学年高中化学专题2第1单元原子核外电子的运动第2课时原子核外电子的排布教案苏教版选修3.docx
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学年高中化学专题2第1单元原子核外电子的运动第2课时原子核外电子的排布教案苏教版选修3
第2课时 原子核外电子的排布
[核心素养发展目标] 1.从微观层面理解原子的组成及结构,了解核外电子的排布规则,培养宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.能结合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则书写和说明1~36号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表示式,发展证据推理与模型认知的学科核心素养。
一、核外电子的排布原理
1.能量最低原理
(1)能量最低原理
原子核外电子先占据能量低的轨道,然后依次进入能量高的轨道,这样使整个原子处于最低的能量状态。
(2)基态原子的核外电子在原子轨道上的排列顺序:
随着原子核电荷数的递增,绝大多数元素的原子核外电子排布遵循下列顺序:
①电子所排的轨道顺序:
1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……,这是从实验得到的规律,适用于大多数基态原子的核外电子排布。
②由上图可知,各轨道的能量高低顺序,可由下列公式得出:
ns<(n-2)f<(n-1)d 2.泡利不相容原理 (1)内容: 每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋状态不同的电子。 (2)根据泡利不相容原理,可以获得以下几个重要结论: ①每一种运动状态的电子只能有一个。 ②由于每一个原子轨道包括两种运动状态,所以每一个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。 ③因为s,p,d,f轨道的原子轨道数分别为1,3,5,7个,所以s,p,d,f各原子轨道分别最多能容纳2,6,10,14个电子。 3.洪特规则 (1)内容: 原子核外电子在能量相同的各个轨道上排布时,电子尽可能分占不同的原子轨道,且自旋状态相同,这样整个原子的能量最低。 这就是洪特规则。 (2)特例: 能量相同的原子轨道在全充满(如p6和d10)、半充满(如p3和d5)和全空(如p0和d0)状态时,体系的能量较低,原子较稳定。 这称为洪特规则特例。 例1 若以E(nl)表示某原子轨道的能量,以下各式中正确的是( ) A.E(5s)>E(4f)>E(4s)>E(3d) B.E(3d)>E(4s)>E(3p)>E(3s) C.E(4s) D.E(5s)>E(4s)>E(4f)>E(3d) 答案 B 解析 原子核外电子排布的轨道能量顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p……可选出答案。 例2 (2018·三亚高二检测)电子在一个原子的下列原子轨道中排布时,最后一个排布的是( ) A.nsB.np C.(n-1)dD.(n-2)f 答案 B 解析 根据原子中原子轨道的能量高低顺序: ns<(n-2)f<(n-1)d 二、原子核外电子排布的表示方法 1.电子排布式 (1)概念: 将轨道上所排布的电子数标注在该轨道符号右上角,并按照电子层从左到右的顺序排列的式子。 (2)表示方法。 (3)写出下列原子的电子排布式: ①16S: 1s22s22p63s23p4; ②20Ca: 1s22s22p63s23p64s2; ③26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2; ④29Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1。 (4)为了避免电子排布式书写过于繁琐,把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成“原子实”,以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示,得到简化的电子排布式。 上述四种原子的简化电子排布式为 ①[Ne]3s23p4;②[Ar]4s2;③[Ar]3d64s2;④[Ar]3d104s1。 (5)在简化的电子排布式中,省去相应的稀有气体的元素符号后剩下的部分称为外围电子排布式。 上述四种原子的外围电子排布式为①3s23p4;②4s2;③3d64s2;④3d104s1。 2.轨道表示式 (1)概念: 将每一个原子轨道用一个方框表示,在方框内标明基态原子核外电子分布的式子称为轨道表示式。 (2)表示方法 (3)写出下列基态原子的轨道表示式: ①O: ; ②Na: 。 (4)在轨道表示式中也可以用圆圈表示一个原子轨道,如Na: 或写成[Ne] 。 