高中化学 第二节 原子结构与元素周期表教案 鲁科版选修3

安徽省怀远县包集中学高中化学选修3：第二节 原子结构与元素周

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通过上一节的学习，我们知道：电子在原子核外是按能量高低分层排布的，同一个能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级(S、P、d、f)，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。各能层上的能级是不一样的。原子中的电子在各原子轨道上按能级分层排布，在化学上我们称为构造原理。 高手支招之一：细品教材 一．电子排布式和轨道表示式

1、电子排布式——用轨道符号前的数字表示该轨道属于第几电子层，用轨道符号右上

x22

角的数字表示该轨道中的电子数（通式为：nl）。例如，原子C的电子排布式为1s2s2p，

22

还可进一步写出其价电子构型：2s2p

前二周期各原子的电子排布式

12

第1周期 H：1s；He：1s；

第2周期 Li：1s2s；Be：1s2s；B：1s2s2p；C：1s2s2p；N：1s2s2p；

O：1s2s2p；F：1s2s2p；Ne：1s2s2p；

2、轨道表示式——能表示出原子核外各轨道中电子排布情况的式子叫做轨道表示式。这种表示方法很形象，用小圆圈（或方框、短线）表示一个给定量子数n、l、m的原子轨道，用箭头表示电子且用“↑”或“↓”来区别ms不同的电子

如锂原子的轨道表示式为：

1s 2s

2

2

4

2

2

5

2

2

6

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

3

二、基态原子的电子排布原则 1. 能量最低原则：

（1）、原则内容：通常情况下，电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当这些轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，这就是构造原理。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，简称能量最低原则。

（2）：实例分析：氢原子中的电子若分布在能量较高的原子轨道如2p的一个轨道上，那么这个电子处于激发态，它很快就会跃迁到能量最低的s轨道并以光的形式辐射出能量，显然，核外电子的排布要使整个原子的能量最低，以形成稳定结构。所以，氢原子核外的电子在通常情况下只能分布在能量最低的1s原子轨道上，由此可见，核外电子在原子轨道上的排布是遵循能量最低原则的。

2、泡利不相容原理

（1）原理内容：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方向必须相反；或者说，一个原子中不会存在四个量子数完全相同的电子。这就是泡利不相容原理。

（2）实例分析：氦原子有两个电子，按能量最低原则，这两个电子都应当排布在1s原子轨道上。显然，这两个电子在1s轨道上的分布可能是下列两种状态之一：↑↑（自旋相同）或 ↑↓（自旋相反）。泡利通过总结诸多光谱实验事实确定，基态氦原子的电子排布是 ↑↓，这就是电子在原子轨道上排布要遵循的另一个原则——泡利不相容原理。

例1、下列叙述中，最符合泡利不相容原理的是（ ） A、需用四个不同的量子数来描述原子中的每一个电子 B、在原子中，不能有两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

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两个电子，并且这两个电子的自旋方向必须相反；或者说，一个原子中不会存在四个量子数完全相同的电子。

答案：B 3、洪特规则

（1）原理内容：对于基态原子，电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道并且自旋方向相同（即自旋方向平行），这就是核外电子在原子轨道上排布所遵循的第三个原则，即洪特规则。

（2）实例分析：C：最外层的p能级上有三个规道

可能写出的基态C原子最外层p能级上两个电子的可能排布： ①2p：

②2p: ③2p: ④2p

p有3个轨道，而碳原子2p能层上只有两个电子，电子应优先分占，而不是挤入一个轨道，C原子最外层p能级上两个电子的排布应如①所示，这就是洪特规则。 例2、基态原子的核外电子排布的原则不包括（ ）

A、能量守恒原理 B、能量最低原则 C、泡利不相容原理 D、洪特规则

解析：基态原子的核外电子排布必须遵守三个原则，泡利不相容原理、能量最低原则和洪特规则。能量守恒原理与此无关。

答案：A

三．基态原子中电子在原子规道上的排布顺序 1、根据构造原理，核外电子排布的能级顺序为： 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s…… 只要我们知道原子序数，就可以写出几乎所有元素原子的电子排布。 如：元素原子的电子排布：（1—19号）

