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第一章　原子结构与性质
第一节　原子结构
第2课时　构造原理与电子排布式　电子云与原子轨道
一、构造原理与电子排布式
1．构造原理
(1)概念
以_________事实为基础，从___开始，随核电荷数递增，新增电子填入______的顺序称为构造原理。
光谱学
氢
能级
(2)图示
下图为构造原理示意图，图中用小圆圈表示一个______，每一行对应一个______，箭头引导的曲线显示递增电子填入______的顺序。
能级
能层
能级
(3)应用
①按照构造原理，元素的核电荷数每递增一个，同时增加一个_________和一个____________，就得到一个基态原子的电子排布。
②电子填满了一个______，开始填入下一个______，由此构建了元素周期系中各元素的基态原子的电子排布。
核电荷
核外电子
能级
能级
2．电子排布式
(1)含义
电子排布式是指用能级符号及该能级中排布的电子数来表示核外电子排布的式子，能级符号右上角的数字表示该能级的_________。
(2)书写方法
①一般情况下，能层低的能级要写在______，而不是按构造原理顺序写。例如，21Sc的电子排布式中最后两个能级应为__________，不应写成4s23d1。
电子数
左边
3d14s2
②简化电子排布式
电子排布式可以简化，如Na的电子排布式为1s22s22p63s1，可简化为_________。
③价层电子排布式
为突出化合价与电子排布的关系，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)。例如，Fe的简化电子排布式为[Ar]3d64s2，价层电子排布式为___________。
[Ne]3s1
3d64s2
二、电子云与原子轨道
1．电子云
(1)概率密度
①量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的____________上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出其概率密度分布。
线性轨道
概率
体积
概率密度
概率密度分布
②氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布如图1所示：
图中小点是1s电子在原子核外出现的____________的形象描述。小点越密，表明概率密度______。
概率密度
越大
(3)电子云轮廓图
①绘制目的
绘制电子云轮廓图的目的是表示电子云轮廓的______，对核外电子的__________________有一个形象化的简便描述。
②绘制方法
绘制电子云轮廓图时，把电子在原子核外空间出现概率P＝_______的空间圈出来。
形状
空间运动状态
90%
③s电子云
所有原子的任一能层的s电子的电子云轮廓图都是一个______，只是球的半径不同，如图2所示。
球形
④p电子云
p电子云轮廓图是______状的，无论2p、3p还是4p……都有3个相互______的电子云，分别称为px、py、pz，如图3所示。
哑铃
垂直
2.原子轨道
(1)量子力学把电子在原子核外的一个__________________称为一个原子轨道。
(2)各能级所含有原子轨道数目
空间运动状态
◆名师点拨
关于构造原理的理解
(1)构造原理是一个思维模型，是个假想过程，是基于光谱学事实的经验规律。
(2)绝大多数元素的基态原子核外电子排布遵循构造原理，基态原子核外电子排布一定是使整个原子核外电子排布处于能量最低的能级组合。
(3)“能级交错”现象：由构造原理可知，从第三能层(M)开始各能级不完全遵循能层顺序，产生了能级交错排列，即“能级交错”现象，如电子先填充4s能级，后填充3d能级。
◆名师点拨
Cr、Cu电子排布的“异常”
当p、d、f能级处于全空、全充满或半充满状态时，能量相对较低，原子结构较稳定。
如24Cr：
再如：Cu价层电子排布式为3d104s1，而不是3d94s2。
◆概念辨析
电子云、电子云轮廓图和原子轨道的关系
(1)电子云轮廓图是将电子在原子核外空间出现概率P＝90%的空间圈出来而形成的。
(2)原子轨道是电子在原子核外空间运动状态的反映，一个原子轨道就是一个空间运动状态。
◆名师点拨
关于原子轨道的理解
(1)ns能级只有1个原子轨道，有1个伸展方向；np能级有3个原子轨道，有3个伸展方向，相互垂直。
(2)同一能层中，不同能级的原子轨道形状不同，数目不同，能量不同。