3.原子结构示意图 (1)原子结构示意(简)图: 圆圈内数字表示质子数,弧线表示电子层,弧线内数字表示该电子层中的电子数。 (2)写出下列原子或离子的结构示意图: ①K: ;②Fe: ; ③Mg2+: ;④Cl-: 。 1.电子排布式和轨道表示式反映的是基态原子即处于最低能量状态的原子的电子排布情况,它们相互关联,可以非常方便地相互转换。 2.虽然电子排布是遵循能量最低原理的,但书写电子排布式时应按照电子层的顺序书写。 如铁原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2,而不写作1s22s22p63s23p64s23d6。 3.主族元素的最外层电子就是外围电子。 过渡元素的外围电子一般包括最外层的s电子和次外层的d电子,有的还包括倒数第三层的f电子。 4.简单离子是原子得失一定数目电子后的产物。 在表达阴、阳离子的核外电子排布情况时,务必注意离子与原子之间的电子数目的关系。 5. (1)电子排布式的书写 ①元素符号;②轨道符号;③轨道顺序按电子层由里到外和s、p、d、f的顺序;④电子个数(右上角标出)。 注意电子排布式与外围电子排布式的区别。 (2)轨道表示式的书写格式 ①元素符号;②轨道框(一个轨道一个框,能量相同的轨道连在一起);③电子自旋状态(用“↑”“↓”表示);④轨道符号。 p、d等如有空轨道也要画出。 例3 (2018·福建季延中学高二期中)若将15P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p 3p ,它违背了( ) A.能量守恒原理B.泡利原理 C.能量最低原理D.洪特规则 答案 D 解析 洪特规则: 当电子排布在能量相同的不同轨道时,基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道,而且自旋状态相同。 例4 (2018·大连高二期中)下列轨道表示式所表示的元素原子中,能量处于最低状态的是( ) A. B. C. D. 解析 本题考查的是核外电子排布的基本原理。 要使各原子能量处于最低状态(即基态),核外电子必须遵循三大原理进行排布。 A项中2s轨道没有排满电子就排在了2p轨道上,显然能量不是最低的;B项中2p轨道上的电子排布不符合洪特规则,三个电子各占一个p轨道且自旋状态相同时,能量最低;C项中2p3为半充满状态,能量最低;D项中2p轨道未排满就排3s轨道,能量不是最低的。 例5 下列表示式错误的是( ) A.Mg2+的轨道表示式: B.Na+的结构示意图: C.24Cr的外围电子排布式: 3d54s1 D.C的电子排布式: 1s22s12p3 答案 D 解析 Mg2+含有10个核外电子,电子排布式为1s22s22p6,轨道表示式为 ,故A正确;钠离子核内有11个质子,核外有2个电子层,第一层上有2个电子、第二层上有8个电子,其结构示意图为 ,故B正确;原子序数为24,说明原子核外电子数为24,根据能量最低原理、洪特规则特例得到电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,外围电子排布式为3d54s1,故C正确;D项违反能量最低原理,所以C的电子排布式为1s22s22p2,错误。 易错警示 (1)电子排布式的书写顺序与核外电子进入轨道的顺序不同。 电子排布式的书写顺序按电子层由里到外和s、p、d、f的顺序,而核外电子进入轨道的顺序按照基态原子在原子轨道上的排布顺序。 (2)基态原子失电子时,由外层向里层,同层则按轨道能量由高到低顺序失电子。 如Cr([Ar]3d54s1)→Cr3+([Ar]3d3) 三、光谱与光谱分析 1.光谱形成原因 不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光。 2.光谱分类 3.光谱分析 在现代化学中,利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素的分析方法。 (1)电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移),而原子得失电子时发生的是化学变化。 (2)一般在能量相近的轨道间发生电子跃迁。 例6 对充有氖气的霓虹灯管通电,灯管发出红色光。 产生这一现象的主要原因是( ) A.电子由能量较高的轨道向能量较低的轨道跃迁时以光的形式释放能量 B.电子由能量较低的轨道向能量较高的轨道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 解析 解答该题的关键是明确基态原子与激发态原子的相互转化及其转化过程中的能量变化及现象。 在电流作用下,基态氖原子的电子吸收能量跃迁到能量较高的轨道,变为激发态原子,这一过程要吸收能量,不会发出红色光;而电子从较高能量的轨道跃迁到较低能量的轨道时,将释放能量,从而产生红光,故A项正确。 1.