考点2-电子云与原子轨道-泡利原理、洪特规则、能量最低原理(解析版).doc

考点2　电子云与原子轨道　泡利原理、洪特规则、能量最低原理
【核心考点梳理】
考点一、构造原理与电子排布式
1．构造原理
(1)含义
以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。
(2)示意图

2．电子排布式
将能级上所容纳的电子数标在该能级符号右上角，并按照能层从左到右的顺序排列的式子。
如氮原子的电子排布式为

考点二、电子云与原子轨道
1．概率密度
1913年，玻尔提出氢原子模型，电子在线性轨道上绕核运行。
量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可用概率密度(ρ)表示，即ρ＝(P表示电子在某处出现的概率；V表示该处的体积)。
2．电子云
(1)定义：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)含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越密，表示概率密度越大。
(3)形状

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。

(3)各能级所含有原子轨道数目
能级符号
ns
np
nd
nf
轨道数目
1
3
5
7
【核心归纳】
原子轨道与能层序数的关系
(1)不同能层的同种能级的原子轨道形状相同，只是半径不同。能层序数n越大，原子轨道的半径越大。如：

(2)s能级只有1个原子轨道。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)原子轨道数与能层序数(n)的关系：原子轨道数目＝n2。
【必备知识基础练】
1．（2021·河北·张家口市第一中学高二期中）下列化学用语的表示正确的是
A．硝基苯的结构简式： B．甲基的电子式为
C．基态价电子排布式为 D．基态碳原子价电子轨道表示式为
【答案】B
【详解】A．硝基苯中N与苯环相连，结构简式为，A错误；
B．甲基由1个C原子和1个H原子构成，有9个电子，电子式为，B正确；
C．Fe2+的价电子排布式为3d6，C错误；
D．基态碳原子价电子轨道表示式为，D错误；
故选B。
2．（2021·广东·东莞市光明中学高二阶段练习）北京奥运会主体育场“鸟巢”，被《泰晤士报》评为全球“最强悍”工程之一、建造“鸟巢”运用了高强度、高性能的钒氮合金高新钢，23V原子的价电子排布式正确的是
A．3s23p1 B．3d34s2 C．3d64s2 D．4s2
【答案】B
【详解】23V原子核外有23个电子，核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d34s2，其价电子排布式是3d34s2，故答案选B。
3．（2021·北京昌平·高二期末）下列对基态碳原子价电子的轨道表示式书写正确的是
A． B．
C． D．
【答案】D
【分析】基态原子核外电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。基态碳原子价电子的轨道表示式为 。
【详解】A．基态碳原子价电子层为第二层，即L层，违反了能量最低原理，故A错误；
B．在2p轨道上的两个电子自旋方向应该相同， 违反了洪特规则，故B错误；
C．2s轨道上应该排布2个电子，违反了能量最低原理，此排布式为激发态碳原子的价电子轨道表示式，故C错误；
D．符合能量最低原理、泡利原理和洪特规则，故D正确；
故答案为D。
4．（2021·四川省内江市第六中学高二阶段练习）下列化学用语表述正确的是
A．镁原子由1s22s22p63s13p1→1s22s22p63s2时，原子释放能量，由激发态转化成基态
B．基态Se的价电子排布式：
C．基态铍原子最外层电子的电子云图为：
D．电子仅在激发态跃进到基态时才会产生原子光谱
【答案】A
【详解】A．镁原子由1s22s22p63s13p1→1s22s22p63s2时，原子释放能量，由激发态转化成基态，A正确；
B．基态Se的价电子排布式：，B错误；
C．基态Be的价电子排布式：，则基态铍原子最外层电子的电子云图轮廓为球形，C错误；
D．原子光谱有两种：吸收光谱和发射光谱，电子由基态跃迁到激发态，或由激发态跃迁到基态，都会产生原子光谱，D错误。
故选A。
5．（2020·河北省玉田县第一中学高二期末）下列有关电子排布式或排布图的结论错误的是
选项
电子排布式
结论
A
1s2 2s2 2p2p2p
违背洪特规则
B
1s2s2p63s2 3p63d3
书写正确
C
N的电子排布图:
违背泡利原理
D
1s22s2 2p6 3s2 3p63d54s1
书写正确
【答案】B
【详解】A．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，且自旋方向相同，所以2p能级上电子排布图违背了洪特规则，A正确；
