2021届一轮复习人教版原子结构与性质学案
第36讲 原子结构与性质
考点一 原子核外电子排布原理
[知识梳理]
一、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)
B；Mg>Al；N>O；P>S。
3．电负性
(1)含义：元素的原子在化合物中吸引键合电子的能力大小的一种度量。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：以最活泼的非金属元素氟的电负性为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
①金属元素的电负性一般小于(填“大于”或“小于”，下同)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。
②在元素周期表中，同周期从左到右，主族元素的电负性逐渐增大；同主族从上到下，元素的电负性逐渐减小。
4．对角线规则
在元素周期表中，某些主族元素与其右下方的主族元素的有些性质是相似的。例如：
[自主检测]
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)[2019·高考全国卷Ⅲ，35(4)改编]NH4H2PO4中，电负性最高的元素是氧。( )
(2)[2017·高考全国卷Ⅲ，35(1)改编]元素Mn与O中，第一电离能较大的是Mn。( )
(3)B和N相比，电负性较大的是N。( )
(4)C、N、O、F四种元素第一电离能从大到小的顺序是N>O>F>C。( )
(5)某正三价阳离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，其元素在周期表中位于第Ⅷ族。( )
(6)价电子排布式为4s24p3的元素位于第四周期ⅤA族，是p区元素。( )
(7)s区元素全部是金属元素。( )
(8)元素的电负性越大，非金属性越强，第一电离能也越大。( )
(9)在形成化合物时，电负性越小的元素越容易显示正价。( )
答案：(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)× (9)√
2．(1)[2019·高考全国卷Ⅱ，35(3)]比较离子半径：F－________O2－(填“大于”“等于”或“小于”)。
(2)(2017·高考江苏卷)C、H、O 三种元素的电负性由小到大的顺序为________________。
(3)第三周期所有元素的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)小于
(2)HCl>Br>I F>Cl>Br>I
(1)“外围电子排布”即“价电子层”，对于主族元素，价电子层就是最外电子层，而对于过渡元素原子不仅仅是最外电子层，如Fe的价电子层排布为3d64s2。
(2)主族元素的最高正价(O、F除外)＝族序数＝8－|最低负价|。
(3)金属活动性顺序与元素相应的第一电离能大小顺序不完全一致，故不能根据金属活动性顺序判断第一电离能的大小，也不能将电负性1.8作为划分金属和非金属的绝对标准。
(4)共价化合物中，两种元素电负性差值越大，它们形成的共价键的极性就越强。
(5)同周期主族元素，从左到右，非金属性逐渐增强，电负性越来越大，第一电离能总体呈增大趋势。
1．(2020·天水高三模拟)现有三种元素的基态原子的电子排布式如下：①1s22s22p63s23p4；②1s22s22p63s23p3；③1s22s22p5。下列有关比较中正确的是( )
A．最高正化合价：③>②>①
B．原子半径：③>②>①
C．电负性：③>②>①
D．第一电离能：③>②>①
解析：选D。根据核外电子排布式可知①是S，②是P，③是F。F无正价，A错误；同周期主族元素自左向右原子半径逐渐减小，同主族元素自上而下原子半径逐渐增大，则原子半径：②>①>③，B错误；同周期主族元素自左向右电负性逐渐增大，同主族元素自上而下电负性逐渐减小，则电负性：③>①>②，C错误；同周期主族元素自左向右第一电离能呈增大趋势，但P的3p轨道电子处于半充满状态，稳定性强，第一电离能大于S，则第一电离能：③>②>①，D正确。
2．明代宋应星所著《天工开物》中已经记载了我国古代用炉甘石(主要成分为ZnCO3)和煤冶锌工艺，锌的主要用途是制造锌合金和作为其他金属的保护层。回答下列问题：
(1)硫酸锌溶于氨水形成[Zn(NH3)4]SO4溶液。氨的热稳定性强于膦(PH3)，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)黄铜是由铜和锌所组成的合金，元素铜与锌的第一电离能分别为ICu＝746 kJ·mol－1，IZn＝906 kJ·mol－1，ICuC>Zn。
