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第24讲　原子结构　核外电子排布
第六章　物质结构与性质
复习要点　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排布式、 价层电子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
考点 　原子结构　核素　同位素
1. 原子的构成
（1）原子的构成
（2）原子的表示方法
（3）微粒之间的关系
①原子
②离子
a.阳离子的核外电子数＝ －所带电荷数。
b.阴离子的核外电子数＝ ＋所带电荷数。
质子数
质子数
2. 元素、核素、同位素的比较
（1）元素、核素、同位素的概念及相互关系
①同位素的特征：同一元素的各种核素的中子数不同，质子数相同，化学性质几乎完 全相同，物理性质差异较大；同一元素的各种稳定核素在自然界中所占的原子百分数 （丰度）不变。
②同位素之间的转化，既不是物理变化也不是化学变化，是核反应。
（2）元素、核素、同位素的理解
T
氚
（4）几种重要核素的用途
用途 核燃料 考古断代 制氢弹 示踪原子
题组一　微粒中“粒子数”的确定
A. 10n表示一个质子
C
题组二　“四素”的辨析
（2）互为同素异形体的微粒是 。
（4）上述9种微粒中有 种核素，含有 种元素。
核素
同位素
30
24
5
5
解题感悟
“四素”概念的区别和联系
考点2
考点 　原子核外电子排布原理
1. 核外电子运动状态
（1）能层与能级
①能层（n）
核外电子按能量不同分成能层。通常用K、L、M、N……表示，能量依次 。
②能级
同一能层电子的能量也可能不同，又将其分成不同的能级，通常用 表示。
升高
s、p、d、f
（2）电子云和原子轨道
①电子云：核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。
②原子轨道
核外电子按能量不同分成能层，同一能层的电子，还被分成不同能级。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。
（3）能层、能级、原子轨道和容纳电子数之间的关系及能量高低
①能层、能级、原子轨道和容纳电子数之间的关系
能层（n） 一 二 三 四
能层符号 K L
能级符号 1s 2s 2p
各能级原子轨道数 1 1 3
各能层原子轨道数 1 4
最多容纳电子数 2 8
M
N
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
1
3
5
1
3
5
7
9
16
18
32
②规律
a.原子轨道数＝n2（n为能层数）。
b.形状：s轨道：球形；p轨道：哑铃形。
c.伸展方向数目：s、p、d、f分别为1、3、5、7。
③能量高低
a.相同能层上原子轨道能量：ns＜np＜nd＜nf…
b.形状相同的原子轨道能量：1s＜2s＜3s＜4s…
c.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npx、npy、npz 轨道（简并轨道）的能量相等。
（4）电子的自旋：电子的自旋状态有两种。
2. 基态原子核外电子的排布规律
（1）核外电子在各电子层的排布规律
电子层数（n） 1 2 3 4 5 6 7
符号 K L M N O P Q
能量规律
数量规律 ①每层最多容纳的电子数为 ；
②最外层电子数不超过 （K层为最外层时电子数不超 过 ）；
③次外层电子数不超过18，倒数第三层不超过32
2n2
8
2
（2）基态原子核外电子在原子轨道上的填充顺序——构造原理（规律：ns＜（n－ 2）f＜（n－1）d＜np）
（3）基态原子核外电子排布原则
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，体系的能量较低，如：24Cr的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d54s1。
（4）原子核外电子排布表示方法
表示方法 举例
原子结构示意图
电子排布式 Cr：
简化电子排布式 Cu：［Ar］3d104s1
价层电子排布式 Fe：
轨道表示式
3d64s2
1s22s22p63s23p63d54s1
（5）基态原子核外电子排布式的书写模板及注意事项（以Cr为例）
①明确原子的核外电子数：Cr的原子序数为24，核外有24个电子。
②根据构造原理中的能级填充顺序及每个能级最多容纳的电子数，依次填充电子： 1s22s22p63s23p64s23d4。
③验证是否符合洪特规则特例，若符合，则调整最后两个能级上填充的电子数： 1s22s22p63s23p64s13d5。
④将相同能层的能级写在一起：1s22s22p63s23p63d54s1。
⑤简写方法：把与稀有气体元素原子结构相同的部分内层电子用相应稀有气体元素的 符号外加方括号的形式来表示。如：［Ar］3d54s1。
3. 电子的跃迁与原子光谱
（1）电子的跃迁
（2）不同元素原子的电子发生跃迁时会 或 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。
吸收
释放
题组一　能层、能级及原子轨道
