文档内容
第 29 讲 原子结构与性质
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。
【核心素养分析】
1.宏观辨识与微观探析：认识物质的量是联系宏观物质和微观粒子的重要工具，能从宏观和微观相结
合的视角分析与解决实际问题。
知识点一 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。
知识点二 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
大，总体呈现从左至右逐渐增大的变化趋势
规律
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
高频考点一 核外电子排布的表示方法
【例1】（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_______，其中未成对电子有_______个。
【答案】1s22s22p4或[He]2s22p4 2
【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，其2p轨道有2个未成对电子，即O原子有2个未成对电子；
【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】（2022·全国乙卷）氟原子激发态的电子排布式有_______，其中能量较高的是_______。(填标号)
a. b. c. d.
【答案】ad d
【解析】F的原子序数为9，其基态原子电子排布式为1s22s22p5 1s22s22p43s1，基态氟原子2p能级上的
。
1个电子跃迁到3s能级上，属于氟原子的激发态，a正确；1s22s22p43d2，核外共10个电子，不是氟原子，
b错误；1s22s12p5，核外共8个电子，不是氟原子，c错误；1s22s22p33p2，基态氟原子2p能级上的2个电子
跃迁到3p能级上，属于氟原子的激发态，d正确；答案选ad；而同一原子3p能级的能量比3s能级的能量
高，因此能量最高的是1s22s22p33p2，答案选d。
【变式探究】（2022·山东卷）基态 原子的价电子排布式为_______，在元素周期表中位置为
_______。
【答案】3d84s2 第4周期第VIII族
【解析】已知Ni是28号元素，故基态Ni原子的价电子排布式为：3d84s2，在周期表中第四横行第10
纵列即位于第4周期第VIII族，故答案为：3d84s2；第4周期第VIII族；
【变式探究】 (2022·北京卷) 价层电子排布式为___________。
【答案】3d6
【解析】铁元素的原子序数为26，基态亚铁离子的价电子排布式为3d6；
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•全国乙卷】(1)对于基态Cr原子，下列叙述正确的是_______(填标号)。
A．轨道处于半充满时体系总能量低，核外电子排布应为 [Ar]3d54s1
B．4s电子能量较高，总是在比3s电子离核更远的地方运动
C．电负性比钾高，原子对键合电子的吸引力比钾大
【答案】(1)AC
【解析】(1) A项，基态原子满足能量最低原理，Cr有24个核外电子，轨道处于半充满时体系总能量低，核外电子排布应为[Ar]3d54s1，A正确；B项， Cr核外电子排布为[Ar]3d54s1，由于能级交错，3d轨道
能量高于4s轨道的能量，即3d电子能量较高，B错误；C项，电负性为原子对键合电子的吸引力，同周期
除零族原子序数越大电负性越强，钾与铬位于同周期，铬原子序数大于钾，故铬电负性比钾高，原子对键
合电子的吸引力比钾大，C正确； 故选AC。
【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、碳化硅均属于原子晶体，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】【2021•河北卷】(1)在KH PO 的四种组成元素各自所能形成的简单离子中，核外电子排
2 4
布相同的是___________(填离子符号)。
(2)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态，若一种自旋状态用+ 表示，与之相反的用- 表示，称
为电子的自旋磁量子数.对于基态的磷原子，其价电子自旋磁量子数的代数和为____________。
【答案】(1)K+和P3- (2) 或
【解析】(1)在KH PO 的四种组成元素各自所能形成的简单离子分别为H+ (或H-)、O2-、K+和P3-，其
2 4
中核外电子排布相同的是K+和P3-。(2)对于基态的磷原子，其价电子排布式为3s23p3，其中3s轨道的2个
