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第1课时 必备知识——原子结构与性质
[基本概念]①能层；②能级；③原子轨道；④基态和激发态；⑤原子光谱；⑥电子排
知识 布图(或轨道表示式)；⑦电离能；⑧电负性
清单
[基本规律]①能量最低原理；②泡利原理；③洪特规则；④电离能的变化规律及应
用；⑤电负性的变化规律及应用
知识点1 原子核外电子排布
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
同一能层里的电子的能量也可能不同，又可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 的顺序升高。
(3)原子轨道
原子半径就是指电子在原子核外的一个空间运动状态，即电子在核外经常出现的区域，
其中电子云轮廓图就是这种区域的描述，故这种电子云轮廓图就是原子轨道形象化的描述。
原子轨道 轨道形状 轨道数目
s 球形 1
p 哑铃形(或纺锤形) 3
d 5
f 7
第一能层(K)只有s能级，有1个原子轨道；第二能层(L)有s、p两种能级，有4个
原子轨道；第三能层(M)有s、p、d三种能级，有9个原子轨道，其中同一能级的不同原子轨道
具有相同的能量。
2．基态原子核外电子排布的三个规律
(1)能量最低原理：电子总是尽先占有能量最低的原子轨道，然后依次进入能量较高的原
子轨道，使整个原子的能量处于最低状态。其中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。其构造原理示意图如下：由构造原理可知，从第三能层开始，不同能层的能级出现交错现象，如E(3d)＞
E(4s)、E(4f)＞E(5p)、E(4f)＞E(6s)等，即E(ns)＜E[(n－2)f]＜E[(n－1)d]＜E(np)，其中n表示能
层数。
(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。例如，2s2的电
子排布为 ，不能表示为 。
(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 1 个 轨道，且自旋状态相同。例如，2p3的电子排布为 2p,，不能表示为
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，例如： Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1。
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3．基态原子(离子)核外电子排布式的表示方法
(1)核外电子排布式
按电子排入各能层中不同能级的先后顺序，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。例如，Cu：1s22s22p63s23p63d104s1，其简化电子排布式为： [Ar]3d 10 4s 1 。
(2)价电子排布式
表示原子核外价层电子排布的式子。例如，基态Fe原子的电子排布式为[Ar]3d64s2，价电
子排布式为 3d 6 4s 2 。
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。
(3)电子排布图(轨道表示式)
用方框表示原子轨道，用“↑”或“↓”表示自旋方向不同的电子，表示核外电子排入
各能层中不同能级的先后顺序和在轨道中的排布情况书写的图形(或式子)。
例如，基态S原子： ，核外电子排
布图能直观地反映出原子的核外电子的自旋情况以及成对电子对数和未成对的单电子数。4．原子状态与原子光谱
(1)基态和激发态
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，从低能级跃迁到高能级状态的原子。
(2)原子光谱
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，用光谱仪记录下来便得到原子光
谱。利用原子光谱的特征谱线可以鉴定元素，称为光谱分析。
(3)基态、激发态及光谱示意图
[通关1] (易错排查)判断正误
(1)铁元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d6( )
(2)Cr的基态原子的简化电子排布式为[Ar]3d44s2( )
(3)基态原子电子能量的高低顺序为E(1s)＜E(2s)＜E(2p)＜E(2p)＜E(2p)( )
x y z
(4)电子排布式( Ti)1s22s22p63s23p10违反了能量最低原则( )
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(5)磷元素基态原子的电子排布图为
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
[通关2] (人教选修3·P ，6题改编)下列电子排布图所表示的元素原子中，其能量处于最
12
低状态的是( )答案 C
[通关3] (1)(2020·天津卷·13(1))Fe、Co、Ni在周期表中的位置为________________，基态
Fe原子的电子排布式为____________________。