(3)同一能层中，形状相同的原子轨道的能量相同，如2px、2py、2pz轨道的能量相同。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)基态氢原子的电子排布式为1s1，故氢原子核外只有1个原子轨道(　　　)
(2)基态铁原子的价层电子排布式为3d64s2 (　　　)
(3)基态硼原子的电子排布式为1s22s22p1，故其空间运动状态有5种(　　　)
×
√
×
探究一__构造原理与电子排布式的书写
2022年诺贝尔化学奖授予卡罗琳·贝尔托齐等三位科学家，以表彰他们对点击化学和生物正交化学的发展所做出的贡献。Cu( Ⅰ )催化叠氮化物和端炔发生环加成反应是点击化学的“明珠”，目前，Cu( Ⅰ )催化和无铜催化下的点击化学均已成为化学生物学的支柱。某点击化学反应的机理如图所示：
[问题设计]
(1)依据构造原理，分别写出基态碳、氮、硫原子的电子排布式。
提示：1s22s22p2；1s22s22p3；1s22s22p63s23p4。
(2)试分别写出基态铜原子的价层电子排布式和基态Cu＋的电子排布式。
提示：3d104s1；1s22s22p63s23p63d10(或[Ar]3d10)。
1．“三步法”书写电子排布式
构造原理是书写原子的电子排布式的依据。
(1)第一步：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)第二步：根据各能级容纳的电子数填充电子。
(3)第三步：去掉空能级，并按照能层顺序排列即可得到电子排布式。
2．离子核外电子排布式的书写
(1)基态原子转化为相应离子时的一般规律
①对于主族元素的原子来说，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。
②原子得到电子时，一般总是填充到最外能层未填满的能级上。
(2)离子电子排布式的书写，可以先写出基态原子的电子排布式，再根据得失电子情况进行调整，如：
【例1】 下列说法错误的是 (　　)
A．根据构造原理，原子核外电子填充顺序为1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p……
B．1s22s12p1是激发态原子的电子排布式
C．基态溴原子的简化电子排布式为[Ar]3d104s24p5
D．基态镁原子的电子排布式为1s22s22p63s2
A
解析：
根据构造原理，原子核外电子填充顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p，A错误；1s22s2为基态原子，1s22s12p1为激发态原子，B正确；基态溴原子核外有35个电子，排布在4个能层上，其简化电子排布式为[Ar]3d104s24p5，C正确；基态镁原子的核外电子数为12，其电子排布式为1s22s22p63s2或[Ne]3s2，D正确。
1．基于构造原理填充顺序，下列原子轨道的能量大小比较，正确的是 (　　)
A．E(4s)＜E(3d) B．E(3s)>E(3p)
C．E(4s)＜E(3p) D．E(2px)＜E(2py)
A
解析：
根据能量顺序1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p＜5s＜4d＜5p＜6s＜4f知，E(4s)＜E(3d)，A正确、C错误；同一能层中，能量从低到高顺序是ns＜np＜nd，所以E(3s)＜E(3p)＜E(3d)，B错误；同一能层的同一能级能量相同，故E(2px)＝E(2py)，D错误。
2．下列各原子或离子的电子排布式错误的是 (　　)
A．Mg2+　1s22s22p6
B．Br 1s22s22p63s23p63d104s24p5
C．O2- 1s22s22p6
D．Cr 1s22s22p63s23p63d44s2
D
解析：
Mg2+电子排布式为1s22s22p6，符合能量最低原理，A正确；Br电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p5，符合能量最低原理，B正确；O2-电子排布式为1s22s22p6，符合能量最低原理，C正确；Cr电子排布式为1s22s22p63s23p63d44s2，不符合能量最低原理，正确的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，D错误。
探究二__原子轨道及核外电子的空间运动状态
金属有机框架(MOFs)经常被用作析氢反应(HER)的光催化剂，2022年12月15日西班牙科学家发表文章，总结了MOFs作为太阳能驱动的光催化剂的用途，旨在克服当前在整体水分解(OWS)中的效率限制。
[问题设计]
(1)试写出基态氧原子的电子排布式，并确定电子占据最高能级原子轨道形状及取向。
