原子4s轨道上有1个电子,则该基态原子价层电子排布不可能是(　　)
A.4s1 B.3p34s1
C.3d54s1 D.3d104s1
B
5.按要求填空。
(1)基态B的电子排布式为　　　　　　。
(2)基态N的最外层电子排布式为　　　　。
(3)Se的原子序数为　　　　,其核外M层电子排布式为　　　　　　　。
(4)Li3N晶体中氮以N3-形式存在,N3-的电子排布式为　　　　　　　　。
(5)基态镓(Ga)原子的电子排布式为
　　　　 　　　　　　 　　　　。
1s22s22p1
2s22p3
34　
3s23p63d10
1s22s22p6
1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)
【解析】 基态B的核外有5个电子,电子排布式为1s22s22p1。基态N最外层有5个电子,最高能层数为2,最外层电子排布式为2s22p3。Se与O同主族,原子序数为34,N层有6个电子,故其M层排满,M层电子排布式为3s23p63d10。基态N的电子排布式为1s22s22p3,氮原子得电子变成N3-,其电子排布式为1s22s22p6。Ga为第四周期第ⅢA族元素,故其基态原子的电子排布式为[Ar]3d104s24p1或1s22s22p63s23p63d104s24p1。
知识整合
A为　　　　(写出元素符号,下同),电子排布式是　　　　　　　　;
B为　　　　,简化电子排布式是　　　　　　;
C为　　　　,价层电子排布式是　　　　;
D为　　　　,电子排布式是　　　　　　;
E为　　　　,原子结构示意图是　　　　　　。
Si　
1s22s22p63s23p2　
Na　
[Ne]3s1　
P　
3s23p3　
N　
1s22s22p3　
Fe
【解析】 由题意可知,A为Si,B为Na,C为P,D为N,E为Fe。这五种元素的电子排布式分别为1s22s22p63s23p2、1s22s22p63s1、1s22s22p63s23p3、1s22s22p3、1s22s22p63s23p63d64s2,由电子排布式可写出答案。
命题解密与解题指导
情境解读:以常见元素“位”“构”“性”关系的相互推断为载体,主要考查原子的电子排布式的书写。
素养立意:借助元素“位”“构”“性”关系的推断、电子排布式的书写等,培养证据推理与模型认知素养。
思考点拨:电子排布式的书写,①要依据构造原理来完成;②对于副族元素要注意能级交错;③要注意“价层电子排布”“核外电子排布”的区别;④关注原子电子排布式与离子电子排布式的区别;⑤注意可能涉及的电子排布式的几个特例,例如,Cr:[Ar]3d54s1、Cu:[Ar]3d104s1。

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