B．原子核外电子先占有能量较低的轨道，然后依次进入能量较高的轨道，3d能级的能量高于4s能级，应先填充4s能级，再填充3d能级，则没有填充4s能级违背了能量最低原理，B错误；
C．当电子排布在同一轨道时，每个轨道最多容纳2个电子，且自旋方向相反，1s和2s的自旋方向相同违背了泡利原理，C正确；
D．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，全空、全满或半满时能量最低，则电子排布式1s22s22p63s23p63d54s1符合构造原理和洪特规则特例，书写正确，D正确；
答案选B。
6．（2021·辽宁·辽河油田第一高级中学高二期中）下列说法不正确的是
A．基态原子的核外电子填充在6个轨道中的元素有两种
B．碳原子的核外电子轨道表示式：
C．基态钾离子(K+)，电子占据的最高能级共有3个原子轨道，其形状是哑铃形
D．基态铜原子的电子占有5种能量不同的原子轨道
【答案】D
【详解】A．原子核外电子填充在6个轨道上的元素可能的电子排布式为1s22s22p63s1或1s22s226 3s2，所以有两种元素，故A正确；
B．碳原子有6个电子，它的核外电子轨道表示式：，故B正确；
C．基态钾离子(K+)的电子排布式为：1s22s22p63s23p6，电子占据的最高能级共有3个原子轨道，其形状是哑铃形，故C正确；
D．基态铜原子的电子排布式为：1s22s22p63s23p64s13d10，电子占有7种能量不同的原子轨道，故D错误；
故答案：D。
7.(1)氧元素基态原子核外未成对电子为　　　个,第三周期中有两个成单电子的元素符号　　　　(填一种即可),M能层上有2对成对电子的原子最外层共有　　　种不同运动状态的电子。 
(2)写出1~36号元素原子中未成对电子数为2的元素符号及价层电子排布式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)某元素的原子序数为33,该元素原子的价层电子排布式为　　　　　,该元素原子核外有　　　个能层,　　　个能级,　　　个原子轨道,有　　　个单电子。 
【答案】(1)2　Si(或S)　6
(2)C:2s22p2,Si:3s23p2,Ge:4s24p2,O:2s22p4,S:3s23p4,Se:4s24p4,Ti:3d24s2,Ni:3d84s2
(3)4s24p3　4　8　18　3
【解析】(1)O原子核外有8个电子,其基态原子核外电子排布式为1s22s22p4,故未成对电子数是2。第三周期中有两个未成对电子(单电子)的元素的价电子排布式为3s23p2或3s23p4,核外电子数为14或16,元素符号为Si或S。M能层上有2对成对电子的原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4,最外层有6个电子,每个电子的运动状态不相同,所以共有6种不同运动状态的电子。
(2)1~36号元素中具有最外层为p2、p4、3d2、3d8结构的原子有2个未成对电子。符合条件的元素价层电子排布式为2s22p2、3s23p2、4s24p2、2s22p4、3s23p4、4s24p4、3d24s2、3d84s2,分别为C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni元素。
(3)先利用能级顺序和排布规律排出其电子排布式:1s22s22p63s23p63d104s24p3,价层电子排布式为4s24p3,得出该元素原子核外有8个能级,共1+1+3+1+3+5+1+3=18个原子轨道(s:1个轨道;p:3个轨道;d:5个轨道),3个单电子。
【关键能力提升练】
8.具有下列电子层结构的原子,其对应元素一定属于同一周期的是(　　)
A.两种原子的电子层上全部都是s电子
B.3p能级上只有一个空轨道的原子和3p能级上有一个未成对电子的原子
C.最外层电子排布式为2s22p6的原子和最外层电子排布式为2s22p6的离子
D.原子核外M能层上的s能级和p能级都填满了电子,而d能级尚未排有电子的两种原子
【答案】B
【解析】两原子的核外全部都是s电子,则原子具有1s能级或具有1s、2s能级,如果是氢原子与锂原子,二者并不处于同一周期,A项错误。3p能级上只有一个空轨道的原子,其价层电子排布式为3s23p23p能级上只有一个未成对电子的原子,其价电子排布式为3s23p1或3s23p5,三者都处于第三周期,B项正确。最外层电子排布式为2s22p6的原子为氖原子;最外层电子排布式为2s22p6的离子可能是阴离子也可能是阳离子,如O2-、Na+等,不一定处于同一周期,C项错误。原子核外M能层上的s、p能级都充满电子,而d能级中没有电子,符合条件的原子有氩原子、钾原子、钙原子,故不一定处于同一周期,D项错误。
9.下列有关核外电子排布的式子不正确的是(　　)
A．基态24Cr原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1
B．基态K原子的简化电子排布式：[Ar]4s1
C．基态N原子的电子排布图：
D．基态Si原子的电子排布图：