1. 按要求填空。
（1）基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为 形。
解析：（1）基态S原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，最高能级为3p，其电子 云轮廓图为哑铃形。
（2）基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是 ，占据该能层电子的电子 云轮廓图为 形。
解析：（2）基态K原子占据K、L、M、N四个能层，其中能量最高的是N能层。N能 层上为4s电子，电子云轮廓图为球形。
哑铃
N
球
（3）处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用 形象化描述。在基态14C原子中，核外存在 对自旋相反的电子。
解析：（3）电子在原子核外出现的概率密度分布通常用电子云来形象化描述，基态 14C原子的电子排布图为 ，所以其基态原子中，核外存在2对自旋相 反的电子。
电子云
2
（4）基态Co原子核外电子排布式为 。 元素Mn与O中，第一电离能较大的是 ，基态原子核外未成对电子数较多的 是 。
解析：（4）Co是27号元素，其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或 ［Ar］3d74s2；元素Mn与O中，由于O是非金属元素而Mn是金属元素，所以O的第一 电离能大于Mn的；基态O原子核外电子排布式为1s22s22p4，其核外未成对电子数是 2，而基态Mn原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2，其核外未成对电子数是 5，因此Mn的基态原子核外未成对电子数比O的多。
（5）镍元素基态原子的电子排布式为 ， 3d能级上的未成对电子数为 。
1s22s22p63s23p63d74s2（或［Ar］3d74s2）
O
Mn
1s22s22p63s23p63d84s2（或［Ar］3d84s2）
2
题组二　核外电子排布规律的应用
2. （双选）（2025 浙江1月）关于ⅤA族元素原子结构的描述，下列说法正确的 是 （填字母）。
A. 基态P原子3p轨道上的电子自旋方向相同
B. As3＋的最外层电子数为18
C. P3＋的半径小于P5＋的半径
D. 电子排布为［Ne］3s13p4的P原子处于激发态
AD
解析：基态P原子价电子排布式为3s23p3，根据洪特规则，3p轨道上的3个电子自旋方 向相同，A正确；基态As原子价电子排布式为4s24p3，基态As3＋的价电子排布式为 4s2，最外层电子数为2，B错误；P3＋比P5＋多一个电子层，所以P3＋的半径大于P5＋的 半径，C错误；基态P原子的电子排布式为［Ne］3s23p3，故电子排布为［Ne］3s13p4 的P原子中3s轨道上的1个电子跃迁到3p轨道，处于激发态，D正确。
3. （1）基态F原子核外电子的运动状态有 种。
解析：（1）基态F原子共有9个核外电子，则每个电子都有对应的运动状态，所以核 外电子的运动状态有9种。
（2）基态Ti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。
解析：（2）基态Ti原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，价层电子排布式为 3d24s2；s轨道有1种空间运动状态，p轨道有3种空间运动状态，d轨道有5种空间运动 状态，3d轨道只有2个电子，有2种空间运动状态，因此基态Ti原子的核外电子的空间 运动状态有12种；核外有22个电子，有22种运动状态。
9
3d24s2
12
22
解题感悟
核外电子运动状态数目的判断
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。
题组三　“两原理、一规则”书写轨道表示式（或电子排布式）
4. （1）（2024 安徽化学）基态Ni原子价层电子排布式为 。
（2）（2024 浙江1月选考）基态Cr2＋的简化电子排布式： 。
（3）（2024 全国甲卷）ⅣA族元素基态原子核外未成对电子数为 ，在与其他 元素形成化合物时，呈现的最高化合价为 。
（4）（2023 北京化学）基态S原子价层电子排布式是 。
（5）（2023 浙江6月选考）基态N原子的价层电子排布式是 。
（6）（2023 全国乙卷）基态Fe原子的价层电子排布式为 。
3d84s2
［Ar］3d4
2
＋4
3s23p4
2s22p3
3d64s2
解题感悟
核外电子排布常见错误及注意事项
（1）书写基态原子的轨道表示式时常出现的错误
① （违反能量最低原理）。
② （违反泡利原理）。
③ （违反洪特规则）。
（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，即将能层低的能级写在前，而不能按填充顺序 写，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2。
