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第 28 讲 原子结构与性质
【化学学科素养】
1．了解原子核外电子的运动状态、能级分布和排布原理，能正确书写1～36号元素原子核外电子、价
电子的排布式和轨道表达式。
2．了解电离能的含义，并能用以说明元素的某些性质。
3．了解电子在原子轨道之间的跃迁及其简单应用。
4．了解电负性的概念，并能用以说明元素的某些性质。
【必备知识解读】
一、原子核外电子排布原理
1．能层与能级
(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。
(3)能层与能级的关系
能层 一 二 三 四 五……
符号 K L M N O……
能级 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p……
最多电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6……
电子离核远近 近→远
电子能量高低 低→高
【特别提醒】(1)能层数＝电子层数。
(2)第一能层(K)，只有s能级；第二能层(L)，有s、p两种能级，p能级上有三个原子轨道p、p、p，
x y z
它们具有相同的能量；第三能层(M)，有s、p、d三种能级。
2．电子云与原子轨道
(1)电子云
①由于核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象地称为电子云。
②电子云轮廓图称为原子轨道。
(2)原子轨道
原子轨道3．基态原子的核外电子排布
(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。如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：
【特别提醒】所有电子排布规则都需要满足能量最低原理。
(2)泡利原理：每个原子轨道里最多只能容纳个电子，且自旋状态相反。
如2s轨道上的电子排布为 ，不能表示为 。
(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 ，不能表示为 或
。
【特别提醒】当能量相同的原子轨道在全满(p6、d10、f14)、半满(p3、d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时原子的
能量最低，如 Cr的电子排布式为[Ar]3d54s1, Cu的电子排布式为[Ar]3d104s1。
24 29
(4)基态原子核外电子排布的表示方法
表示方法 以硫原子为例
电子排布式 1s22s22p63s23p4
简化电子排布式 [Ne]3s23p4
电子排布图(或轨道表示式)
价电子排布式 3s23p4
价电子排布图
4．电子的跃迁与原子光谱
(1)电子的跃迁(2)不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱
或发射光谱，总称原子光谱。
附：可见光的波长范围
颜色 波长范围
红 770～622 nm
橙 622～597 nm
黄 597～577 nm
绿 577～492 nm
蓝、靛 492～455 nm
紫 455～350 nm
【特别提醒】(1)可见光中，红光的波长最长，紫色的波长最短。
(2)焰色反应是电子跃迁的结果，故金属的焰色反应是物理变化过程，不属于化学变化。
二、原子结构与元素的性质
1．原子结构与元素周期表
(1)原子结构与周期数的关系
每周期第一种元素 每周期最后一种元素
周 电 子
原子 基态原子的 原子
期 层数 基态原子的电子排布式
序数 电子排布式 序数
二 2 3 [He]2s1 10 1s22s22p6
三 3 11 [Ne]3s1 18 1s22s22p63s23p6
四 4 19 [Ar]4s1 36 1s22s22p63s23p63d104s24p6
1s22s22p63s23p63d104s24p6
五 5 37 [Kr]5s1 54
4d105s25p6
1s22s22p63s23p63d104s24p6
六 6 55 [Xe]6s1 86
4d104f145s25p65d106s26p6
(2)族元素的价电子排布特点
①主族元素
主族 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
排布特点 ns1 ns2 ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5
②0族元素：ns2np6(其中He为1s2)。
③过渡元素(副族和第Ⅷ族)：(n－1)d1～10ns1～2(Pd、镧系和锕系元素除外)。(3)元素周期表的分区与价电子排布的关系
①周期表的分区
②各区价电子排布特点
分区 价电子排布
s区 ns1～2
p区 ns2np1～6(除He外)
d区 (n－1)d1～9ns1～2(除Pd外)
ds区 (n－1)d10ns1～2
