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第一节

原子结构

一、能层与能级

1．原子的诞生

(1) 原子的诞生

(2)

人类对原子结构认识的演变

2．能层

(1) 根据多电子原子核外电子的能量差异将核外电子分成不同的能层(电子层)，并用符号K、L、M、N、O、P、Q…表示。

(2) 原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数与能层的序数(n)间存在的关系是2n2。

3．能级

(1) 定义：根据多电子原子的能量也可能不同，将它们分为不同能级。

(2) 表示方法：分别用相应能层的序数和字母s、p、d、f等表示，如n能层的能级按能量由低到高的排列顺序为ns、np、nd、nf等。

(3) 能层、能级与最多容纳的电子数

能层(n) 一

符号

能级

最多电

子数

K 二

L 三

M 3d 10 四

N 4s 4p 4d 2 6 4f 5s 2 五

O 六

P 七

Q ……

……

1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 8 6 2 6 18 ……

……

……

……

……

……

……

……

……

2n2

10 14 32 ……

……

由上表可知：

①

能层序数等于该能层所包含的能级数，如第三能层有

个能级。

② s、p、d、f 各能级可容纳的电子数分别为

、

、

、

的2倍。

③

原子核外电子的每一能层最多可容纳的电子数与能层的序数(n)间存在的关系是

。

(4) 能层中各能级的能量关系

①

不同能层之间，符号相同的能级的能量随着能层数的递增而增大。

②

在相同能层各能级能量由低到高的顺序是ns

③

不同能层中同一能级，能层数越大，能量越高。例如：1s<2s<3s<4s……

二、构造原理与电子排布式

1．构造原理

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：

把这种规律称为构造原理。即电子所排的能级顺序：

1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s……

①

构造原理是绝大多数基态原子的核外电子排布顺序。

②

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。

③

从构造原理图可以看出，从第三能层开始，不同能层的能级出现“能级交错”现象。

能级交错指电子层数较大的某些能级的能量反而低于电子层数较小的某些能级的能量的现象，如4s＜3d、6s＜4f＜5d，一般规律为ns＜(n－2)f＜(n－1)d＜np。

2．电子排布式

(1) 电子排布式是用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子。

如：Al原子电子排布式中各符号、数字的意义为

(2) 按照构造原理将电子依次填充到能量逐渐升高的能级中。

(3) 为了避免电子排布式过于繁琐，我们可以把内层电子达到稀有

气体结构的部分，以相应稀有气体元素符号外加方括号来表示。

如：Na的核外电子排布式为1s22s22p63s1，其中第一、二能层与Ne(1s22s22p6)的核外电子排布结构相同，所以其电子排布式可简化为[Ne]3s1。

【练习1】

写出下列原子或离子的电子排布式：

①

8O：1s22s22p4；

②

19K：1s22s22p63s23p64s1；可简写为[Ar]4s1；

③

17Cl：1s22s22p63s23p5；可简写为[Ne]3s23p5；

④

16S2：1s22s22p63s23p6。

－⑤

26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2；可简写为[Ar]3d64s2

1．下列能级符号表示错误的是(

) A．2p

B．3f

C．4s

D．5d 2．下列叙述正确的是(

) A．能级就是电子层

B．每个能层最多可容纳的电子数是2n2

C．同一能层中的不同能级的能量高低相同

D．不同能层中的s能级的能量高低相同

3．下列关于能层与能级的说法中正确的是(

) A．同一原子中，符号相同的能级，其电子能量不一定相同

B．任一能层的能级总是从s能级开始，而且能级数不一定等于该能层序数

C．同是s能级，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的

D．多电子原子中，每个能层上电子的能量一定不同

4．构造原理揭示的电子排布能级顺序，实质是各能级能量高低。若以E(nl)表示某能级的能量，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) 5．下列原子或离子的核外电子排布式，正确的是(

) A．16S：1s22s22p63s23p6 C．18Ar：1s22s22p63s23p6

B．21Sc：1s22s22p63s23p64s23d1

D．9F：2s22p5

6．下面是某些元素的最外层电子排布，各组指定的元素，不能形成AB2型化合物的是(

) A．2s22p2和2s22p4

B．3s23p4和2s22p4

C．3s2和2s22p5

D．3s1和3s23p2

7．有几种元素的粒子核外电子排布式均为1s22s22p63s23p6，其中：

(1) 某电中性微粒一般不和其他元素的原子反应，这种微粒的符号是________。

(2) 某微粒的盐溶液能使溴水褪色，并出现浑浊，这种微粒的符号是________。

(3 )某微粒氧化性很弱，但得到电子后还原性很强，且这种原子最外层有一个电子，这种微粒的符号是________。

(3)

某微粒还原性虽弱，但失去电子后氧化性强，且这种元素的原子得到一个电子即达稳定结构，这种微粒的符号是________。

三、能量最低原理、原子的基态与激发态、光谱

1．能量最低原理

原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。

2．基态原子与激发态原子

(1) 基态原子：处于最低能量的原子。

(2) 激发态原子：基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。

(3) 基态、激发态相互间转化的能量变化

基态原子

吸收能量释放能量，主要形式为光

激发态原子。

(4)

电子的跃迁是物理变化(未发生电子转移) 3．光谱

(1) 光谱的成因及分类：

(2)

光谱分析：现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。

【练习2】下列电子排布式是基态原子的电子排布式的是(

) ①

1s22s12p1

②

1s22s22p4

③1s12s1

④

1s22s22p63s23p5

A．①②

B．②③ C．①③

D．②④

四、电子云与原子轨道

1．原子核外电子的运动特点

(1) 电子的质量很小(9.109 5×10－31 kg)，带负电荷。

(2) 相对于原子和电子的体积而言，电子运动的空间很大。

(3) 电子运动的速度很快，接近光速(3.0×108 m·s1)。

－

电子及其运动特点可概括为体积小、质量轻、带负电；绕核转、运动快、测不准(某时刻的位置和速度)；(离核的)距离不同、能量相异、描述概率(电子在核外空间某处出现的概率，即电子云)。