【答案】D　
【解析】基态24Cr原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，这样排布满足洪特规则的特例，且能量最低，A正确；基态K原子核外有19个电子，故其简化电子排布式为[Ar]4s1，B正确；基态N原子核外有7个电子，其电子排布图为，C正确；Si原子3p能级的电子排布遵循洪特规则，应该是，D不正确。
10.下列关于价层电子排布式为3s23p4的粒子的描述正确的是(　　)
A.它的元素符号为O
B.它的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4
C.可以与H2化合生成常温下呈液态的化合物
D.其轨道表示式为:
【答案】B
【解析】价层电子排布式为3s23p4的原子是S,O原子的价电子排布式为2s22p4,A错误;S原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4,B正确;硫和氢气化合生成的硫化氢在常温下是气体而不是液体,C错误;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,且自旋平行,所以D项中的轨道表示式违反洪特规则,D错误。
11.下列各组原子中，彼此化学性质一定相似的是(　　)
A．最外层都只有一个电子的X、Y原子
B．原子核外M层上仅有两个电子的X原子与原子核外N层上仅有两个电子的Y原子
C．原子核外电子排布式为1s2的X原子与原子核外电子排布式为1s22s2的Y原子
D．2p轨道上只有一个空轨道的X原子与3p轨道上只有一个空轨道的Y原子
【答案】D　
【解析】D项，X原子是C原子，Y原子为Si原子，二者位于同一主族，最外层电子数相同，化学性质相似，D正确。
12.下列各组原子中,彼此化学性质一定相似的是(　　)
A.电子排布式为1s2的X原子与电子排布式为1s22s2的Y原子
B.原子核外M能层上仅有两个电子的X原子与原子核外N能层上仅有两个电子的Y原子
C.2p能级中有一个空轨道的X原子与3p能级中有一个空轨道的Y原子
D.最外层都只有1个电子的X、Y原子
【答案】C
【解析】电子排布式为1s2的原子为He,电子排布式为1s22s2的原子为Be,两者化学性质不相似,A错误;原子核外M能层上仅有两个电子的X原子为Mg,原子核外N能层上仅有两个电子的Y原子有多种,如第四周期中Ca、Fe、Zn等,化学性质不一定相似,B错误;2p能级中有一个空轨道的X原子为C,3p能级中有一个空轨道的Y原子为Si,均为第ⅣA族元素,同主族的C和Si化学性质相似,C正确;原子最外层只有1个电子有第ⅠA族元素及部分过渡元素(如Cr、Cu),其化学性质不一定相似,D错误。
13.根据核外电子的排布特点推断元素。
(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,其元素符号为　　　;其价层电子的轨道表示式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)B元素的正三价离子的3d能级为半充满,B的元素符号为　　　,其基态原子的电子排布式为　　　　　　　　　　　　,其原子的结构示意图为　　　　　　　　。 
(3)C元素基态原子的M能层全充满,N能层没有成对电子且只有一个未成对电子,C的元素符号为　　　,其基态原子的电子排布式为　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(4)D元素的原子最外层电子排布式为nsnn,则n=　　　;原子中能量最高的是　　　电子,核外电子轨道表示式为　　　　　　　　　　　。 
【答案】(1)N　
(2)Fe　1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)　
(3)Cu　1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(4)2　2p　
【解析】(1)A元素基态原子的轨道表示式由题意可写成:,则该元素核外有7个电子,为氮元素,其元素符号为N。
(2)B元素原子失去2个4s电子和1个3d电子后变成+3价离子,其原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,即26号元素铁。
(3)C元素的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,故C元素为Cu。
(4)由题意D元素的原子最外层电子排布式为2s22p4,则n=2。
14.有X、Y、Z、Q、T五种元素，X原子的M层的p轨道上有2个未成对电子，Y原子的价层电子排布式为3d64s2，Z原子的L层的p能级上有一个空轨道，Q原子的L层的p轨道上只有1对成对电子，T原子的M层的p轨道处于半充满状态。试回答下列问题：
(1)X的元素符号为__________，Y的元素符号为__________。
(2)Z的核外电子排布式为__________，Q的核外电子轨道表示式为__________，T的核外电子轨道表示式为____________________。
(3)Y的单质在Q的单质中燃烧的化学方程式为_______________。
【答案】(1)Si或S　Fe
(2)1s22s22p2　