(2)(2020·全国卷Ⅰ·35(1))基态Fe2＋与Fe3＋离子中未成对的电子数之比为________。
(3)(2020·全国卷Ⅱ·35(1))基态Ti原子的核外电子排布式为______________。
答案 (1)第四周期第Ⅷ族1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2
(2)4∶5
(3)1s22s22p63s23p63d24s2或[Ar]3d24s2
[通关4] (1)[2019·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＋的价层电子排布式为__________________。
(2)[2019·全国卷Ⅲ，35(1)]在周期表中，与Li的化学性质最相似的邻族元素是________，
该元素基态原子核外M层电子的自旋状态________(填“相同”或“相反”)。
(3)[2019·江苏卷，21A(1)]Cu O广泛应用于太阳能电池领域。以CuSO 、NaOH和抗坏血
2 4
酸为原料，可制备Cu O。其中Cu2＋基态核外电子排布式为__________。
2
解析 (1)Fe为26号元素，Fe原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，若Fe原子失
去1个电子，则使4s轨道为半充满状态，能量较低，故首先失去4s轨道电子；Sm的价层电子
排布式为4f66s2，先失去能量较高的6s上的2个电子，再失去4f上的1个电子形成Sm3＋稳定
状态，所以Sm3＋的价层电子排布式为4f5。
(2)根据元素周期表和对角线规则可知，与锂化学性质相似的是镁，镁的最外层电子数是
2，占据3s轨道，据泡利原理可知，3s轨道上排布的2个电子的自旋方向相反。
(3)Cu位于第四周期IB族，其价电子排布式为3d104s1，因此Cu2＋基态核外电子排布式为
[Ar]3d9或1s22s22p63s23p63d9。
答案 (1)4s 4f5 (2)Mg 相反 (3)[Ar]3d9或1s22s22p63s23p63d9
[通关5] (深度思考)请根据下列要求填空：(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
________；其价电子排布图为________________。
(2)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____________。
(3)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子且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____________________。
(4)F元素的原子最外层电子排布式为nsnnpn＋2，则n＝________；原子中能量最高的是
________电子，核外电子排布图为________________________。
答案 (1)N (2)Fe 1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(3)Cu 1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)
(4)2 2p
知识点2 原子结构与元素的性质
一、原子结构与元素周期表的关系1．原子结构与周期的关系
电子层 每周期第一种元素 每周期最后一种元素
周期
(能层)数 原子序数 价电子排布式 原子序数 价电子排布式
二 2 3 2s 1 10 2s 2 2p 6
三 3 11 3s 1 18 3s 2 3p 6
四 4 19 4s 1 36 4s 2 4p 6
五 5 37 5s 1 54 5s 2 5p 6
六 6 55 6s 1 86 6s 2 6p 6
七 7 87 7s 1 118 7s 2 7p 6
2.原子结构与族的关系
主族 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA
价电子
n s 1 n s 2 n s 2 n p 1 n s 2 n p 2
排布特点
主族 ⅤA ⅥA ⅦA
价电子排布特点 n s 2 n p 3 n s 2 n p 4 n s 2 n p 5
①主族序数＝价电子数(最外层电子数)；②0族：He为1s2；其他均为ns2np6；③
过渡元素(副族和第Ⅷ族)：(n－1)d1～10ns1～2。
3．元素周期表的分区与价电子排布的关系
(1)元素周期表的分区
(2)各区元素原子价电子排布及性质特点
分区 元素分布 价电子排布 元素性质特点
除氢外都是活泼金属元
s区 ⅠA族、ⅡA族 ns1～2
素；最外层电子参与反应
p区 ⅢA族～ⅦA族、0族 ns2np1～6(He除外) 最外层电子参与反应
ⅢB族～ⅦB族、Ⅷ族(除 d轨道可以不同程度地参
d区 (n－1)d1～9ns1～2(除Pd外)
镧系、锕系外) 与反应
ds区 ⅠB族、ⅡB族 (n－1)d10ns1～2 金属元素
f区 镧系、锕系 (n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2 同系列元素化学性质相近