f区 (n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2
(4)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 ，
LiCO、MgCO 都能溶于水，Be(OH) 、Al(OH) 都具有两性等。
2 3 3 2 3
【特别提醒】(1)能层数＝电子层数＝周期数。
(2)主族序数＝价电子数。
(3)对于主族元素，价电子层就是最外电子层，而对于过渡元素，价电子层不仅是最外电子层。如 Fe
的价电子排布式为3d64s2。
2．元素周期律
(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
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
第一电离能
能量，符号：I，单位：kJ·mol－1
1
同周期：第一种元素的第一电离能最小，最后一种元素的第一电离能最
规律
大，总体呈现从左至右逐渐增大的变化趋势同族元素：从上至下第一电离能逐渐减小
同种原子：逐级电离能越来越(即III…)
1 2 3
【特别提醒】
(1)金属活动性顺序与元素相应的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电离能
的大小。
(2)第二、三、四周期的同周期主族元素，第ⅡA族(ns2np0)和第ⅤA族(ns2np3)，因p轨道处于全空或
半充满状态，比较稳定，所以其第一电离能大于同周期相邻的第Ⅲ A族和第ⅥA族元素的，如第一电离
能：Mg>Al，P>S。
(3)电负性
①电负性
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
含义
示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越
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
标准
电负性(稀有气体未计)
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
变化规律
至下，元素的电负性逐渐减小
②电负性的应用
【特别提醒】(1)共价化合物中，两种元素电负性差值越大，它们形成共价键的极性就越强。
(2)两元素电负性差值大于1.7时，一般形成离子键，小于1.7时，一般形成共价键，如AlCl 中两元素
3
的电负性之差为1.5，因此AlCl 含有共价键，属于共价化合物。
3
【核心题型例解】高频考点一 核外电子排布的表示方法
【例1】（2023·海南卷第19题）近年来，研究人员发现含钒的锑化物 在超导方面表现出潜
在的应用前景。锑和磷同族，锑原子基态的价层电子排布式为_______。
【答案】
【解析】锑和磷同族，锑原子位于第五周期VA，其基态的价层电子排布式 ；
【变式探究】（2023·全国乙卷第35题）中国第一辆火星车“祝融号”成功登陆火星。探测发现火星
上存在大量橄榄石矿物( )。回答下列问题：
（1）基态 原子的价电子排布式为_______。
【答案】3d64s2
【解析】Fe为26号元素，基态Fe原子的价电子排布式为3d64s2。
【变式探究】（2023·浙江卷第17题）氮的化合物种类繁多，应用广泛。
请回答：基态N原子的价层电子排布式是___________。
【答案】2s22p3
【解析】N核电荷数为7，核外有7个电子，基态N原子电子排布式为1s22s22p3，则基态N原子的价
层电子排布式是2s22p3；
【变式探究】（2022·广东卷） 与S同族，基态硒原子价电子排布式为_______。
【答案】4s24p4
【解析】基态硫原子价电子排布式为3s23p4，Se与S同族，Se为第四周期元素，因此基态硒原子价电
子排布式为4s24p4；
【变式探究】（2022·海南卷）基态O原子的电子排布式_______。
【答案】1s22s22p4或[He]2s22p4【解析】O为8号元素，其基态O原子核外有8个电子，因此基态O原子的电子排布式为1s22s22p4或
[He]2s22p4；
【变式探究】（2022·湖南卷）基态 原子的核外电子排布式为 _______；
【答案】 [Ar] 3d104s24p4
【解析】硒元素的原子序数为34，基态原子的电子排布式为[Ar] 3d104s24p4；
【方法技巧】核外电子排布的表示方法
表示方法 含义 举例
表示核外电子分层排布和核
原子或离子结构示意图
内质子数
电子式 表示原子最外层电子数目
核外电子排布式 表示每个能级上排布的电子数 S2－：1s22s22p63s23p6
电子排布图(轨道表
表示每个原子轨道中电子的
运动状态
示式)
Fe：3d64s2
价层电子排布式或排布图 表示价层电子的排布
【误区警示】注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、原子外围电子排布式的区别与联系。
如Cu的电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s1；简化电子排布式：[Ar]3d104s1；外围电子排布式：3d104s1。
