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第1课时　能层与能级构造原理与电子排布式
素养 目标定位
目标素养
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.通过对核外电子排布规律的分析,了解原子的基态与激发态的含义与关系,能辨识光谱与电子跃迁之间的关系,形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
3.通过原子轨道和电子云模型的学习, 了解核外电子运动状态的描述方法,形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养
4.能结合能量最低原理、泡利原理、洪特规则书写1~36号元素基态原子或离子的电子排布式和轨道表示式,并说明含义
知识概览
课前 基础认知
一、能层与能级
1.能层。
(1)核外电子按　能量　不同分成能层。电子的能层由内向外排序,能层越高,电子的能量越高。
(2)符号:能层序数一、二、三、四、五、六、七,分别用符号　K、L、M、N、O、P、Q　表示。
(3)能量关系:由K能层→Q能层,能量逐渐　升高　。
2.能级。
(1)同一能层的电子,可分成不同能级。能级的符号与最多容纳的电子数如下:
能层 K L M N ……
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f ……
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 ……
(2)任一能层的能级总是从 s 能级开始,能级数等于 该能层序数 。能级的字母代号总是 s 、p 、d 、f ……排序的,字母前的数字是它们所处的能层序数,它们可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1,3,5,7……的 2 倍。
(3)多电子原子中,同一能层各能级的能量,按ns、np、nd、nf……逐渐 升高 。
微判断(1)不同能层的s能级的能量相同。(　　)
(2)同一原子中,2p、3p、4p的能量逐渐升高。(　　)
×
√
×
(3)不同能层中s能级最多所能容纳的电子数是不相同的。
(　　)
微训练1 下列能层的能量按由低到高顺序排列的是(　　)。
A.K、M、N、L
B.M、N、Q、P
C.L、M、N、O
D.M、N、P、O
答案:C
二、基态与激发态　原子光谱
1.基态原子与激发态原子。
(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,它的电子会跃迁到
较高能级,变为激发态原子。
2.原子光谱。
(1)原子光谱的成因及分类。
(2)光谱分析:利用原子光谱上的 特征谱线　来鉴定元素,称为光谱分析。
微训练2
1.对充有氖气的霓虹灯管通电,灯管发出红光。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
答案:A
2.以下所发生的现象与电子的跃迁无关的是(　　)。
答案:D
三、构造原理与电子排布式
1.构造原理。
(1)构造原理示意图:
(2)核外电子填入能级的方式:电子填满了一个能级,开始填入下一个能级,由此构建了元素周期系中各元素的基态原子的电子排布。
2.电子排布式。
从氢到碳的基态原子的电子排布式为:
电子排布式中能级的电子数标注在该能级符号右上角,一般情况下能层低的能级写在左边。如Al的基态原子的电子排布式中各符号、数字的意义为:
3.价电子层。
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)。为了突出化合价与电子排布的关系,有时只要求写价层电子排布式。例如,K的价层电子排布式为4s1,Fe的价层电子排布式为3d64s2。
微思考 电子填入能级时,是否填满了一个能层的所有能级再填充下一个能层
提示:不一定。电子填入K、L、M能层时,填满了K能层后填L能层,填满了L能层后填M能层。但是电子填充了M能层的3s、3p能级后不是填充3d能级,而是填充了4s能级,即没有填满M能层就填入了N能层,出现能级交错现象。
微训练3
1.根据构造原理,试比较下列能级的能量高低(填“>”或“<”)。
(1)2p　　3p　　　4p
(2)4s　　4p　　4d　　　4f
(3)4s　　　3d
(4)6s　　4f　　　5d
<
<
<
<
<
<
<
<
2.根据构造原理,写出下列基态原子的电子排布式:
(1)16S:___________________。
(2)10Ne:___________________。
(3)20Ca:___________________。
(4)11Na:___________________。
1s22s22p63s23p4
1s22s22p6
1s22s22p63s23p64s2
1s22s22p63s1
3.[高考链接](1)(2024河北卷改编)钒原子的价层电子排布式为　　　　　,偏钒酸钙[Ca(VO3)2]中钒元素的化合价为　　　　。
(2)(2024安徽卷改编)2.8 g N2中含有的价层电子总数为____ (设NA为阿伏加德罗常数的值)。
3d34s2
+5价
NA
课堂 重难突破
问题探究
晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片,其原材料是硅。通过专门的工艺可以在晶圆片上刻蚀出数百万甚至上亿的晶体管,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。它们被广泛用于集成电路,如计算机和电视,还有的应用于先进的微波
