专题 03 原子结构与性质归纳与练习 【重点归纳】 一、原子结构 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。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 道的能量相等。 原子轨道 轨道形状 轨道个数 s 球形 1 p 哑铃形 3 2．原子核外电子的排布规律 (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，所有电子排布规则都需要满足能量最低原理。下图为构造原理 示意图，即基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序图，由构造原理可知，从第三能层 开始各能级不完全遵循能层顺序，产生了能级交错排列，即产生“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。注意排电子时先排 4s 轨道再排 3d 轨道，而失电子时，却先失 4s 轨道上的电子。 (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 。因为每个原子轨道最多只能容纳 2 个电子且自旋方向相 反，所以从能层、能级、原子轨道、自旋方向四个方面来说明电子的运动状态是不可能有 两个完全相同的电子的。如氟原子的电子排布可表示为 1s22s22p2p2p，由于各原子轨道中 的电子自旋方向相反，所以 9 个电子的运动状态互不相同。 (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 或 ，不能表示为 。 （4）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 ，易错 写为 1s22s22p63s23p63d44s2。 3.核外电子排布的表示方法 表示方法 书写规则 按电子排入各电子层中各能级的先后顺序，用 以硫原子为例 能级符号依次写出各能级中的电子数，能直观 地反映核外电子的能层、能级和各能级上的电 电子排布式 1s22s22p63s23p4 子数，但不能表示原子核的情况，也不能表示 各个电子的运动状态 为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电 简化电子排布式 子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体的 元素符号外加方括号表示，得到简化的电子排 [Ne]3s23p4 布式，用“[稀有气体]＋价层电子”的形式表示 用方框表示原子轨道，用“↑”或“↓”表示自旋状 态不同的电子，按排入各电子层中各能级的先 电子排布图 后顺序和在轨道中的排布情况书写，能反映各 轨道的能量的高低，各轨道上的电子分布情况 及自旋方向 仅用基态原子电子排布式中的价态电子排布， 价电子排布式 价电子排布式能反映基态原子的能层数和参与 成键的电子数以及最外层电子数 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 原子结构示意图 数，原子结构示意图能直观地反映核内的质子 数和核外的电子层数及各层上的电子数 二、元素周期表 1．原子结构与元素周期表的关系 3s23p4 2.每族元素的价层电子排布特点 （1）主族 主族 排布特点 ⅠA ns1 ⅡA ns2 ⅢA ns2np1 ⅣA ns2np2 ⅤA ns2np3 ⅥA ns2np4 （2）0 族：除 He 外其余均为 ns2np6。 （3）过渡元素(副族和第Ⅷ族，Pd、镧系、锕系除外)：(n－1)d1～10ns1～2。 3.元素周期表的分区 （1）元素周期表的分区 （2）各区元素价电子的排布特点 分区 s区 p区 d区 ds 区 f区 价电子排布 1～2 ns ns2np1～6(除 He 外) (n－1)d1～9ns1～2(除钯外) (n－1)d10ns1～2 (n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2 ⅦA ns2np5 三、元素周期律 1.微粒半径大小的比较 (1)同周期元素的原子半径：随着核电荷数增多，原子半径依次减小(稀有气体除外)。 (2)同主族元素的原子半径、相同价态阳离子半径和阴离子半径：随着核电荷数增多，半径 都依次增大。 (3)核外电子排布(即电子层结构)相同的离子半径：随核电荷数增多，离子半径依次减小。 (4)同种元素形成的粒子半径：阳离子<中性原子<阴离子，且阳离子价态越高，半径越小。 如：Fe3＋<Fe2＋<Fe，Cl<Cl－，H＋<H<H－。 (5)核电荷数和电子数都不同的粒子，一般要找参考物。如比较 Al3＋和 S2－，可找出与 Al3＋ 电子数相同，与 S2－同一主族的元素 O2－来比较，因为 Al3＋<O2－，且 O2－<S2－，故 Al3＋<S2 － 。 2.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。元素第一电离能可以衡量元素的原子失去一个电子的难 易程度。第一电离能数值越小，原子越容易失去一个电子；第一电离能数值越大，原子越 难失去一个电子。 （2）规律：对同一周期的元素而言，碱金属元素的第一电离能最小，稀有气体元素的第一 电离能最大；从左到右，元素的第一电离能在总体上呈现从小到大的变化趋势，表示元素 原子越来越难失去电子；同主族元素，自上而下第一电离能逐渐减小，表明自上而下原子 越来越易失去电子；具有全充满、半充满及全空的电子构型的元素稳定性较高，其电离能 数值较大，如稀有气体的电离能在同周期元素中最大，N 为半充满、Mg 为全充满状态，其 电离能均比同周期相邻元素大；气态基态一价正离子再失去一个电子成为气态基态二价正 离子所需的最低能量叫做第二电离能，第三电离能和第四、第五电离能依此类推。由于原 子失去电子形成离子后，若再失去电子会更加困难，因此同一原子的各级电离能之间存在 如下关系：I1<I2<I3…… （3）应用： 判断元素金属性的强弱 判断元素的化合价 判断核外电子的分层排布情况 电离能越小，金属越容易失去电子，金属性越强；反 之越弱 如果某元素的 In＋1≫In，则该元素的常见化合价为＋ n，如钠元素 I2≫I1，所以钠元素的化合价为＋1 多电子原子中，元素的各级电离能逐渐增大，有一定 的规律性。当电离能的变化出现突跃时，电子层数就 可能发生变化 同周期元素从左向右，元素的第一电离能并不是逐渐 反映元素原子的核外电子排布特点 增大的，当元素的核外电子排布是全空、半充满和全 充满状态时，第一电离能就会反常的大 3.电负性 （1）定义：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。 （4）应用： 4.对角线规则 (1)在元素周期表中，某些主族元素与其右下方的主族元素(如图)的有些性质是相似的(如硼 和硅的含氧酸盐都能形成玻璃，且互熔)，被称为“对角线规则”。 (2)处于“对角线”位置的元素，它们的性质具有相似性的根本原因是由于它们的电负性接近 ， 说明它们对键合电子的吸引力相当，因而表现出相似的性质。 5.元素周期律 项目 原子核外电子排布 同周期(从左→右) 电子层数相同，最外层电子数逐 同主族(从上→下) 最外层电子数相同，电子层 渐增多，1→7(第一周期 1→2) 逐渐减小(0 族除外) 最高正价由＋1→＋7，最低负价 数递增 逐渐增大 最高正价＝主族序数 (O、F 由－4→－1 除外)，非金属最低负价＝主 原子得、失电子能力 得电子能力逐渐增强，失电子能 族序数－8 得电子能力逐渐减弱，失电 元素的第一电离能 元素的电负性 元素金属性、非金属 力逐渐减弱 第一电离能呈增大的趋势 电负性逐渐增大 金属性逐渐减弱，非金属性逐渐 子能力逐渐增强 第一电离能逐渐减小 电负性逐渐减小 金属性逐渐增强，非金属性 性 增强 逐渐减弱 单质氧化性、还原性 氧化性逐渐增强，还原性逐渐减 氧化性逐渐减弱，还原性逐 弱 渐增强 碱性逐渐减弱 酸性逐渐增强 碱性逐渐增强 酸性逐渐减弱 生成由难到易，稳定性逐渐增强 生成由易到难，稳定性逐渐 原子半径 元素主要化合价 最高价氧化物对应水 化物的酸碱性 非金属气态氢化物的 稳定性 减弱 【典例演练】 [例题 1]A、B、C、D、E、F 代表 6 种元素。请填空： (1)A 元素基态原子的最外层有 2 个未成对电子，次外层有 2 个电子，其元素符号为_______。 (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 的元素符号为________。 (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_______________________。 (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_______________________________。 (5)F 元素的原子最外层电子排布式为 nsnnpn＋1，则 n＝____，原子中能量最高的是_____电 子。 【解析】(1)A 元素基态原子次外层有 2 个电子，故次外层为 K 层，A 元素有 2 个电子层， 由题意可写出其电子排布图为 ，则该元素核外有 6 个电子，为 碳元素，其元素符号为 C，另外氧原子同样也符合