（3）注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价层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； 价层电子排布式：3d104s1。
限时跟踪检测
限时跟踪检测（二十四）　原子结构　核外电子排布
A. Mc原子的质子数为115
B. 287Mc与288Mc互为同素异形体
D. Mc元素位于元素周期表中第ⅥA族
A
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“泡利不相容”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
D
解析：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；任何能层的p能级都有3个原子轨道，与能层数无关，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。
B. 基态O2－的价电子轨道表示式：
C. 镁原子最外层电子的电子云轮廓图：
D. 基态As原子的简化电子排布式为［Ar］4s24p3
B
A. 6027Co原子的电子数比中子数多6
B. 上述方程式中A为60、Z为28
D. 上述衰变过程属于分解反应
B
A. 电子排布式为1s22s22p63s23p1的元素，其价态为＋3价时最稳定
B. 在同一能级上运动的电子，其运动状态肯定不同
C. 碳原子核外能量最高的电子云轮廓图如图所示
D. 钠原子由1s22s22p63p1→1s22s22p63s1时，吸收能量，由激发态转化成基态
D
解析：电子排布式为1s22s22p63s23p1的元素是Al，其最外层有3个电子，易失去最外 层的3个电子达到8电子稳定结构，所以铝元素的价态为＋3价时最稳定，A项正确； 在同一能级上运动的电子，其自旋状态不同，故其运动状态肯定不同，B项正确；碳 原子核外能量最高的电子为2p能级上的电子，电子云轮廓图为哑铃形，C项正确；钠 原子由1s22s22p63p1→1s22s22p63s1时，由激发态转化成基态，放出能量，D项错误。
A. 基态Fe原子的价层电子排布式为3d64s2
B. Cu的基态原子核外电子共有15种不同的运动状态
C. S的基态原子的轨道表示式为
D. 4f、4s、3d原子轨道的能量关系：E（4f）＞E（4s）＞E（3d）
A
解析：Fe的原子序数为26，基态Fe原子的电子排布式为［Ar］3d64s2，因此基态 Fe原子的价层电子排布式为3d64s2，故A正确；Cu的原子序数为29，原子核外有29 个电子，所以基态Cu原子核外电子共有29种不同的运动状态，故B错误；基态S原子 的轨道表示式为 ，故C错误；由原子轨道能量的高
低顺序：1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p＜5s＜4d＜5p＜6s＜4f……可知， 4f、4s、3d原子轨道的能量关系为E（4f）＞E（3d）＞E（4s），故D错误。
A. 简单氢化物的稳定性：Z＞W
B. 上述元素均位于元素周期表的p区
C. 第一电离能：M＞W
D. 基态原子核外电子的空间运动状态数：Y＜Z
A
解析：火药的主要成分为硝酸钾、碳粉和硫粉，X、Y、Z、W、M是原子序数依 次增大的五种元素，X的一种核素可用于考古，则X为C元素；Z和W位于元素周 期表同一主族，则Y为N元素、Z为O元素、W为S元素；M的基态原子价层s轨道 上有1个未成对电子，则M为K元素。同主族元素，从上到下非金属性依次减 弱，简单氢化物的稳定性依次减弱，则水的稳定性强于硫化氢，故A正确；钾元 素的原子序数为19，基态原子价电子排布式为4s1，处于元素周期表s区，故B错 误；同周期元素，从左到右第一电离能呈增大趋势，同主族元素，从上到下第 一电离能依次减小，则钾元素的第一电离能小于硫元素，故C错误；氮元素、氧 元素的原子序数分别为7、8，基态原子的电子排布式分别为1s22s22p3、 1s22s22p4，原子核外电子的空间运动状态数都为5，故D错误。
A. M为Fe
B. 简单氢化物的沸点：Z＜W
C. 电负性：W＞Z＞X＞Y
D. Z和W形成的化合物是直线形分子
B
解析：已知X原子半径在短周期元素原子中最大，则X为Na；Y离子在第三周期元素 形成的简单离子中半径最小，则Y为Al；Z的基态原子有8个原子轨道填充了电子，且 有2个未成对电子，则Z的电子排布式为1s22s22p63s23p2，Z为Si；W基态原子核外有5 种不同空间运动状态的电子，且s轨道上的电子总数和p轨道上的电子总数相等，则其 电子排布式为1s22s22p4，其为O；X、Y的原子序数之和等于M的原子序数，则M的原 子序数为11＋13＝24，其为Cr。从而得出W、X、Y、Z、M分别为O、Na、Al、Si、 Cr。M为Cr，A不正确；Z、M分别为Si、O，它们的简单氢化物分别为SiH4、H2O， H2O分子间能形成氢键，则简单氢化物的沸点：SiH4＜H2O，B正确；W、X、Y、Z分 别为O、Na、Al、Si，O、Si为非金属，非金属性：O＞Si，Na、Al为金属，金属性： Na＞Al，元素的非金属性越强，电负性越大，则电负性：O＞Si＞Al＞Na，C不正 确；Z和W形成的化合物是SiO2，为共价晶体，D不正确。
A. ①②③ B. ②④⑥ C. ④⑤⑥ D. ③④⑥