答案：(1)氮元素的非金属性强于磷元素 (2)锌失去的是全充满的4s2电子，铜失去的是4s1电子 (3)O>C>Zn
3．根据信息回答下列问题：
(1)如图是部分元素原子的第一电离能I1随原子序数变化的曲线图(其中12～17号元素的有关数据缺失)。
①认真分析图中同周期元素第一电离能的变化规律，推断Na～Ar元素中，Al的第一电离能的大小范围为________Mg>Ca，由表中数据可确定的Mg元素电负性的最小范围为0.9～1.5。③根据已知条件及表中数据可知，Li与N电负性差值为2.0，大于 1.7，形成离子键，Li3N为离子化合物；Be与Cl、Al与Cl、Si与C电负性差值分别为1.5、1.5、0.7，均小于1.7，形成共价键，BeCl2、AlCl3、SiC均为共价化合物。共价化合物和离子化合物最大的区别在于熔融状态下能否导电。离子化合物在熔融状态下以离子形式存在，可以导电，但共价化合物不能。
答案：(1)①Na Mg ②五 ⅠA
(2)①随着原子序数的递增，元素的电负性呈周期性变化
②0.9～1.5 ③A BCD 测定各物质在熔融状态下能否导电，若导电，则为离子化合物；反之，则为共价化合物
1．(电子排布式和电子排布图)(1)[2019·高考全国卷Ⅱ，35(2)]Fe成为阳离子时首先失去________轨道电子，Sm的价层电子排布式为4f66s2，Sm3＋价层电子排布式为________。
(2)[2018·高考全国卷Ⅰ，35(1)]下列Li原子电子排布图表示的状态中，能量最低和最高的分别为______、______(填标号)。
A. B.
C. D.
(3)[2017·高考全国卷Ⅱ，35(1)]氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)为__________。
(4)[2017·高考全国卷Ⅲ，35(1)]Co基态原子核外电子排布式为____________。
答案：(1)4s 4f5 (2)D C (3)
(4)1s22s22p63s23p63d74s2(或[Ar]3d74s2)
2．(核外未成对电子数)(1)[2016·高考全国卷Ⅰ，37(1)]基态Ge原子有________个未成对电子。
(2)[2016·高考全国卷Ⅱ，37(1)]镍元素基态原子的3d能级上的未成对电子数为________。
答案：(1)2 (2)2
3．(电子运动状态和电子云)(1)[2019·高考全国卷Ⅲ，35(1)改编]镁元素基态原子核外M层电子的自旋状态________________(填“相同”或“相反”)。
(2)[2018·高考全国卷Ⅱ，35(1)]基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为________________形。
答案：(1)相反 (2)哑铃
4．(电离能)(1)[2019·高考全国卷Ⅰ，35(1)]下列状态的镁中，
电离最外层一个电子所需能量最大的是________(填标号)。
(2)[2018·高考全国卷Ⅰ，35(4)改编]由2Li(晶体)2Li(g)2Li＋(g)可知，Li原子的第一电离能为________________kJ·mol－1。
(3)[2016·高考全国卷Ⅲ，37(2)]根据元素周期律，第一电离能Ga________________As(填“大于”或“小于”)。
答案：(1)A (2)520 (3)小于
5．(电负性)(1)[2016·高考全国卷Ⅰ，37(4)]光催化还原CO2制备CH4反应中，带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大至小的顺序是________________。
(2)[2015·高考全国卷Ⅱ，37(1)改编]O、Na、P、Cl四种元素中电负性最大的是____________(填元素符号)。
答案：(1)O>Ge>Zn (2)O
6．(离子半径或原子半径)(1)[2018·高考全国卷Ⅰ，35(2)]Li＋与H－具有相同的电子构型，r(Li＋)小于r(H－)，原因是__________________________________________。
(2)[2016·高考全国卷Ⅲ，37(2)]根据元素周期律，原子半径Ga________________As(填“大于”或“小于”)。
答案：(1)Li＋核电荷数较大 (2)大于
1．碳、硅、铁、铜、铝、钛是重要的材料元素。请回答下列有关问题：