传输、激光转换系统、医疗诊
断和治疗设备、防御系统和航
天飞机。
(1)硅元素基态原子核外电子总数是多少 硅元素的基态原子核外共有几个能层
提示:硅元素基态原子核外电子数目是14,硅元素基态原子核外有3个能层。
(2)基态硅原子的1s、2s、3s能级中最多容纳的电子数是否相同 它们的能量是否相同
提示:最多容纳的电子数相同,都是2个。它们的能量不同,能层序数越大,对应的能级的能量越高。
归纳总结
1.能层、能级中的数量关系。
(1)任一能层,能级数=该能层序数,且总是从s能级开始。
(2)以s、p、d、f……排序的各能级最多容纳的电子数依次为1,3,5,7……的2倍。
(3)每个能层最多可容纳的电子数是该能层序数(n)的平方的2倍,即2n2。
(4)字母代号相同的不同能层的能级中所容纳的最多电子数相同。如3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数均是10。
2.不同能层中各能级之间能量的大小关系。
(1)不同能层中字母代号相同的能级,能层序数越大,能量越高。如E(1s)(2)同一能层中,各能级之间的能量大小关系是E(s)典型例题
【例1】下列认识正确的是(　　)。
A.各能层的能级数按K、L、M、N顺序分别为1、2、3、4
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.各能层含有的电子数为2n2
答案:A
解析:各能层中的能级数等于其所处的能层序数,即当n=1时,它只有一个s能级;当n=2时,含有两个能级,分别为s、p能级,B、C两项错误。D项,每个能层最多能容纳2n2个电子,但不是一定含有2n2个电子。
【例2】 下列有关能层和能级的叙述正确的是(　　)。
A.M能层有s、p共2个能级,最多能容纳8个电子
B.3d能级最多容纳5个电子,3f能级最多容纳7个电子
C.无论哪一能层的s能级最多容纳的电子数均为2
D.任一能层都有s、p能级,但不一定有d能级
答案:C
解析:A项,M能层有s、p、d共3个能级,最多能容纳18个电子。B项,3d能级最多容纳10个电子,从N能层开始有f能级,最多容纳14个电子,不存在3f能级。C项,每个能层都从s能级开始,且s能级最多容纳2个电子。D项,K能层只有s能级,没有p能级。
问题探究
下图是元素周期表的部分片段。
(1)仔细观察表中的信息,Cr、Cu、Ag等基态原子的价层电子排布是否符合构造原理 怎样正确理解和应用构造原理
提示:根据构造原理,Cr、Cu、Ag等基态原子的价层电子排布应分别为Cr:3d44s2;Cu:3d94s2;Ag:4d95s2。而实际是Cr:3d54s1;Cu:3d104s1;Ag:4d105s1。所以不符合构造原理。在书写基态原子的电子排布式或价层电子排布式时应尊重客观事实,注意理论的适用范围,掌握特例等。
(2)根据构造原理,如何理解原子核外最外层电子数目不可能超过8(只有K层时不超过2)
提示:根据构造原理,当出现d能级时,能量由高到低的顺序为(n+2)s>(n+1)p>nd>(n-1)f>(n+1)s,当n≥3,np能级充满时最多容纳6个电子,多余电子不是填入nd能级中,而是首先形成新能层,填入能量较低的(n+1)s能级中,当(n+1)p填满后,电子填入(n+2)s,因此最外层电子数不可能超过8。
归纳总结
1.构造原理。
(1)电子按照构造原理排布,会使整个原子的能量处于最低状态,原子相对较稳定。绝大多数基态原子的核外电子排布顺序符合构造原理。
(2)从构造原理示意图可以看出,从第三能层开始,不同能层的能级出现能级交错现象。通常,能级交错可以看作填充在能层序数较大的某些能级的电子所具有的能量反而低于填充在能层序数较小的能级的电子所具有的能量的现象,可参照下图理解:
2.基态原子的电子排布式。
(1)无能级交错的基态原子的电子排布式。
按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中,填满了一个能级再填下一个能级。例如:
原子 电子排布式 原子 电子排布式
C 1s22s22p2 Ar 1s22s22p63s23p6
Cl 1s22s22p63s23p5 Ca 1s22s22p63s23p64s2
(2)有能级交错的基态原子的电子排布式。
先将能级按构造原理排列,然后将同一能层的能级放到一起,低能层的能级写在左边。例如26Fe:
先按构造原理排列
→1s22s22p63s23p64s23d6
再将同一能层的
能级放在一起
→1s22s22p63s23p63d64s2
(3)特殊基态原子的电子排布式。
由原子光谱可知,24Cr、29Cu等过渡金属元素基态原子的电子排布式不遵循构造原理模型,需要特别记忆。
基态原子 电子排布式
Cr 1s22s22p63s23p63d54s1
Cu 1s22s22p63s23p63d104s1
3.基态原子的简化电子排布式和价层电子排布式。
为了避免电子排布式过于烦琐,把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分,用相应稀有气体元素符号外加方括号来表示。如基态Na原子的电子排布式为1s22s22p63s1,其第一、第二能层的电子排布与基态Ne原子的电子排布式1s22s22p6相同,可简化为[Ne]3s1;同理基态K原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s1,可简化为[Ar]4s1。
