版步步高高三化学一轮复习 第37讲原子结构与性质.docx

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版步步高高三化学一轮复习第37讲原子结构与性质

第37讲　原子结构与性质

考纲要求

　1.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、价电子的排布式和轨道表达式。

2.了解电离能的含义，并能用以说明元素的某些性质。

3.了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。

4.了解电负性的概念，并能用以说明元素的某些性质。

考点一　原子核外电子排布原理

1．能层、能级与原子轨道

（1）能层（n）：

在多电子原子中，核外电子的能量是不同的，按照电子的能量差异将其分成不同能层。

通常用K、L、M、N……表示，能量依次升高。

（2）能级：

同一能层里电子的能量也可能不同，又将其分成不同的能级，通常用s、p、d、f等表示，同一能层里，各能级的能量按s、p、d、f的顺序依次升高，即：

E（s）＜E（p）＜E（d）＜E（f）。

（3）原子轨道：

电子云轮廓图给出了电子在核外经常出现的区域。

这种电子云轮廓图称为原子轨道。

原子轨道

轨道形状

轨道个数

s

球形

1

p

哑铃形

3

特别提醒　第一能层（K），只有s能级；第二能层（L），有s、p两种能级，p能级上有三个原子轨道px、py、pz，它们具有相同的能量；第三能层（M），有s、p、d三种能级。

2．基态原子的核外电子排布

（1）能量最低原理：

即电子尽可能地先占有能量低的轨道，然后进入能量高的轨道，使整个原子的能量处于最低状态。

如图为构造原理示意图，即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图：

注意　所有电子排布规则都需要满足能量最低原理。

（2）泡利原理

每个原子轨道里最多只能容纳2个电子，且自旋状态相反。

如2s轨道上的电子排布为

，不能表示为

。

（3）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，且自旋状态相同。

如2p3的电子排布为

，不能表示为

或

。

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，体系的能量最低，如：

24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1。

3．基态、激发态及光谱示意图

（1）p能级的能量一定比s能级的能量高（×）

（2）同一原子中，2p、3p、4p能级的轨道数依次增多（×）

（3）2p和3p轨道形状均为哑铃形，能量也相等（×）

（4）2px、2py、2pz的能量相等（√）

（5）铁元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d6（×）

（6）Cr的基态原子的简化电子排布式为[Ar]3d44s2（×）

（7）基态原子电子能量的高低顺序为E（1s）＜E（2s）＜E（2px）＜E（2py）＜E（2pz）（×）

（8）电子排布式（22Ti）1s22s22p63s23p10违反了能量最低原则（×）

（9）磷元素基态原子的电子排布图为

（×）

写出下列原子或离子的①电子排布式、②价电子排布图、③电子占的原子轨道数、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______________________________________________________。

答案　

（1）①1s22s22p3　②

　③5　④3

（2）①1s22s22p63s23p5（或[Ne]3s23p5）②

　③9　④1

（3）①1s22s22p63s23p63d6（或[Ar]3d6）②

　③14　④4

（4）①1s22s22p63s23p63d104s1（或[Ar]3d104s1）②

　③15　④1

（5）①1s22s22p63s23p63d104s24p4（或[Ar]3d104s24p4）②

③18　④2

（6）①1s22s22p63s23p63d104s24p6（或[Ar]3d104s24p6）②

　③18　④0

核外电子排布常见错误

（1）在写基态原子的电子排布图时，常出现以下错误：

①

（违反能量最低原理）

②

（违反泡利原理）

③

（违反洪特规则）

④

（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，如Fe：

1s22s22p63s23p63d64s2，而失电子时，却先失4s轨道上的电子，如Fe3＋：

1s22s22p63s23p63d5。

（3）注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、价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；价电子排布式：

3d104s1。

1．

（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________；其价电子排布图为_____________________________________________。

（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，电子排布图为__________________________________________________。