【变式探究】下列说法正确的是
A．基态 Cr 原子有 6 个未成对电子
B．元素 Ga 的核外电子排布式为 ，位于元素周期表中 p 区
C．NH 中 N—H 间的键角比 CH 中 C—H 间的键角大
3 4
D．XY 分子为 V 形，则 X 原子一定为 sp2 杂化
2
【答案】A
【解析】A．铬为24号元素，基态Cr原子价电子排布为3d54s1，基态 Cr 原子有 6 个未成对电子，A
正确；
B．元素Ga为31号元素，位于元素周期表中p区，其核外电子排布式为[Ar]3d104s24p1，B错误；
C．NH 是三角锥形含有1对孤电子对，CH 是正四面体形无孤电子对，因此NH 中N－H间的键角比
3 4 3
CH 中C－H间的键角小，C错误；
4
D．XY 分子中原子个数比为1：2，XY 分子为 V 形，则X原子不一定为sp2杂化，也可能含有2
2 2对孤电子对为sp3杂化，D错误；
故选A。
高频考点二 原子结构与元素性质
【例2】（2022·全国甲卷）基态F原子的价电子排布图(轨道表示式)为_______。
【答案】
【解析】F为第9号元素其电子排布为1s22s22p5，则其价电子排布图为 。
【变式探究】【2021•湖南卷】(1)基态硅原子最外层的电子排布图为 ，晶体硅
和碳化硅熔点较高的是 (填化学式)；
【答案】(1) SiC
【解析】(1)Si位于周期表中第3周期第ⅣA族，基态原子的价电子排布式为3s23p2，则基态Si原子的
价电子排布图为： ；晶体硅、碳化硅均属于共价晶体，原子半径：Si＞C，键长：C﹣Si＜Si﹣
Si，则键能：C﹣Si＞Si﹣Si，所以熔点：碳化硅＞晶体硅，晶体硅和碳化硅熔点较高的是SiC。
【变式探究】下列化学用语错误的是
A． 的VSEPR模型：
B．基态 原子的价电子轨道表示式：
C． 的电子式：
D． 在水溶液中的电离方程式：
【答案】D
【解析】A．水的孤电子对为 =2，所以其VSEPR模型： ，A正确；
B．基态 原子的价电子排布式为3s23p5，所以其轨道表示式： ，B正确；
C．二氧化碳中各原子满足8电子稳定状态，所以中心碳原子与氧原子分别共用两对电子对，CO 的电
2子式： ，C正确；
D． 在水溶液中完全电离生成钾离子、氢离子和硫酸氢根离子，所以其电离方程式为：
，D错误；
故选D。
高频考点三 电离能、电负性的应用
【例3】（2023·江苏卷第4题）元素C、Si、Ge位于周期表中ⅣA族。下列说法正确的是
A. 原子半径： B. 第一电离能：
C. 碳单质、晶体硅、SiC均为共价晶体 D. 可在周期表中元素Si附近寻找新半导体材料
【答案】D
【解析】同主族元素原子半径从上往下原子半径增大，故原子半径： ，A错
误；同周期主族元素，从上往下原子半径增大，更易失电子，第一电离能： ，B
错误；晶体硅、SiC均为共价晶体，碳单质中金刚石为共价晶体，而石墨为混合晶体，C 为分子晶体，C
60
错误；周期表中元素Si附近存在许多准金属，可在其周围寻找半导体材料，D正确。 故选D。
【变式探究】（2023·广东卷第14题）化合物 可作肥料，所含的5种元素位于主族，在每
个短周期均有分布，仅有Y和M同族。Y的基态原子价层p轨道半充满，X的基态原子价层电子排布式为
，X与M同周期，E在地壳中含量最多。下列说法正确的是
A. 元素电负性： B. 氢化物沸点：
C. 第一电离能： D. 和 的空间结构均为三角锥形
【答案】A
【解析】E在地壳中含量最多为氧元素，X的基态原子价层电子排布式为 ，所以 ，
，X为镁或者 ，X为锂，Y的基态原子价层p轨道半充满所以可能为氮或磷，Y和M同族所以为氮或磷，根据X与M同周期、 化合价之和为零，可确定Z为氢元素、M为磷元素、X为镁元素、E
为氧元素、Y氮元素。元素电负性：氧大于氮大于氢，A正确；磷化氢、氨气、水固体均是分子晶体，氨
气、水固体中都存在氢键沸点高，磷化氢没有氢键沸点低，所以氢化物沸点：冰大于氨大于磷化氢，B错
误；同周期第一电离能自左向右总趋势逐渐增大，当出现第ⅡA族和第ⅤA族时比左右两侧元素电离能都
要大，所以氮大于氧大于镁 ，C错误；NH 价层电子对为 ，有一对孤电子对，空间结构为三角锥
3
形， 价层电子对为 ，没有孤电子对， 空间结构为平面三角形，D错误；故选A。
【变式探究】（2023·新课标卷第9题）一种可吸附甲醇的材料，其化学式为
，部分晶体结构如下图所示，其中 为平面结构。
下列说法正确的是
A. 该晶体中存在N-H…O氢键 B. 基态原子的第一电离能：C < N< O
C. 基态原子未成对电子数：BX
B. 最高正价：ZY
【答案】B
【解析】Y的s能级电子数量是p能级的两倍，Y为C，X的2s轨道全充满，原子序数XX，A正确；N最高正价为+5价，O
无最高正价，最高正价N大于O，B错误；Na和O形成的过氧化钠中含有非极性共价键，C正确；非金属
性越强，最高价氧化物对应水化物的酸性越强，非金属性N大于C，硝酸酸性强于碳酸，D正确；故选
B。
【变式探究】（2023·辽宁卷第9题）某种镁盐具有良好的电化学性能，其阴离子结构如下图所示。