提示：1s22s22p4；哑铃形；3个相互垂直的伸展方向。
(2)试分别写出基态Sc、Mn的电子排布式，并判断其核外电子的空间运动状态种类。
提示：Sc：1s22s22p63s23p63d14s2(或[Ar]3d14s2)；11种。
Mn：1s22s22p63s23p63d54s2(或[Ar]3d54s2)；15种。
1．原子轨道及其应用
(1)不同能层中同类能级的原子轨道形状相同，大小不同，与电子的数目无关。
(2)ns、np、nd、nf能级的原子轨道在三维空间的伸展方向分别为1个、3个、5个和7个。
2．核外电子空间运动状态的描述及判断
(1)描述核外电子空间运动状态的“三要素”——能层、能级和原子轨道。
(2)核外电子的空间运动状态种类＝电子占据的原子轨道数目。
【例2】 某基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，下列说法错误的是 (　　)
A．该元素原子1s、2s、3s轨道形状均为球形
B．该元素原子核外有4个能层，M层共有18个电子
C．该元素原子核外电子有15种不同的空间运动状态
D．该元素单质比Zn更活泼
D
解析：
根据基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1推知，该元素的原子序数为29，应为铜元素。原子核外电子的s能级呈球形，只有一个原子轨道，A正确；由电子排布式可知，该元素原子核外有K、L、M、N共计4个能层，M层有2＋6＋10＝18个电子，B正确；ns、np、nd能级含有原子轨道数目分别为1、3和5，结合铜原子电子排布式可知，其核外电子占据原子轨道数为1＋1＋3＋1＋3＋5＋1＝15，故核外电子有15种不同的空间运动状态，C正确；根据金属活动性顺序可知，Zn比Cu活泼，D错误。
3．下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是 (　　)
A．原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动
C．基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2px)＜E(2py)＜E(2pz)
D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径也随能层的增大而增大
D
解析：
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，A错误；s能级的原子轨道为球形，处在该轨道上的电子不仅能在球壳内运动，也可在球壳外运动，只是在球壳外运动概率较小，B错误；p能级的3个原子轨道能量相同，C错误；任何电子层的p能级都有3个原子轨道，且轨道半径随着能层的增大而增大，D正确。
4．下列与原子核外电子排布规律相关的叙述中(n为能层序数)，不正确的是 (　　)
A．基态原子的最外层电子数为奇数的元素均为主族元素
B．根据构造原理，电子填入能级的顺序一般为ns→(n－1)d→np
C．由3d能级有5个轨道可知，周期表中第四周期元素比第三周期元素多10种
D．p能级电子能量不一定高于s能级电子能量
A
解析：
基态原子的最外层电子数为奇数的元素不一定为主族元素，如铜原子最外层有1个电子，Cu是ⅠB族元素，A符合题意；根据构造原理，电子填入能级的顺序一般为ns→(n－1)d→np，B不符合题意；周期表中第四周期有18种元素，第三周期有8种元素，C不符合题意；p能级电子能量不一定高于s能级电子能量，如3s的能量大于2p，D不符合题意。
1．符号“3px”没有给出的信息是 (　　)
A．能层
B．能级
C．电子的自旋取向
D．电子云在直角坐标系的取向
C　
解析：
3px表示原子核外第三能层(电子层) p能级(电子亚层)轨道， 其中p轨道应有3个不同伸展方向的轨道，可分别表示为px、 py、pz，同一个原子轨道中最多含有2个自旋相反的电子，所以从符号“3px”中不能看出电子的自旋方向，C符合题意。
2．下列说法正确的是 (　　)
A．处于最低能量的原子叫做基态原子
B．3p2表示3p能级有两个轨道
C．同一原子中，1s、2s、3s电子的能量相同
D．2p、3p、4p能级的轨道数依次增多
A　
解析：
原子具有的能量越高越不稳定，化学上把处于最低能量的原子叫做基态原子，A正确；3p能级有3个轨道，3p2 表示3p轨道上电子数为2，B错误；能级符号相同，能层数越大，电子能量越高，所以1s、2s、3s电子的能量逐渐增大，C错误；同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数相等，都为3，D错误。