1

氢 H 1s ……

2261

钠 Na 1s2s2p3s ……

226261

钾 K 1s2s2p3s3p4s ……

2、第四周期19—36号元素原子的基态电子排布式

钾K：1s2s2p3s3p4s； 钙Ca：1s2s2p3s3p4s；铬Cr：1s2s2p3s3p3d4s； 铁Fe：1s2s2p3s3p3d4s；钴Co：1s2s2p3s3p3d4s； 铜Cu：1s2s2p3s3p3d4s；锌Zn：1s2s2p3s3p3d4s； 溴Br：1s2s2p3s3p3d4s4p； 氪Kr：1s2s2p3s3p3d4s4p；

注意：大多数元素的原子核外电子排布符合构造原理，有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有一个电子的偏差，如：K原子的可能电子排布式与原子结构示意图，按能层能级顺序，应为

2262612262611s2s2p3s3p3d；，但按初中已有知识，应为1s2s2p3s3p4s；

事实上，在多电子原子中，原子的核外电子并不完全按能层次序排布。再如： 24号铬Cr：1s2s2p3s3p3d4s；

29号铜Cu：1s2s2p3s3p3d4s；

61035

这是因为能量相同的原子轨道在全充满（如p和d）、半充满（如p和d）、和全空（如00

p和d）状态时，体系的能量较低，原子较稳定。 例3、基态铬原子的电子排布式是（ ）

2262615

A.1S2S2p3S3p4S4p

226266

B.1S2S2p3S3p3d

2262624

C.1S2S2p3S3p4S3d

2262651

D.1S2S2p3S3p3d4S

解析：考查知识点核外电子的排布式书写。

核外电子排布式书写必须符合能量最低原理、洪特规则、泡利不相容原理，三者相互制约，相互联系。另外还要注意洪特通过分析光谱实验的结果指出，能量相同的原子轨道

6103500

在全充满（如P和d）半充满（如P和d）和全空（P和d）状态时，体系的能量最低;原子较稳定。

答案：D

四．核外电子排布与元素周期表 1、核外电子排布与周期的划分

①随着原子序数的递增，元素原子的外围电子排布呈周期性的变化：每隔一定数目的

126

元素，元素原子的外围电子排布重复出现从nS到nsnp的周期性变化。

2

2

6

2

6

10

1

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9

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2

2

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2

6

7

2

2

2

6

2

6

1

2

2

6

2

6

2

2

2

6

2

6

4

2

②周期的划分与能级组有关，一个能级组对应一个周期，一个能级组所容纳的最多电子数等于一个周期所包含的元素种数，主量子数（n）对应周期序数。周期表中的7个周期分别对应7个能级组。

③每个周期所含元素总数恰好是原子轨道总数的 2倍，即从第1周期到第7周期所包含元素数目分别为2，8，8，18，18，32，第7周期为不完全周期。

2、核外电子排布与族的划分

①族的划分与原子的价电子数目和价电子排布密切相关，同族元素的价电子数目相

同。主族元素的价电子全都排布在最外层的ns或np轨道上。主族元素所在的族的序数等于该元素原子的价电子数。

1～101～2

②对于过渡元素的原子，价电子排布为（n－1）dns。虽然同一副族内不同元素原子的电子层数不同，价电子排布却基本相同，而且ⅢB～ⅦB副族的价电子的数目仍然

52

与族序数相同。例如，金属锰的价电子排布为3d4s，价电子数为7，对应的族序数为ⅦB。

6～82

价电子排布为（n－1）dns的三个纵行统称为Ⅷ族。ⅠB和ⅡB则是根据ns轨道上是有一个还是有两个电子来划分的。

例4、某元素原子共有3个价电子，其中一个价电子的四个量子数为n＝3， l＝2， m＝2， ms＝+1/2。试回答：

（1）写出该元素原子核外电子排布式。

（2）指出该元素的原子序数，在周期表中所处的分区、周期数和族序数，是金属还是非金属以及最高正化合价。

解析：本题关键是根据量子数推出价电子排布，由此即可写出核外电子排布式及回答问题。由一个价电子的量子数可知，该电子为3d电子，则其它两个电子必为4s电子（因

122262612

为E3d＜E4s＝, 所以价电子排布为3d4s，核外电子排布式为1s2s2p3s3p3d4s。从而知原子序数为21 ，处于周期表中的d区第4周期 ⅢB族，是金属元素，最高正价为＋3。

2262612

答案: 核外电子排布式为1s2s2p3s3p3d4s

原子序数为21, 处于周期表中的d区第4周期 ⅢB族，是金属元素，最高正价为＋3.