答案　

（1）N　

（2）Cl　

（3）Fe　1s22s22p63s23p63d64s2（或[Ar]3d64s2）　

（4）Cu　1s22s22p63s23p63d104s1（或[Ar]3d104s1）

（5）2　2p　

2．M、R、X、Y为原子序数依次增大的短周期主族元素，Z是一种过渡元素。

M基态原子L层中p轨道电子数是s轨道电子数的2倍，R是同周期元素中最活泼的金属元素，X和M形成的一种化合物是引起酸雨的主要大气污染物，Z的基态原子4s和3d轨道半充满。

请回答下列问题：

（1）写出M、R的价电子排布式：

M________、R___________________________________。

（2）写出X、Y的价电子排布图：

X__________________________________________________、

Y________________。

（3）写出Z的核外电子排布式：

____________________________________________________，

Z的核外未成对电子数为________。

答案　

（1）2s22p4　3s1

（2）

（3）1s22s22p63s23p63d54s1或[Ar]3d54s1　6

解析　根据题目给出的M、R和X的信息确定，M是氧元素，R是钠元素，X是硫元素。

根据M、R、X、Y为原子序数依次增大的短周期主族元素确定Y是氯元素。

根据Z的基态原子4s和3d轨道半充满，则Z元素原子的核外有24个电子，是铬元素。

考点二　原子结构与周期表、元素性质的关系

1．原子结构与周期表的关系

（1）原子结构与周期表的关系（完成下列表格）

周期

能层数

每周期第一个元素

每周期最后一个元素

原子序数

基态原子的简化电子排布式

原子序数

基态原子的电子排布式

二

2

3

[He]2s1

10

1s22s22p6

三

3

11

[Ne]3s1

18

1s22s22p63s23p6

四

4

19

[Ar]4s1

36

1s22s22p63s23p6

3d104s24p6

五

5

37

[Kr]5s1

54

1s22s22p63s23p63d10

4s24p64d105s25p6

六

6

55

[Xe]6s1

86

1s22s22p63s23p63d104s24p6

4d104f145s25p65d106s26p6

（2）每族元素的价层电子排布特点

①主族

主族

ⅠA

ⅡA

ⅢA

ⅣA

排布特点

ns1

ns2

ns2np1

ns2np2

主族

ⅤA

ⅥA

ⅦA

排布特点

ns2np3

ns2np4

ns2np5

②0族：

He：

1s2；其他ns2np6。

③过渡元素（副族和第Ⅷ族）：

（n－1）d1～10ns1～2。

（3）元素周期表的分区与价电子排布的关系

①周期表的分区

②各区外围电子排布特点

分区

外围电子排布

s区

ns1～2

p区

ns2np1～6

d区

（n－1）d1～9ns1～2（除钯外）

ds区

（n－1）d10ns1～2

f区

（n－2）f0～14（n－1）d0～2ns2

2.原子半径

（1）影响因素

（2）变化规律

元素周期表中的同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小；同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大。