(1)上述元素中属于主族元素的是________________(填元素符号，下同)，在元素周期表d区的元素是________________。
(2)原子核外电子含有四个能层的元素是________，基态原子的原子轨道中未成对电子数最多的是________________________________________________________________________。
(3)基态钛原子外围电子的电子排布图为____________________________________
________________________。
(4)基态铜原子的外围电子排布式为3d104s1，由此可判断铜在元素周期表中位于第________周期________族。
解析：(1)C、Si是第ⅣA族元素，Al是第ⅢA族元素；Cu、Ti是副族元素，Fe是第Ⅷ族元素。C、Si、Al位于p区，Ti、Fe位于d区，Cu位于ds区。(2)
第四周期的Ti、Fe、Cu均有四个能层；基态Fe原子的外围电子排布式为3d64s2，d轨道中含有4个未成对电子。(3)钛位于第四周期ⅣB族，外围电子排布式为3d24s2。(4)由外围电子排布式中的4s可推知，Cu为第四周期元素，由外围电子排布式中的电子为11个可知，Cu在元素周期表中第11列，位于第ⅠB族。
答案：(1)C、Si、Al Ti、Fe (2)Ti、Fe、Cu Fe
(3) (4)四 ⅠB
2．(2020·长春月考)如图为元素周期表前三周期的一部分。
(1)X的基态原子的电子排布图是________(填序号)；
另一电子排布图不能作为基态原子的电子排布图是因为它不符合________(填字母)。
A．能量最低原理 B．泡利原理 C．洪特规则
(2)以上五种元素中，________________(填元素符号)元素第一电离能最大。
(3)由以上某种元素与氢元素组成的三角锥形分子E和由以上某种元素组成的直线形分子G反应，生成两种直线形分子L和M(组成E、G、L、M分子的元素原子序数均小于10)，反应如图所示，该反应的化学方程式是__________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：根据元素周期表的结构可知X为N，Z为F，R为Ne，W为P，Y为S。
(1)当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，且自旋状态相同，因此氮元素的基态原子的电子排布图为(2)在所给五种元素中，氖元素最外层已达8电子的稳定结构，因此失去核外第一个电子需要的能量最多，即第一电离能最大。(3)根据题给图示可知E为NH3，G为F2，L为HF，M为N2，故该反应的化学方程式为2NH3＋3F2===6HF＋N2。
答案：(1)② C (2)Ne (3)2NH3＋3F2===6HF＋N2
3．(2020·衡水月考)现有四种短周期元素，它们的结构、性质等信息如下表所述：
元素
结构、性质等信息
A
是短周期中(除稀有气体外)原子半径最大的元素，该元素的某种合金是原子反应堆的导热剂
B
与A同周期，其最高价氧化物的水化物呈两性
C
在空气中含量第二，在地壳中含量第一
D
海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生产过程中常用的消毒杀菌剂
请根据表中信息填写：
(1)A原子的核外电子排布式为_____________________________________________。
(2)B元素在周期表中的位置是________________；离子半径：B________A(填“大于”或“小于”)。
(3)C原子的电子排布图是________________，其原子核外有________个未成对电子，能量最高的电子为______轨道上的电子，其轨道呈________形。
(4)D原子的电子排布式为________________，D－的结构示意图是________________。
(5)B的最高价氧化物对应的水化物与A的最高价氧化物对应的水化物反应的化学方程式为________________________________；B的最高价氧化物对应的水化物与D的氢化物的水溶液反应的化学方程式为_____________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：根据题中信息可推出：A为Na，B为Al，C为O，D为Cl。
(1)A为Na，其核外电子排布式为1s22s22p63s1或[Ne]3s1。(2)B为Al，其在元素周期表中的位置为第三周期ⅢA族，Na＋与Al3＋核外电子排布相同，核电荷数Al3＋大于Na＋，故r(Al3＋)C>H。