2．电子云

(1) 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。

(2) 电子云轮廓图的形状：s能级的电子云轮廓图是球形，p能级的电子云轮廓图是哑铃形。

3．原子轨道

(1) 概念：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。

(2) 形状

①s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。

②p电子的原子轨道呈哑铃形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别以px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同

(3)

各能级所含有原子轨道数目

能级符号

轨道数目

ns 1 np 3 nd 5 nf 7 五、基态原子核外电子的排布原则

1．能量最低原理

原子核外的电子应优先排布在能量最低的能级里，然后由里到外，依次排布在能量逐渐升高的能级里。能级的能量高低顺序如构造原理所示(对于1～36号元素来说，应重点掌握和记忆“1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p”这一顺序)。

2．泡利原理

在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自旋状态相反，用“↑↓”表示。

3．洪特规则

(1) 内容：在相同能量的原子轨道上，电子的排布将尽可能占据不同的轨道，且自旋方向相同。

(2) 特例

在等价轨道(同一能级)上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较大的稳定性。

全充满：p、d、f000相对稳定的状态

全空：p、d、f半充满：p3、d5、f761014

如：24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2

六、原子核外电子排布的表示方法

1．电子排布式

(1) 用数字在能级符号右上角标明该能级上排布的电子数的式子，称为电子排布式。写出下列基态原子的电子排布式：

①

16S：1s22s22p63s23p4；

②

20Ca：1s22s22p63s23p64s2；

③

26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2；

④

29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1。

(2) 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。

(3) 价(外围)电子排布式：上述四种原子的价电子排布式为：

① 3s23p4；

② 4s2；

③ 3d64s2；

④ 3d104s1。

2．电子排布图

(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电子排布图。

(2) 表示方法以铝原子为例，电子排布图中各符号、数字的意义为

注意：在电子排布图中也可以用圆圈表示一个原子轨道，如Na：

或写成[Ne]

。

(4)

写出下列基态原子的电子排布图：

① O：3．原子结构示意图

(1) 概念：原子结构示意(简)图：圆圈内数字表示质子数，弧线表示能层(电子层)，弧线内数字表示该能层(电子层)中的电子数。

(2) 写出下列原子或离子的结构示意图：

；

② Mg：。

①K：；

②Fe：；

③Mg2：＋；

④Cl：－。

1．电子由3d能级跃迁至4p能级时，可通过光谱仪直接摄取(

) A．电子的运动轨迹图像

C．电子体积大小的图像

B．原子的吸收光谱

D．原子的发射光谱

2．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

3．下列说法正确的是(

) A．p电子云是平面“8”字形的

B．3p2表示3p能级中有两个原子轨道

C．2d能级包含5个原子轨道，最多容纳10个电子

D．s电子云是在空间各个方向上伸展程度相同的对称形状

14．若将15P原子的电子排布式写成1s22s22p63s23p2x3py，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

5．某原子的最外层电子排布为3s23p2，下列对其核外电子运动的说法错误的是(

) A．有4种不同的伸展方向

B．有5种不同能量的电子

C．有5种不同的运动范围

D．有14种不同运动状态的电子

6．下列有关多电子原子的叙述中正确的是(

) A．在一个多电子原子中，不可能有两个运动状态完全相同的电子

B．在一个多电子原子中，不可能有两个能量相同的电子

C．在一个多电子原子中，N层上的电子能量肯定比M层上的电子能量高

D．某个多电子原子的3p能级上仅有两个电子，它们的自旋状态必然相反

7．下列说法错误的是(

) A．ns电子的能量可能低于(n－1)p电子的能量

B．6C的电子排布式1s22s22p2x，违反了洪特规则

C．电子排布式(21Sc)1s22s22p63s23p63d3违反了能量最低原理

D．电子排布式(22Ti)1s22s22p63s23p10违反了泡利原理

8．下列各项表述中，两个原子不属于同种元素的是(

) A．3p能级有一个空轨道的基态原子和核外电子排布式为1s22s22p63s23p2的原子

B．2p能级无空轨道且有一个未成对电子的基态原子和最外层电子排布式为2s22p5的原子

C．M层全充满而N层为4s2的原子和核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2的原子

D．最外层电子数是核外电子总数的5的原子和最外层电子排布式为4s24p5的原子

9．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．1s2

D．

110．下列电子排布图所表示的元素原子中，能量处于最低状态的是(

)

11．下列关于钠元素的几种表达式错误的是(

) A．Na的电子排布图：

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

12．下列有关核外电子排布式或电子排布图不正确的是(

) A．24Cr的电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1

B．K的简化电子排布式：[Ar]4s1

C．N原子的电子排布图为：

D．S原子的电子排布图为：

13．已知A原子中只含1个电子；B原子的3p轨道上得到1个电子后不能容纳外来电子；C原子的2p轨道上有1个电子的自旋方向与其他电子的自旋方向相反；D原子的第三能层上有8个电子，第四能层上只有1个电子；E原子的价电子排布式为3s23p6。

(1) 按要求书写下列图式。

① B原子的结构示意图：_______________________________________________；

② C原子的电子排布图：_______________________________________________；

③ D原子的核外电子排布式：___________________________________________。

(2) 写出由上述元素组成的物质制得A的单质的化学方程式：

__________________________________________________________________、_____________________________________________________(至少写出2个)。

＋＋