W、X、Y、Z、Q是核电荷数依次增大的短周期元素，W、Y原子序数之和等于Z，Y原子价电子数是Q
原子价电子数的2倍。下列说法错误的是（ ）
A. W与Y的化合物为极性分子 B. 第一电离能
C. Q的氧化物是两性氧化物 D. 该阴离子中含有配位键
【答案】B
【解析】W、X、Y、Z、Q是核电荷数依次增大的短周期元素，W形成1条单键且核电荷数最小，W
为H，X形成4条键，核电荷数大于H，且小于其他三种元素，X为C，Y形成2条单键，核电荷数大于C，Y为O，W、Y原子序数之和等于Z，Z为F，Y原子价电子数为Q原子价电子数的2倍，Q为Al。W
与X的化合物不一定为极性分子，如HO是极性分子，A正确；同周期元素从左到右第一电离能呈增大趋
2
势，则第一电离能F>O>C，B错误；Q为Al，Al O 为两性氧化物，C正确；该阴离子中L与Q之间形成
2 3
配位键，D正确；故选B。
【方法技巧】
1．电离能常见的四个应用
(1)判断元素金属性的强弱
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
如果某元素的I
n＋1
≫I
n
，则该元素的常见化合价为＋n，如钠元素I
2
≫I
1
，所以钠元素的化合价为＋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渐增大，当电离能的变化出现突跃时，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
同周期元素原子的最外层电子排布是全空、半充满和全充满状态时，第一电离能就会反常得大，如第
ⅡA族、ⅤA族元素。
2．电负性常见的四个应用
(1)确定元素类型(电负性>1.8，为非金属元素；电负性<1.8，为金属元素)。
(2)确定化学键类型(一般两成键元素电负性差值>1.7，为离子键；两成键元素电负性差值<1.7，为共价
键)。
(3)判断元素价态正、负(化合物中电负性大的元素呈现负价，电负性小的元素呈现正价)。
(4)判断元素金属性和非金属性强弱(表征原子得电子能力强弱)。
【变式探究】【2022·辽宁卷】短周期元素X、Y、Z、W、Q原子序数依次增大。基态X、Z、Q原子
均有两个单电子，W简单离子在同周期离子中半径最小，Q与Z同主族。下列说法错误的是
A．X能与多种元素形成共价键 B．简单氢化物沸点：
C．第一电离能： D．电负性：
【答案】B
【解析】短周期元素X、Y、Z、W、Q原子序数依次增大，W简单离子在同周期离子中半径最小，说
明W为第三周期元素Al。短周期元素的基态原子中有两个单电子，可分类讨论：①为第二周期元素时，
最外层电子排布为2s22p2或2s22p4，即C或O；②为第三周期元素时，最外层电子排布为3s23p2或3s23p4，即Si或S。Q与Z同主族，结合原子序数大小关系可知，则X、Z、Q分别为C．O和S，则Y为N。A．X
为C，能与多种元素(H、O、N、P、S等)形成共价键，A正确；B．Z和Q形成的简单氢化物为HO和
2
HS，由于HO分子间能形成氢键，故HO沸点高于HS，B错误；C．Y为N，Z为O，N的最外层p轨
2 2 2 2
道电子为半充满结构，比较稳定，故其第一电离能比O大，C正确；D．W为Al，Z为O，O的电负性更
大，D正确；故选B。
【变式探究】【2022·江苏卷】工业上电解熔融 和冰晶石 的混合物可制得铝。下列说
法正确的是
A．半径大小： B．电负性大小：
C．电离能大小： D．碱性强弱：
【答案】A
【解析】A．核外电子数相同时，核电荷数越大半径越小，故半径大小为 ，故A正
确；B．同周期元素核电荷数越大电负性越大，故 ，故B错误；C．同周期从左往右第一电离能
呈增大趋势，同主族从上往下第一电离能呈减小趋势，故电离能大小为 ，故C错误；D．元
素金属性越强，其最高价氧化物对应水化物的碱性越强，故碱性强弱为 ，故D错误；故
选A。
【变式探究】X、Y、Z、W、P、Q为短周期元素，其中Y的原子序数最小，它们的最高正价与原子
半径关系如图所示。下列说法正确的是A．Y在元素周期表中位于p区 B．第一电离能：
C．氧化物对应水化物的酸性： D．电负性：
【答案】D
【分析】由题干图示信息可知，X为+1价，原子半径最大，故X为Na，Y为+2价，原子序数最小，
Y为Be，Z为+4价，原子半径大于Y，故Z为Si，W为+5价，原子半径小于Y，W为N，P为+6价，则P
为S，Q为+7价，则Q为Cl，据此分析解题。
【解析】A．由分析可知，Y为Be，故Y在元素周期表中位于s区，A错误；
B．由分析可知，X为Na、Z为Si、P为S、Q为Cl，为同一周期元素，从左往右第一电离能呈增大趋
势，故第一电离能Cl＞S＞Si＞Na即Q >P> Z>X，B错误；
C．由分析可知，Q为Cl、P为S、Z为Si，其最高价氧化物对应水化物的酸性为HClO＞HSO ＞
4 2 4
HSiO 即Q>P>Z，但不是最高价氧化物对应水化物的酸性则无此规律，如HSO ＞HClO，C错误；
2 3 2 4
D．由分析可知，Z为Si、P为S、Q为Cl，为同周期元素，随原子序数的增大电负性增强，电负性：
Cl>S>Si，即 ，D正确；故选D。