对于主族元素，价电子就是最外层电子，而对于过渡元素原子不仅仅是最外电子层。例如，Fe的价电子层排布式为3d64s2。
二、原子结构与元素性质的关系
1．原子半径
(1)影响因素
(2)变化规律：元素周期表中的同周期主族元素从左到右，原子半径逐渐减小；同主族元
素从上到下，原子半径逐渐增大。
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，符号为
I，单位为 kJ·mol － 1 。
1
(2)基本规律
①元素第一电离能的周期性变化
同周期从左到右，第一电离能呈增大的趋势，稀有气体的第一电离能最大，碱金属的第
一电离能最小；同主族从上到下，第一电离能逐渐减小。
②元素第一电离能的变化图示
同周期主族元素，第ⅡA族元素(ns2np0)的np轨道处于全空状态，第ⅤA族元素
(ns2np3)的np轨道处于半充满状态，均比较稳定，故第ⅡA族元素的第一电离能大于同周期
相邻的第ⅢA族，第ⅤA族元素的第一电离能大于同周期第ⅥA族元素的第一电离能。例如，
第一电离能：Mg＞Al，P＞S。
(3)电离能的应用
①判断元素金属性的强弱：第一电离能越小，金属越容易失去电子，金属性越强；反之越
弱。
②判断元素的化合价(I
1
、I
2
……表示各级电离能)：如果某元素的I
n＋1
≫I
n
，则该元素的常
见化合价为＋n。例如，钠元素的I≫I，故钠元素的化合价为＋1。
2 1
③判断核外电子的分层排布情况：多电子原子中，元素的各级电离能逐级增大，有一定
的规律性。当电离能的变化出现突变时，电子层数就可能发生变化。
④反映元素原子的核外电子排布特点：同周期元素从左向右，元素的第一电离能并不是
逐渐增大的，当元素原子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)含义
不同元素的原子在化合物中吸引键合电子能力的大小。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 和锂的电负性为1.0 作为相对标准，计算得出其他
元素的电负性(稀有气体元素未计)。
(3)变化规律
①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，它们既有金属性又有非金属性。
②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)电负性的应用
4．元素性质的对角线规则
在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的，如
。
[通关1] (易错排查)判断正误
(1)钠元素的第一、第二电离能分别小于镁元素的第一、第二电离能( )
(2)N、O、F四种元素第一电离能从大到小的顺序是N>O>F( )
(3)＋3价阳离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5的元素在周期表中位于第四周期第Ⅷ
族( )(4)价电子排布式为4s24p3的元素位于第四周期ⅤA族，是p区元素( )
(5)元素的电负性越大，非金属性越强，第一电离能也越大( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)×
[通关2] (人教选修3·P ，2题改编)下列四种元素的基态原子的电子排布式如下：
24
①1s22s22p63s23p4 ②1s22s22p63s23p3 ③1s22s22p3 ④1s22s22p5
则下列有关的比较中正确的是( )
A．第一电离能：④>③>②>①
B．原子半径：④>③>②>①
C．电负性：④>③>②>①
D．最高正化合价：④>③＝②>①
答案 A
[通关3] (1)[2020·全国卷Ⅰ，35(2)]Li及其周期表中相邻元素的第一电离能(I)如表所示。
1
I(Li)>I(Na)，原因是__________。 I(Be)>I(B)>I(Li)，原因是__________。
1 1 1 1 1
I/(kJ·mol－1)
1
Li Be B
520 900 801
Na Mg Al
496 738 578
(2)[2020·全国卷Ⅱ，35(3)]CaTiO 的组成元素的电负性大小顺序是________________。
3
(3)[2020·全国卷Ⅲ，35(1)]H、B、N中，原子半径最大的是________，根据对角线规则，B
的一些化学性质与元素________的相似。
(4)[2020·全国卷Ⅲ，35(3)]NH BH 分子中，与N原子相连的H呈正电性(Hδ＋)，与B原子
3 3
相连的H呈负电性(Hδ－)，电负性大小顺序是__________________。
(5)[2020·江苏卷，21A(2)]C、N、O元素的第一电离能由大到小的顺序为____________。
解析 (1)Na与Li同族，Na的电子层数多，原子半径大，易失电子，所以Li的第一电离
能大于Na；Li、Be、B同周期，核电荷数依次增加，Be的核外电子排布式为1s22s2，属于全满
稳定结构，第一电离能最大；与Li相比，B的核电荷数较大，原子半径较小，较难失去电子，
第一电离能较大，所以第一电离能从大到小的顺序为Be>B>Li。
(2)根据O、Ti、Ca三种元素在周期表中的位置，易得出其电负性大小顺序为O>Ti>Ca。