3．电离能

（1）第一电离能：

气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量，符号：

I1，单位：

kJ·mol－1。

（2）规律

①同周期：

第一种元素的第一电离能最小，最后一种元素的第一电离能最大，总体呈现从左至右逐渐增大的变化趋势。

②同族元素：

从上至下第一电离能逐渐减小。

③同种原子：

逐级电离能越来越大（即I1＜I2＜I3…）。

4．电负性

（1）含义：

元素的原子在化合物中吸引键合电子能力的标度。

元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强。

（2）标准：

以最活泼的非金属氟的电负性为4.0作为相对标准，计算得出其他元素的电负性（稀有气体未计）。

（3）变化规律

金属元素的电负性一般小于1.8，非金属元素的电负性一般大于1.8，而位于非金属三角区边界的“类金属”（如锗、锑等）的电负性则在1.8左右。

在元素周期表中，同周期从左至右，元素的电负性逐渐增大，同主族从上至下，元素的电负性逐渐减小。

5．对角线规则

在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的，如

。

（1）价电子排布为5s25p1的元素位于第五周期ⅠA族，是s区元素（×）

（2）电负性大的元素非金属性强（√）

（3）主族元素的电负性越大，元素原子的第一电离能一定越大（×）

（4）在元素周期表中，同周期主族元素电负性从左到右越来越大（√）

（5）在形成化合物时，电负性越小的元素越容易显示正价（√）

（6）第一电离能：

O＞N（×）

（7）正三价阳离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5的元素在周期表中位于Ⅷ族（√）

（8）价电子排布式为4s24p3的元素位于第四周期ⅤA族，是p区元素（√）

（1）第三周期所有元素的第一电离能（I1）大小顺序为_________________________________（用元素符号表示）。

（2）Na的逐级电离能中有________次突跃。

分别是哪级电离能发生突跃？

________、________。

（3）C、N、O、F的电负性大小顺序为________________，第一电离能大小顺序为____________。

（4）F、Cl、Br、I的第一电离能大小顺序为____________________________________________，

电负性大小顺序为________________。

答案　

（1）Na＜Al＜Mg＜Si＜S＜P＜Cl＜Ar

（2）2　I2≫I1　I10≫I9

（3）C＜N＜O＜F　C＜O＜N＜F

（4）F＞Cl＞Br＞I　F＞Cl＞Br＞I

1．（2018·江西省景德镇模拟）根据下列五种元素的第一至第四电离能数据（单位：

kJ·mol－1），回答下列各题：

元素代号

I1

I2

I3

I4

Q

2080

4000

6100

9400

R

500

4600

6900

9500

S

740

1500

7700

10500

T

580

1800

2700

11600

U

420

3100

4400

5900

（1）在周期表中，最可能处于同一族的是________。

A．Q和RB．S和T

C．T和UD．R和T

E．R和U

（2）下列离子的氧化性最弱的是________。

A．S2＋B．R2＋

C．T3＋D．U＋

（3）下列元素中，化学性质和物理性质最像Q元素的是________。

A．硼B．铍C．氦D．氢

（4）每种元素都出现相邻两个电离能的数据相差较大的情况，这一事实从一个侧面说明：

________________________________________________________________________，如果U元素是短周期元素，你估计它的第2次电离能飞跃数据将发生在失去第______个电子时。

（5）如果R、S、T是同周期的三种主族元素，则它们的原子序数由小到大的顺序是__________，其中________元素的第一电离能异常高的原因是____________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）E　

（2）D　（3）C（4）电子分层排布，各能层能量不同　10（5）R＜S＜T　S　S元素的最外层电子处于s能级全充满状态，能量较低，比较稳定，失去第一个电子吸收的能量较多

解析　

（1）根据电离能的变化趋势知，Q为稀有气体元素，R为第ⅠA族元素，S为第ⅡA族元素，T为第ⅢA族元素，U为第ⅠA族元素，所以R和U处于同一主族。

（2）由于U＋为第ⅠA族元素且比R电离能小，所以U＋的氧化性最弱。

（3）由于Q是稀有气体元素，所以氦的物理性质和化学性质与其最像。

（4）电离能的突跃变化，说明核外电子是分层排布的。

若U是短周期元素，则U是Na，其核外电子排布式为1s22s22p63s1，由于2s22p6所处能层相同，所以它的第2次电离能飞跃数据发生在失去第10个电子时。

（5）同一周期，第一电离能呈增大趋势，但ⅡA、ⅤA族比相邻元素要高，因为其最外层电子呈全充满或半充满结构。

2．根据信息回答下列问题：

不同元素的原子在分子内吸引电子的能力大小可用数值表示，该数值称为电负性。

一般认为：

如果两个成键原子间的电负性差值大于1.7，原子之间通常形成离子键；如果两个成键原子间的电负性差值小于1.7，通常形成共价键。

下表是某些元素的电负性值：

元素符号

Li

Be

B

C

O

F

Na

Al

Si

P

S

Cl

电负性值

1.0

1.5

2.0

2.5

3.5

4.0

0.9

1.5

1.8

2.1

2.5

3.0

（1）根据对角线规则，Be、Al元素最高价氧化物对应水化物的性质相似，它们都具有________性，其中Be（OH）2显示这种性质的离子方程式是________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