典型例题
【例3】 下列各基态原子或离子的电子排布式错误的是(　　)。
A.Na+:1s22s22p6 B.F:1s22s22p5
C.Cl-:1s22s22p63s23p5 D.As:1s22s22p63s23p63d104s24p3
答案:C
解析:s能级最多可容纳2个电子,p能级最多可容纳6个电子,电子总是从能量低的能层、能级开始排列。C项中基态Cl-应是基态Cl原子得到一个电子的稳定结构,所以基态Cl-的电子排布式应为1s22s22p63s23p6。
【例4】按要求填空:
(1)硼元素基态原子的电子排布式为　　　　　　　　。
(2)氮元素基态原子的价层电子排布式为　　　　　　　。
(3)Se的原子序数为　　　　,基态Se核外M层电子的排布式为　　　　　　　　。
(4)Li3N晶体中氮以N3-存在,基态N3-的电子排布式为　　　　　　　　。
(5)写出基态镓(Ga)原子的简化电子排布式:　　　　　　。
1s22s22p1
2s22p3
34
3s23p63d10
1s22s22p6
[Ar]3d104s24p1
解析:(1)基态硼原子的核外有5个电子,基态硼原子的电子排布式为1s22s22p1。(2)基态氮原子最外层有5个电子,最高能层为L,价层电子排布式为2s22p3。(3)Se与O同主族,Se的原子序数为34,N能层有6个电子,故其M层排满,M层电子的排布式为3s23p63d10。(4)基态氮原子的电子排布式为1s22s22p3,基态氮原子得到3个电子后成为N3-,基态N3-的电子排布式为1s22s22p6。(5)Ga为第四周期第ⅢA族元素,其基态原子的最外层电子排布式为4s24p1,基态镓原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1,简化为[Ar]3d104s24p1。
方法技巧
书写电子排布式的关键是熟悉构造原理,各能级排序由小到大可记为ns<(n-2)f<(n-1)d成果验收站
1.下列符号不符合事实的有(　　)。
①2p2　②2d2　③3f3　④4s4
A.1项 B.2项 C.3项 D.4项
答案:C
2.下列能级按构造原理由小到大顺序排列,正确的是(　　)。
A.2p、3p、3s、3d
B.4s、4p、3d、4d
C.4p、5p、4f、6s
D.1s、2s、3s、3p
答案:D
3.某元素原子的核外电子由3p能级跃迁到3s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
答案:D
4.硅原子的电子排布式由1s22s22p63s23p2转变为1s22s22p63s13p3,下列有关该过程的说法正确的是(　　)。
A.硅原子由基态转变为激发态,这一过程吸收能量
B.硅原子由激发态转变为基态,这一过程释放能量
C.硅原子处于激发态时的能量低于基态时的能量
D.转变后硅原子与基态磷原子的电子层结构相同,化学性质相同
答案:A
5.下列各基态原子的电子排布式正确的是(　　)。
①Be:1s22s12p1　②C:1s22s22p2
③He:1s12s1　④Cl:1s22s22p63s23p5
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
答案:D
6.下列有关原子光谱的说法中,错误的是(　　)。
A.霓虹灯能发出五颜六色的光,发光机理与氢原子光谱形成机理基本相同
B.铯和钕光谱图中有特征的蓝光和红光
C.夜空中五彩缤纷的烟花与原子核外电子的跃迁有关
D.利用光谱仪只能测得原子的发射光谱
答案:D
7.X、Y两元素可形成X2Y3型化合物,则X、Y原子最外层电子排布式可能是(　　)。
①X:3s23p1　Y:3s23p5　②X:2s22p3　Y:2s22p4
③X:3s23p1　Y:3s23p4　④X:3s2　Y:2s22p3
A.②③ B.①② C.①④ D.③④
答案:A
8.根据构造原理写出下列基态原子或离子的核外电子排布式。
(1)X元素基态原子核外M层电子数是L层电子数的一半:
　　　　 。
(2)Y元素基态原子的最外层电子数是次外层电子数的1.5倍:
　　　 　。
(3)基态Ni2+、Fe3+的简化电子排布式分别为　　　、　　　。
1s22s22p63s23p2
1s22s22p1
[Ar]3d8
[Ar]3d5
9.有几种元素的基态粒子核外电子排布式均为1s22s22p63s23p6,其中:
(1)某电中性粒子一般不与其他元素的原子反应,这种粒子的符号是　　　　。
(2)某粒子的盐溶液能使溴水褪色,并出现浑浊,这种粒子的符号是　　　　。
(3)某粒子氧化性很弱,但得到电子后还原性很强,且这种元素的原子最外层有一个电子,这种粒子的符号是　　　　。
(4)某粒子还原性虽弱,但失去电子后氧化性很强,且这种元素的原子得到一个电子即达到稳定结构,这种粒子的符号是
　　　　。
Ar
S2-
K+
Cl-
10.(1)写出下列基态原子的价层电子排布式:
①Na　　　,②Al　　　,③Cl　　　,④Mn　　　,
⑤Br　　　。
3s1
3s23p1
3s23p5
3d54s2
4s24p5
(2)在原子核外的各能级中,能量相近的能级划分为一组,称为能级组,如图。
分析各能级组的特点,可以得出各能级组的通式是
　　　　　　　　　　　　　　　　　。
ns、(n-2)f、(n-1)d、np……

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