(3)3Fe＋2O2Fe3O4
【解析】M层的p轨道上有2个未成对电子，可能是3p2，也可能是3p4，故X可能是Si，也可能是S；Y原子的价层电子排布式为3d64s2，则其原子的核外电子排布式是[Ar]3d64s2，核电荷数是26，Y是Fe；Z原子的2p能级上有一个空轨道，只能是2p2，则Z是C(碳)；Q原子的2p轨道上只有1对成对电子，应为2p4，则Q是O；T原子的3p轨道处于半充满状态，应为3p3，则T是P。

15.已知X、Y、Z、W、Q、R、E七种元素中,原子序数X原子最外层电子排布式为nsnnpn+1
Z
单质在常温、常压下是气体,原子的M能层上有1个未成对的p电子
W
元素的正一价离子的电子层结构与氩原子相同
Q
元素的核电荷数为Y和Z之和
R
元素的正三价离子的3d能级为半充满
E
元素基态原子的M能层全充满,N能层没有成对电子,只有一个未成对电子

请根据信息回答有关问题:
(1)元素X的原子核外共有　　　种不同运动状态的电子,有　　　种不同能级的电子。元素Y的原子核外未成对电子数为　　　　　　;元素Z的价层电子排布式为　　　　　　　。 
(2)元素Q的基态原子电子排布式为　　　　　　　　　　　　　　　　,R的元素符号为　　　　,E元素基态原子的价层电子排布式为　。 
(3)含有元素W的盐的焰色试验为　　　色,许多金属元素形成的盐都可以发生焰色试验,其原因是　  　。 
【答案】(1)6　3　3　3s23p5
(2)1s22s22p63s23p63d54s1　Fe　3d104s1
(3)紫　激发态的电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时,以一定波长(可见光区域)的光的形式释放能量,发出不同颜色的光
【解析】X元素原子的L能层上s电子数等于p电子数,即其电子排布式为1s22s22p2,故X为碳元素,其原子核外共有6种不同运动状态的电子,有3种不同能级的电子。元素Y的原子的最外层电子排布式为2s22p3,则Y为氮元素。Z元素原子的M能层上有1个未成对的p电子,可能为Al或Cl,单质在常温、常压下是气体的是Cl2,故Z为Cl元素;W元素正一价离子与氩原子核外电子层结构相同,则W为钾元素;Q为Cr元素,基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1;R元素原子失去2个4s电子和1个3d电子后变成+3价离子,其原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,即R为26号元素Fe;根据题给信息,E元素原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,该元素为29号元素Cu,其原子的价层电子排布式为3d104s1。
【学科素养拔高练】
16.有四种短周期元素,与其相关的结构、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
B与A同周期,其最高价氧化物对应水化物具有两性
C
元素的气态氢化物极易溶于水,可用作制冷剂
D
是海水中除氢、氧元素外含量最高的元素,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

请根据表中信息回答下列问题:
(1)A元素基态原子的电子排布式为　。 
(2)B元素在元素周期表中的位置为　。 
(3)C基态原子的轨道表示式是　　　　　　　　,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,其原子轨道呈　　　　　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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
【答案】(1)1s22s22p63s1
(2)第三周期第ⅢA族
(3)　3　2p　哑铃
(4)1s22s22p63s23p5或[Ne]3s23p5　
(5)NaOH+Al(OH)3NaAlO2+2H2O　3HCl+Al(OH)3AlCl3+3H2O
【解析】根据同周期和同主族元素原子半径的变化规律可知,短周期元素中(除稀有气体外)原子半径最大的元素是Na,且钠与钾的合金是原子反应堆的导热剂;与钠元素同周期且最高价氧化物对应的水化物具有两性的元素是Al;NH3极易溶于水,且可用作制冷剂,故C元素是N;海水中除氢、氧元素外含量最高的元素D是Cl,其单质(Cl2)或化合物(ClO2等)可用作自来水生产过程中常用的消毒杀菌剂。