正误判断 (1)在一个多电子的原子中可以有两个运动状态相同的电子( × ) (2)电子跃迁时只能吸收能量( × ) (3)2p 违背了洪特规则( × ) (4)电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了泡利不相容原理( √ ) (5)电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理( √ ) (6)3d6的轨道表示式为 ( × ) 2.以下表示氦原子结构的化学用语中,对电子运动状态描述最详尽的是( ) A.·He·B. C.1s2D. 答案 D 解析 A项只能表示最外层电子数;B项只表示核外的电子分层排布情况;C项具体到各电子层的电子数;而D项包含了电子层数、原子轨道以及电子的自旋方向,故该项正确。 3.描述硅原子核外电子运动说法错误的是( ) A.有4种不同的伸展方向 B.有14种不同运动状态的电子 C.有5种不同能量的电子 D.有5种不同的运动区域 答案 D 解析 硅原子为14号元素,电子排布式为1s22s22p63s23p2,共2种轨道,s轨道为球形,只有1种伸展方向,p轨道有3种伸展方向,则有4种不同的伸展方向,故A正确;硅原子为14号元素,则核外有14种不同运动状态的电子,故B正确;硅原子电子排布式为1s22s22p63s23p2,所以有5种不同能量的电子,故C正确;硅原子核外有3个电子层,所以有3种不同的运动区域,故D错误。 4.(2018·成都期末)若某基态原子的外围电子排布式为4d15s2,则下列说法正确的是( ) A.该元素基态原子共有3个电子 B.该元素基态原子核外有5个电子层 C.该元素基态原子最外层有3个电子 D.该元素基态原子M电子层共有8个电子 答案 B 解析 根据原子核外电子排布规则,结合其外围电子排布式为4d15s2,可知该元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2,故该元素基态原子共有39个电子,5个电子层,其中最外层有2个电子,M电子层共有18个电子,B项正确。 5.(2018·深州中学期中)下列关于钠元素的几种表达式错误的是( ) A.Na+的轨道表示式: B.Na+的结构示意图: C.Na的电子排布式: 1s22s22p63s1 D.Na的简化电子排布式: [Na]3s1 答案 D 解析 Na的简化电子排布式为[Ne]3s1。 即上一周期的稀有气体(元素符号)+该原子的外围电子排布。 6.以下现象与核外电子的跃迁有关的是( ) ①霓虹灯发出有色光 ②棱镜分光 ③激光器产生激光④石油蒸馏 ⑤凸透镜聚光 ⑥燃放的焰火,在夜空中呈现五彩缤纷的礼花 ⑦日光灯通电发光 ⑧冷却结晶 A.①③⑥⑦B.②④⑤⑧ C.①③⑤⑥⑦D.①②③⑤⑥⑦ 答案 A 7.根据锰原子的核外电子排布,回答下列问题: (1)写出基态Mn2+电子排布式: ______________________________。 (2)画出锰原子的外围电子的轨道表示式: ______________________________________________________________________。 (3)在锰原子的核外电子中,有________种运动状态不同的电子;共有________对成对电子;有________个未成对电子;最高化合价为________价。 答案 (1)1s22s22p63s23p63d5(或[Ar]3d5) (2) (3)25 10 5 +7 题组一 原子核外电子排布规律的理解与应用 1.下列叙述中,最符合泡利不相容原理的是( ) A.需要4个不同的量子数来描述原子中的每一个电子 B.在原子中,不可能有2个电子具有一组相同的量子数 C.充满一个电子层需要8个电子 D.电子之间存在着斥力 答案 B 解析 泡利不相容原理可简单叙述为一个原子轨道最多只能容纳2个电子,并且这2个电子的自旋状态必须相反,或者说,一个原子中不会存在2个量子数完全相同的电子。 2.某原子核外电子排布式为ns2np7,它违背了( ) A.泡利不相容原理 B.能量最低原理 C.洪特规则 D.洪特规则特例 答案 A 解析 泡利不相容原理: 一个原子轨道中最多只能容纳两个电子,并且这两个电子的自旋状态相反。 p轨道只有3个原子轨道,最多只能容纳6个电子,故电子排布式ns2np7违背了泡利不相容原理,A正确。 3.以下是一些原子的2p轨道和3d轨道中电子排布的情况,其中违反了洪特规则的是( ) A.①B.①③ C.②④⑤D.③④⑤ 答案 C 解析 ①同一轨道自旋方向相同,违反泡利不相容原理;②不同轨道的单电子自旋方向不同,违反了洪特规则;③符合洪特规则;④应优先占据不同的轨道,每个轨道有1个电子,违反了洪特规则;⑤不同轨道的单电子自旋方向不同,违反了洪特规则;⑥符合洪特规则。 其中违反了洪特规则的是②④⑤,故选C。 4.