B
解析：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，而且自旋方向相同。泡利原理：在一个原子轨道里，最多容纳2 个电子，且自旋方向相反。①符合洪特规则和泡利原理，不符合题意；②违背洪特规 则，符合题意；③违背泡利原理，不符合题意；④违背洪特规则，符合题意；⑤符合 洪特规则和泡利原理，不符合题意；⑥违背洪特规则，符合题意；综上所述，选项B 符合题意。
元素 元素性质或原子结构
X 原子核外s能级上的电子总数与p能级上的电子总数相等，但第一电离能低 于同周期相邻元素
Y 原子核外s能级上的电子总数与p能级上的电子总数相等，但第一电离能高 于同周期相邻元素
Z 其价层电子中，在不同形状的原子轨道中运动的电子数相等
N 只有一个未成对电子
B
A. 原子半径：Z＞Y＞X
B. 元素的电负性：X＞N＞Z
C. 元素的第一电离能：Z＞N＞Y
D. X的基态原子的电子轨道表示式：
解析：由题意分析可知，X、Y、Z、N分别为O、Mg、Si、Cl。原子半径大小为 Mg＞Si＞O，故A错误；电负性大小为O＞Cl＞Si，故B正确；元素的第一电离能 大小为Cl＞Si＞Mg，故C错误；O的基态原子的轨道表示式为
故D错误。
11. （2026 河北承德模拟）如图是s能级和p能级的原子轨道图，试回答下列问题：
（1）s轨道的电子云轮廓图呈 形，每个s能级有 个原子轨道；p能级的 原子轨道呈 形，每个p能级有 个原子轨道。
解析：（1）s轨道的电子云轮廓图为球形；每个s能级有1个原子轨道；p能级的原子 轨道呈哑铃形，每个p能级有3个原子轨道。
球
1
哑铃
3
（2）元素X的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn＋1，原子中能量最高的是 能级的电子，其电子云在空间有 个伸展方向。
解析：（2）np能级上已填充电子，说明ns能级已经排满电子，故n＝2，元素X的基 态原子核外电子排布式为1s22s22p3，原子中能量最高的是2p能级的电子，其电子云在 空间有3个相互垂直的伸展方向。
2p
3
（3）下列原子或离子的电子排布式或轨道表示式正确的有 （填序号）。
①K＋：1s22s22p63s23p6
②F：1s22s23p5
③P：
④Cu：1s22s22p63s23p63d94s2
⑤Fe2＋：1s22s22p63s23p63d6
⑥Mg：1s22s22p63s2
⑦O：
①⑤⑥
解析：（3）①K＋核外有18个电子，核外电子排布式为1s22s22p63s23p6，正确；②3p 能级能量比2p能级高，应是2p能级填充5个电子，错误；③3p能级应是3个电子优先单 独占据1个轨道，且自旋方向相同，错误；④应满足洪特规则特例，核外电子排布式 为1s22s22p63s23p63d104s1，错误；⑤原子形成阳离子先失去最外层的电子，Fe2＋的核 外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，正确；⑥符合能量最低原理，正确；⑦同一轨道 中2个电子自旋方向应相反，错误。
12. （2026 广东模拟）有四种短周期元素，它们的结构、性质等信息如表所述：
元素 结构、性质等信息
A 是短周期中（除稀有气体外）原子半径最大的元素，该元素的某种合金是 原子反应堆的导热剂
B B与A同周期，其最高价氧化物对应的水化物呈两性
C 元素的气态氢化物极易溶于水，可用作制冷剂
D 是海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生 产过程中常用的消毒杀菌剂
请根据表中信息填空：
（1）A原子的核外电子排布式是 。
1s22s22p63s1
（2）B元素在元素周期表中的位置是 ，离子半径：B （填“大于”或“小于”）A。
（3）C原子的轨道表示式是 　 　，
其原子核外有 个未成对电子，能量最高的电子为 轨道上的电子，其轨道 呈 形。
第三周期第ⅢA族
小于
3
2p
哑铃
元素 结构、性质等信息
A 是短周期中（除稀有气体外）原子半径最大的元素，该元素的某种合金是 原子反应堆的导热剂
B B与A同周期，其最高价氧化物对应的水化物呈两性
C 元素的气态氢化物极易溶于水，可用作制冷剂
D 是海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生 产过程中常用的消毒杀菌剂
（4）D原子的核外电子排布式为 ，D－的结构 示意图是 　 　。
（5）B的最高价氧化物对应的水化物与A的最高价氧化物对应的水化物反应的化学方 程式为 ，与D的氢化物的水溶液反应的 化学方程式为 。
1s22s22p63s23p5（或［Ne］3s23p5）
元素 结构、性质等信息
A 是短周期中（除稀有气体外）原子半径最大的元素，该元素的某种合金是 原子反应堆的导热剂
B B与A同周期，其最高价氧化物对应的水化物呈两性
C 元素的气态氢化物极易溶于水，可用作制冷剂
D 是海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生 产过程中常用的消毒杀菌剂

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