五、核外电子排布与原子半径 1、原子半径大小的比较

（1）决定原子半径大小的因素

原子半径的大小取决于两个相反的因素：一时电子的能层数，另一个是核电荷数。显然， 电子层数越多，电子之间的排斥将使原子的半径增大；而核电荷数越大，核对电子的引力 也就越大，将使原子的半径缩小。

（2）原子半径的变化规律

①同周期：从左到右原子半径逐渐减小 ②同主族：从上到下原子半径逐渐增大 2、原子半径变化的原因：

同周期主族元素从左到右，原子半径减小，是因为元素原子具有相同的电子能层，但随着核电荷数增多，核对核外电子的吸引力变大，从而使原子半径减小；而同主族元素，从上到下，原子半径增大，是因为同主族元素自上到下，原子具有的电子能层数增多，使原子半径增大，虽然自上到下核电荷数也增多可使原子半径减小，但由于核电荷数的增多，使核对核外电子的吸引比不上由于能层的增多使得电子负电排斥来得大，所以最终结果原子半径增大。即在同周期中影响原子半径的主要因素是核电荷数的多少，而同主族中影响 半径大小的主要因素是电子层数多少。

n+n-例5、具有相同电子层结构的三种微粒A、B、C,下列分析正确的是（ ）

A、原子序数的关系是C＞B＞A

n-n+

B、微粒半径的关系是B＞A

C、C一定是稀有气体元素的一种原子 D、原子半径的关系是A＜C＜ B

n+n-解析：离子的电子层结构必定是稳定结构。A、B、C具有相同的电子层结构，则C

n+n-原子一定具有稳定结构，即为稀有气体元素中的一种，可选C。分析A、B的电子层结构

再转化为原子结构可知，A必定在C（即稀有气体）的后面，B必定在C的前面[称为“阴前阳下”（第一周期除外）]，故A、B、C的原子序数关系A＞C＞B;又据“阴前阳下，径小序

n+n-大”的规律可知，离子半径的关系为A＜B。可选B。

答案：BC 高手支招之二：基础整理 基态原子的核外电子排布是本节内容的核心，它决定了元素周期表的划分和原子半径的变化规律。基态原子的核外电子在原子走规道上的排布顺序揭示了元素周期表中元素按周期划分的原因，元素按族划分与价电子的数目和价电子的排布密切相关。原子半径的周期性变化也与电子在原子规道上的分布方式密切相关。

泡利不相容原理

基态原子的核外电子排布 洪特规则 能量最低原理 基态原子中电子在原子轨道上的排布顺序 原子结构与 1---36号元素的基态原子的核外电子排布 元素周期表 核外电子排布与周期、族的划分 原子半径变化规律 元素周期律的实质 高手支招之三：综合探究 1、原子的最外层电子数为什么不超过8个？次外层电子数为什么不超过18个？ 根据构造原理，当出现d轨道时，End＜E(n+1)s，这样n≥3,np充满时（共4个轨道，最多容纳8个电子），多余电子不是填入nd，就是首先形成新电子层，填入(n+1)s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个。同理，若最外层是第n层，次外层就是(n-1)层。根据构造原理E(n-1)f>E(n+1)s>Enp>E(n-1)d,在第(n+1)层出现前，次外层只有(n-1)s、(n-1)p、(n-1)d上有电子，共9个轨道，最多可容纳18个电子。因此，次外层电子数不超过18个，例如当原子最外层是第五层时，次外层就是第四层，由于E4f>E6s>E5p>E4d，在第六层出现前，次外层（第四层）只在4s、4p、4d共9个轨道上有电子，最多容纳18个电子。 2、元素周期表的分区排布和元素的价电子排布。

1~2

元 s区：ⅠA、ⅡA－ns

21~6

素 p区：ⅢA、ⅦA、0族－nsnp(He除外)

1~82

周 d区：ⅢB～ⅦB、Ⅷ族－（n-1）dns(Cr除外)

101~2

期 ds区：ⅠB、ⅡB－（n-1）dns

0~140~22

表 f区：镧系、锕系－（n-2）f(n-1)dns 高手支招之四：典题例析 例1、主族元素的原子失去最外层电子形成阳离子，主族元素原子得到电子填充在最外层形成阳离子。下列各原子或离子的电子排布式错误的是（ ）

2+ 22626- 226

A、Ca 1s2s2p3s3p B、F1s2s3p

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