下列给出的基态原子的电子排布式,其中正确的是( ) A.11Na: 1s22s22p7 B.47Ag: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2 C.20Ca: 1s22s22p63s23p63d2 D.35Br: [Ar]3d104s24p5 答案 D 解析 A项中的“2p7”违背了泡利不相容原理,p轨道有3个轨道,最多填充6个电子,正确的电子排布式为1s22s22p63s1;B项中的“4d95s2”违背了洪特规则特例,正确的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1;C项中的“3d2”违背了能量最低原理,根据构造原理,3d轨道的能量大于4s轨道;3p轨道排满之后应该先排4s轨道,故20Ca的电子排布式应为1s22s22p63s23p64s2。 5.已知锰的核电荷数为25,以下是一些同学绘制的基态锰原子核外电子的电子排布图,其中最能准确表示基态锰原子核外电子运动状态的是( ) 答案 D 解析 基态原子的电子排布应该使原子的能量最低。 A项,根据轨道排布顺序可知,E3d>E4s,且题图中3d轨道电子排布不符合洪特规则,错误;B项,根据构造原理知,E3d>E4s,且题图中1s、2s、3s、4s轨道的电子排布不符合泡利不相容原理,错误;C项,3d5电子排布不符合洪特规则,错误。 6.某元素原子3d轨道上有5个电子,则该原子最外层电子排布可能是( ) A.4s1B.4s24p1 C.4s24p3D.3s23p63d5 答案 A 解析 最外层电子排布为4s24p1的元素为Ga,3d轨道上有10个电子,B错误;最外层电子排布为4s24p3的元素为As,3d轨道上有10个电子,C错误;4s轨道能量小于3d,某元素原子3d轨道上有5个电子,则4s轨道上肯定有电子,D错误。 题组二 原子核外电子排布表示方法的正误判断 7.下列各离子的电子排布式错误的是( ) A.Na+ 1s22s22p6B.F- 1s22s22p6 C.N3+ 1s22s22p6D.O2- 1s22s22p6 答案 C 解析 本题的关键是判断所给的电子数与元素符号是否相符。 Na+、F-、O2-都含有10个电子,A、B、D均正确;N3+含有4个电子,故C项错误。 8.某原子核外共有6个电子,分布在K与L电子层上,其基态原子在L层分布中正确的是( ) A. B. C. D. 答案 D 解析 A项中2s轨道上应有两个电子;B项2p轨道上的两个电子的自旋状态应相同;C项违反洪特规则,电子应尽可能占据不同轨道。 9.(2019·太原五中期末)下列电子排布式表示的是基态原子核外电子排布的是( ) A.1s22s22p63s13p3 B.1s22s22p63s23p63d104s14p1 C.1s22s22p63s23p63d24s2 D.1s22s22p63s23p63d104s14p2 答案 C 解析 A项,Si原子的核外电子数为14,其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2,错误;B项,Zn原子的核外电子数为30,其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2,错误;C项,Ti原子的核外电子数为22,其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2,正确;D项,Ga原子的核外电子数为31,其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1,错误。 10.下列离子中外层d轨道处于半充满状态的是( ) A.Cr3+B.Cu+C.Co3+D.Fe3+ 答案 D 解析 Cr3+的外围电子排布式为3d3,d轨道不是半充满状态,故A错误;Cu+的外围电子排布式为3d10,d轨道处于全充满状态,故B错误;Co3+的外围电子排布式为3d6,d轨道不是半充满状态,故C错误;Fe3+的外围电子排布式为3d5,d轨道处于半充满状态,故D正确。 题组三 利用核外电子的排布推断元素 11.某主族元素的原子,M层上有一个半充满的原子轨道,这种原子的质子数( ) A.只能是7B.只能是15 C.是11或15D.是11或13 答案 C 解析 主族元素的M电子层中d轨道上的电子为全充满或全空状态,故满足题中条件的M电子层中的电子排布为3s1或3s23p3,原子核外电子总数分别为11或15,故C项正确。 12.下列各组表述中,两个微粒一定不属于同种元素原子的是( ) A.3p轨道有一个空轨道的基态原子和核外电子排布为1s22s22p63s23p2的原子 B.M层全充满而N层为4s2的原子和核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2的原子 C.