（2）通过分析电负性值的变化规律，确定Mg元素的电负性值的最小范围________________。

（3）请归纳元素的电负性和金属性、非金属性的关系是__________________________________

________________________________________________________________________。

（4）推测AlF3、AlCl3、AlBr3是离子化合物还是共价化合物：

AlF3__________________，AlCl3________________________________________________________________________，

AlBr3________________。

答案　

（1）两　Be（OH）2＋2H＋===Be2＋＋2H2OBe（OH）2＋2OH－===BeO

＋2H2O

（2）0.9～1.5

（3）非金属性越强，电负性越大；金属性越强，电负性越小

（4）离子化合物　共价化合物　共价化合物

3．（2017·青岛模拟）已知：

A～F都是周期表中前四周期的元素，它们的原子序数依次增大。

其中A、C原子的L层有2个未成对电子。

D与E同主族，D的二价阳离子与C的阴离子具有相同的电子层结构。

F3＋的M层3d轨道电子为半充满状态。

请根据以上信息，回答下列问题：

（1）A、B、C的电负性由小到大的顺序为____________（用元素符号表示）。

（2）D元素的原子核外共有________种不同运动状态的电子、________种不同能级的电子。

（3）写出E的基态原子的电子排布式：

_______________________________________________。

（4）F和X（质子数为25）两元素的部分电离能数据列于下表：

比较两元素的I2、I3可知，气态X2＋再失去一个电子比气态F2＋再失去一个电子难。

对此，你的理解是__________________

________________________________________________________________________。

元素

X

F

电离能/kJ·mol－1

I1

717

759

I2

1509

1561

I3

3248

2957

答案　

（1）C＜N＜O

（2）12　4

（3）1s22s22p63s23p64s2

（4）Mn2＋的3d轨道电子排布为半充满状态，较稳定

1．（高考组合题）

（1）[2017·全国卷Ⅱ，35

（1）]氮原子价层电子的轨道表达式（电子排布图）为________。

（2）[2017·全国卷Ⅰ，35

（1）

（2）]①元素K的焰色反应呈紫红色，其中紫色对应的辐射波长为________nm（填标号）。

A．404.4B．553.5

C．589.2D．670.8

E．766.5

②基态K原子中，核外电子占据的最高能层的符号是____________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为____________。

（3）[2016·全国卷Ⅰ，37

（1）]基态Ge原子的核外电子排布式为[Ar]________，有________个未成对电子。

（4）[2016·全国卷Ⅱ，37

（1）]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________。

（5）[2015·全国卷Ⅰ，37

（1）]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。

（6）[2014·新课标全国卷Ⅰ，37

（2）]基态Fe原子有________个未成对电子。

Fe3＋的电子排布式为________________________。

（7）[2013·新课标全国卷Ⅰ，37

（1）]基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为______，该能层具有的原子轨道数为________、电子数为________。

答案　

（1）

（或

）

（2）①A　②N　球形

（3）3d104s24p2　2

（4）1s22s22p63s23p63d84s2（或[Ar]3d84s2）　2

（5）电子云　2

（6）4　1s22s22p63s23p63d5（或[Ar]3d5）

（7）M　9　4

2．（高考组合题）

（1）[2017·全国卷Ⅱ，35

（2）]元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能（E1）。

第二周期部分元素的E1变化趋势如图所示，其中除氮元素外，其他元素的E1自左而右依次增大的原因是__________________________

________________________________________________________________________；氮元素的E1呈现异常的原因是_________________________________________________