答案：(1)第四周期ⅠB族 1s22s22p63s23p63d8(或[Ar]3d8) (2)B (3)O>C>H
5．Ⅰ.Na、Cu、O、Si、S、Cl是常见的六种元素。
(1)Na位于元素周期表第________周期________族；S的基态原子核外有________个未成对电子；Si的基态原子核外电子排布式为____________________。
(2)用“>”或“<”填空：
第一电离能
离子半径
熔点
酸性
Si____S
O2－____Na＋
NaCl____Si
H2SO4____ HClO4
Ⅱ.下表是元素周期表的一部分，表中所列的字母分别代表一种化学元素。试回答下列问题：
(3)h的单质在空气中燃烧发出耀眼的白光，请用原子结构的知识解释发光的原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)o、p两元素的部分电离能数据列于下表：
元素
o
p
电离能/ (kJ·mol－1)
I1
717
759
I2
1 509
1 561
I3
3 248
2 957
比较两元素的I2、I3可知，气态o2＋再失去一个电子比气态p2＋再失去一个电子难。对此，你的解释是________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)已知稀有气体熔、沸点均为同周期的最低者，第三周期8种元素按单质熔点由低到高的顺序排列如图甲所示，其中电负性最大的是________(填图中的序号)。
(6)所给元素周期表中所列的某主族元素的电离能情况如图乙所示，则该元素是____________(填元素符号)。
解析：Ⅰ.(1)Na元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s1，则Na位于元素周期表第三周期ⅠA族。S元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，其中3p轨道有2个未成对电子。Si元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2。
(2)同周期元素的第一电离能随原子序数的递增呈增大趋势，但s、p、d等轨道处于全空、半满、全满的稳定状态时，则出现反常现象。Si、S元素基态原子的价电子排布式分别为3s23p2、3s23p4，其中3p轨道均处于不稳定状态，因此Si的第一电离能小于S。O2－和Na＋的核外电子排布相同，其电子排布式均为1s22s22p6，离子核外电子排布相同时，原子序数越大，离子半径越小，因此O2－的离子半径大于Na＋。NaCl为离子晶体，Si为原子晶体，因此Si的熔点高于NaCl。一般来说，元素的非金属性越强，该元素的最高价氧化物对应水化物的酸性越强，Cl元素的非金属性强于S元素，则HClO4的酸性强于H2SO4。
Ⅱ.(3)h为Mg元素，Mg单质在空气中燃烧发出耀眼的白光，原因是电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光(子)的形式释放能量。
(4)o元素为Mn，Mn2＋的基态离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5，其3d能级为半充满状态，相对比较稳定，当其再失去一个电子时比较困难，而p元素为Fe，Fe2＋的基态离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，其3d能级再失去一个电子即为半充满状态，形成相对比较稳定的结构，故其再失去一个电子比较容易。
(5)第三周期8种元素分别为钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩，其单质中钠、镁、铝形成金属晶体，熔点依次升高；硅形成原子晶体；磷、硫、氯、氩形成分子晶体，且常温下磷、硫为固体，氯气、氩气为气体，根据已知信息可推知8种元素单质中熔点最低的为氩气，则氯气次之，故序号2代表氯气，其电负性最大。
(6)由图可知，该元素的电离能I4远大于I3，故为第ⅢA族元素，题给周期表中所列的第ⅢA族元素i属于第三周期，应为Al。
答案：Ⅰ.(1)三 ⅠA 2 1s22s22p63s23p2(或[Ne]3s23p2)
(2)< > < <
Ⅱ.(3)电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光(子)的形式释放能量
(4)Mn2＋的3d轨道电子排布为半充满状态，比较稳定
(5)2
(6)Al