3．(2024·天津四校期末)下列原子或离子的基态电子排布式正确的是 (　　)
A．Ni2+：[Ar]3d8 B．Cu：[Ar]3d94s2
C．S2-：[Ne]2s23p6 D．Si：[Ar]3s23p2
A　
解析：
Ni含有28个核外电子，Ni2+核外有26个电子，则Ni2+的电子排布式为[Ar]3d8，A正确；3d能级处于全充满时具有较低能量，因此Cu基态电子排布式为[Ar]3d104s1，B错误；S2-核外电子数为18，排满3s再排3p，电子排布式为[Ne]3s23p6，C错误；Si原子核外电子数为14，核外电子排布式为[Ne]3s23p2，D错误。
4．下列对核外电子运动状态的描述正确的是 (　　)
A．电子的运动与行星的运动相似，围绕原子核在固定的轨道上高速运转
B．能层序数为3时，有3s、3p、3d、3f四个轨道
C．氢原子只有一个电子，故只有一个原子轨道，不能发生跃迁而产生原子光谱
D．氢原子的1s电子云与氧原子的2s电子云形状相同
D　
解析：
量子力学指出，电子在核外并非在固定的原子轨道上绕核高速运转，而是在核外空间各处都可能出现，A错误；能层序数为3时，有3s、3p、3d三个能级，其中3s能级有1个轨道，3p能级有3个轨道，3d能级有5个轨道，共9个轨道，B错误；氢原子只有一个电子，但有多个空轨道，1s电子可以跃迁到较高能级轨道上，吸收能量而产生原子光谱，C错误；ns电子云的形状相同，都是球形，D正确。
5．某原子的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d54s2，下列说法不正确的是 (　　)
A．该元素原子中共有 25 个电子
B．该元素原子核外有 4 个能层
C．该元素原子共有 7个能级
D．该元素原子 M 能层共有 8 个电子
D　
解析：
该元素原子中共有2＋8＋13＋2＝25个电子，A正确；该原子的能层序数最大值是4，故该元素原子核外有4个能层，B正确；由基态原子的电子排布式可知，该元素原子有1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s共7个能级，C正确；该元素原子M能层共有2＋6＋5＝13个电子，而不是8个电子，D错误。
6．2023年3月15日19时41分，“长征十一号”运载火箭在我国酒泉卫星发射中心点火起飞，随后，将“试验十九号卫星”精准送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。长征2F运载火箭使用偏二甲肼(C2H8N2)作燃料，N2O4作氧化剂。下列说法正确的是 ( 　　)
A．基态氢原子的1s轨道电子云轮廓图为哑铃形
B．基态碳原子核外2s能级和2p能级电子的能量相等
C．基态氧原子的核外电子的运动状态有8种
D．氮原子的电子排布式由1s22s22p3→1s22s22p23s1能释放能量产生吸收光谱
C　
解析：
基态氢原子的1s轨道电子云轮廓图为球形，A错误；基态C原子核外2s能级和2p能级电子的能量不相等，2p能级电子的能量高，B错误；基态O原子核外有8个电子，根据泡利原理，它们的运动状态都不相同，基态O原子的核外电子的运动状态有8种，C正确；3s能级的能量大于2p能级的能量，原子的电子排布式由1s22s22p3→1s22s22p23s1，能量升高，吸收能量产生吸收光谱，D错误。
7．按照下列元素基态原子的电子排布特征判断元素，并回答下列问题。
(1)A原子中只有一个能层且只含1个电子，则A的原子轨道形状为________。
(2)B原子的2p轨道上得到2个电子后不能再容纳外来电子，画出B的原子结构示意图____________。
(3)C原子价层电子排布式为nsn-1npn+1，则C的基态原子核外电子空间运动状态有____种。
(4)D的一种核素的质量数为59，中子数为31，则D2+的核外电子排布式为____________________________________________________。
解析：
(1)A原子中只有一个能层且只含1个电子，则A为H。
(2)B原子的2p轨道上得到2个电子后不能再容纳外来电子，原子核外电子排布式为1s22s22p4，故B为O。
(3)C原子价层电子排布式为nsn-1npn+1，由于s能级最多容纳2个电子，即n－1＝2，则n＝3，C原子价层电子排布式为3s23p4，故C为S。
(4)D的一种核素的质量数为59，中子数为31，其质子数为59－31＝28，故D为Ni。

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