最外层电子数是核外电子总数的 的原子和外围电子排布为4s24p5的原子 D.2p轨道有一个未成对电子的基态原子和外围电子排布为2s22p5的原子 答案 B 解析 3p轨道有一个空轨道,说明3p上有2个电子,外围电子排布为3s23p2,两微粒相同,A选项不符合题意;M层全充满而N层为4s2,M层上有d轨道,即: 3s23p63d10,是锌元素,外围电子排布为3d64s2的元素是铁元素,B选项符合题意;外围电子排布为4s24p5,则3d上已排满10个电子,核外电子排布为1s22s22p63s23p63d104s24p5,最外层电子数是核外电子总数的 的原子,可按下述方法讨论: 若最外层电子数为1,核外电子总数为5不可能,最外层电子数为2,核外电子总数为10不可能,只有最外层电子数为7,核外电子总数为35时合理,其电子排布也是1s22s22p63s23p63d104s24p5,二者是同种元素的原子,C选项不符合题意;2p轨道有一个未成对电子,可以是2p1,也可以是2p5,因此二者可能属于同种元素的原子,D项不符合题意。 13. (1)金属铝质轻且有良好的防腐蚀性,在国防工业中有非常重要的作用。 铝原子核外电子云有________种不同的伸展方向,有________种不同运动状态的电子。 (2)基态铁原子有________个未成对电子,三价铁离子的电子排布式为________________________________________________________________________。 (3)29Cu+的外围电子排布式为________。 答案 (1)4 13 (2)4 1s22s22p63s23p63d5 (3)3d10 解析 (1)Al原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,原子中存在s、p两种形状的电子云,s电子云呈球形,有1种伸展方向,而p电子云呈纺锤形,有3种伸展方向,则铝原子核外电子云共有4种不同的伸展方向。 由于每个核外电子的运动状态都不完全相同,所以铝原子核外共有13种不同运动状态的电子。 (2)26号元素Fe的核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d64s2,则基态Fe原子上有4个未成对的电子,当Fe原子失去2个4s电子和1个3d电子,就得到了Fe3+,因此Fe3+的电子排布式是1s22s22p63s23p63d5。 (3)29号元素Cu的简化电子排布式为[Ar]3d104s1,原子失去电子时首先失去最外层电子,即Cu+的简化电子排布式为[Ar]3d10,则其外围电子排布式为3d10。 14.某元素A原子的L层要比M层少6个电子,它有两种常见的阳离子a和b(其中a的化合价大于b的化合价)。 则: (1)a的M层比N层多________个电子;b的L层比M层少________个电子。 a的稳定性________(填“大于”或“小于”)b的稳定性。 (2)写出A的电子排布式: ________________________________________________________________________。 a的最外层电子轨道表示式为________________________________________________________________________。 答案 (1)13 6 大于 (2)1s22s22p63s23p63d64s2 解析 本题考查的是由原子核外电子排布推断元素名称。 由于第一、二层电子排布不出现轨道交错,由题意可知A元素的L层已填满,共有8个电子,可得A的M层上有14个电子,则A的第三层电子排布为3s23p63d6,即可得A的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,即A为Fe原子,其两种阳离子为Fe3+和Fe2+,阳离子a的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,阳离子b的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6,再根据洪特规则,a的3d轨道处于半充满状态,a比b稳定。 15.A、B、C、D、E代表5种元素。 请填空: (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,其外围电子的轨道表示式为____________。 (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元素的原子结构示意图为______,C的元素符号为________。 (3)D元素的正三价离子的3d轨道为半充满,D的元素符号为____________,其基态原子的电子排布式为____________________________________________。 (4)E元素基态原子的M层全充满,N层没有成对电子,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____________________________________________。
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