(3)氢元素为第一周期元素，原子半径最小，B、N同为第二周期元素，根据“左大右小”
可知，原子半径：B>N，故原子半径最大的为B。B为第二周期第ⅢA族元素，与其处于对角
线上的元素应为第三周期第ⅣA族元素，即硅元素。
(4)NH BH 分子中，根据与N原子相连的H呈正电性，说明电负性：N>H；根据与B原子
3 3
相连的H呈负电性，说明电负性：BH>B。
(5)N的最外层电子排布为2s22p3，p轨道中的电子为半满的稳定状态，很难失去电子，故
N的第一电离能比相邻的O要大，C原子半径大于O原子，相对于O而言，C原子易失去电子，则C原子的第一电离能小于O。
答案 (1)Na与Li同族，Na电子层数多，原子半径大，易失电子 Li、Be、B同周期，核电
荷数依次增加。Be为1s22s2全满稳定结构，第一电离能最大。与Li相比，B核电荷数大，原子
半径小，较难失去电子，第一电离能较大
(2)O>Ti>Ca (3)B Si(硅)
(4)N>H>B (5)N>O>C
[通关4] (1)[2019·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)。
A．[Ne] B．[Ne]
C．[Ne] D．[Ne]
(2)[2019·全国卷Ⅱ，35(3)]比较离子半径：F－________O2－(填“大于”“等于”或“小
于”)。
(3)[2019·全国卷Ⅲ，35(4)]NH HPO 中，电负性最高的元素是______。
4 2 4
解析 (1)[Ne]3s2属于基态Mg原子，失去一个电子变为基态Mg＋；[Ne]3s13p1属于激发
态Mg原子，失去一个电子所需能量低于基态Mg原子；[Ne]3p1属于激发态Mg＋，失去一个
电子所需能量低于基态Mg＋；[Ne]3s1属于基态的Mg＋，由于第二电离能高于其第一电离能，
故再失去一个电子所需能量高于基态Mg原子失去一个电子所需能量；综上所述，电离最外
层一个电子所需能量最大的是[Ne]3s1。
(2)F－和O2－的核外电子排布相同，核电荷数越大，则半径越小，故离子半径：F－O>S，B正确；元素的电负性：F>S>P，则氢化物的稳定性：HF>H S>PH，C错误；电子层数
2 3
越多，离子半径越大，故离子半径：S2—>O2—>F—，D错误。]
8．(2021·山东烟台联考)现有属于前四周期的A、B、C、D、E、F、G七种元素，原子序数依
次增大。A元素的价电子构型为nsnnpn＋1；C元素为最活泼的非金属元素；D元素核外有三个
电子层，最外层电子数是核外电子总数的1/6；E元素＋3价离子的3d轨道为半充满状态；F
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；G元素与A元素位
于同一主族，其某种氧化物有剧毒。
(1)A元素的第一电离能______(填“＜”“＞”或“＝”)B元素的第一电离能，A、B、C
三种元素的电负性由小到大的顺序为________(用元素符号表示)。
(2)D元素原子的价电子排布式是________。
(3)C元素的电子排布图为________________；E3＋的离子符号为________。
(4)F 元 素 位 于 元 素 周 期 表 的 ________ 区 ， 其 基 态 原 子 的 电 子 排 布 式 为
___________________。
(5)G元素可能的性质________。
A．其单质可作为半导体材料
B．其电负性大于磷
C．其原子半径大于锗
D．其第一电离能小于硒
(6)I(Mg)____I(Al) (填“＞”或“＜”)，其原因是___________________________。
1 1
解析 A元素的价电子构型为nsnnpn＋1，则A是N；C元素为最活泼的非金属元素，则C
是F，那么B是O；D元素核外有三个电子层，最外层电子数是核外电子总数的1/6，则D是
Mg；E元素＋3价离子的3d轨道为半充满状态，则E是Fe；F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，则F是Cu；G元素与A元素位于同一主族，其某
种氧化物有剧毒，则G是As。
(1)由于N的最外层电子处于半充满的稳定状态，失去电子比O难，所以元素的第一电离能A＞B；一般情况下同一周期的主族元素，原子序数越大，元素的电负性越大，所以A、
B、C三种元素的电负性由小到大的顺序为N＜O＜F。
(4)F 是 Cu，Cu 位于元素周期表的 ds 区，其基态原子的电子排布式为
1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
(5)G为As，位于金属与非金属的分界线处，其单质为半导体，其电负性小于磷，原子半
径小于锗，第一电离能大于硒。
(6)元素D为Mg，活泼性Mg＞Al，I(Mg)＞I(Al)，因为Mg的3s轨道处于全满状态，3p
1 1
轨道处于全空状态，比较稳定，而Al的3p轨道只有一个电子，不稳定，故活泼性Mg＞Al，而
第一电离能则是I(Mg)＞I(Al)。
1 1
答案 (1)＞ N＜O＜F (2)3s2
(4)ds 1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1 (5)A
(6)＞ 镁原子的3s轨道处于全满状态，3p轨道处于全空状态，比较稳定，而铝原子3p
轨道只有一个电子，不稳定