电子自旋状态相反，自旋磁量子数的代数和为0；根据洪特规则可知，其3p轨道的3个电子的自旋状态相
同，因此，基态磷原子的价电子的自旋磁量子数的代数和为 或 。
【变式探究】【2021•广东卷】(1)基态硫原子价电子排布式为__________。
(3)汞的原子序数为80，位于元素周期表第______周期第ⅡB族。
【答案】(1)3s23p4 (3)六
【解析】(1)基态硫原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，因此基态硫原子价电子排布式为3s23p4；(3)
第六周期0族元素的原子序数为86，因此第80号元素Hg位于第六周期第ⅡB族。【变式探究】【2020•新课标Ⅰ卷】(1)基态Fe2+与Fe3+离子中未成对的电子数之比为_________。
(2)Li及其周期表中相邻元素的第一电离能(I)如表所示。I(Li)> I (Na)，原因是_________。I(Be)>
1 1 1 1
I(B)> I (Li)，原因是________。
1 1
【答案】(1)4：5 (2)Na与Li同主族，Na的电子层数更多，原子半径更大，故第一电离能更小。
Li、Be和B为同周期元素，同周期元素从左至右，第一电离能呈现增大的趋势；但由于基态Be原子的s
能级轨道处于全充满状态，能量更低更稳定，故其第一电离能大于B。
高频考点三 电离能、电负性的应用
【例3】【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。
【举一反三】（2021·辽宁卷）某多孔储氢材料前驱体结构如图，M、W、X、Y、Z五种元素原子序数
依次增大，基态Z原子的电子填充了3个能级，其中有2个未成对电子。下列说法正确的是
A．氢化物沸点： B．原子半径：
C．第一电离能： D．阴、阳离子中均有配位键
【答案】D
【解析】由题干信息可知，基态Z原子的电子填充了3个能级，其中有2个未成对电子，故Z为C或
者O，根据多孔储氢材料前驱体结构图可知Y周围形成了4个单键，再结合信息M、W、X、Y、Z五种元
素原子序数依次增大，故Y为N，故Z为O，M只形成一个单键，M为H，X为C，则W为B，据此分析
解题。由分析可知，X、Y的氢化物分别为：CH 和NH ，由于NH 存在分子间氢键，故氢化物沸点：
4 3 3
，A错误；根据同一周期从左往右主族元素的原子半径依次减小，同一主族从上往下依次增大，故
原子半径： ，B错误；根据同一周期从左往右元素的第一电离能呈增大趋势，IIA与IIIA，VA
与VIA反常，故第一电离能： ，C错误；由于阳离子中的Y原子是N原子，形成了类似于铵根
离子的阳离子，故存在配位键，阴离子中的W为B，最外层上只有3个电子，能形成3个共价键，现在形
成了4个共价键，故还有一个配位键，D正确；故选D。
【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】（2020·山东卷）短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大，基态X原子的电
子总数是其最高能级电子数的2倍，Z可与X形成淡黄色化合物ZX ，Y、W最外层电子数相同。下列说
2 2
法正确的是
A．第一电离能：W>X>Y>Z B．简单离子的还原性：Y>X>W
C．简单离子的半径：W>X>Y>Z D．氢化物水溶液的酸性：Y>W
【答案】C
【解析】四种短周期主族元素，基态X原子的电子总数是其最高能级电子数的2倍，设若X为第二周
期元素原子，则X可能为Be或O，若X为第三周期元素原子，则均不满足题意，Z与X能形成ZX 的淡
2 2
黄色化合物，该淡黄色固体为NaO ，则X为O元素，Z为Na元素；Y与W的最外层电子数相同，则Y
2 2
为F元素，W为Cl元素，据此分析。A．同一周期从左向右第一电离能总趋势为逐渐增大，同一主族从上
到下第一电离能逐渐减小，故四种元素中第一电离能从大到小的顺序为F＞O＞Cl＞Na，A错误；B．单质
的氧化性越强，简单离子的还原性越弱，O、F、Cl三种元素中F 的氧化性最强O 的氧化性最弱，故简单
2 2
离子的还原性O2-＞Cl-＞F-，B错误；C．电子层数越多简单离子半径越大，相同结构的离子，原子序数越
大半径越小，故四种元素中离子半径从大到小的顺序为Cl-＞O2-＞F-＞Na+，C正确；D．F元素的非金属性
强于Cl元素，则形成氢化物后F原子束缚H原子的能力强于Cl原子，在水溶液中HF不容易发生电离，故
HCl的酸性强于HF，D错误；故选C。
【变式探究】（2020·天津卷）短周期元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大。用表中信息判断下列
说法正确的是
元素 X Y Z W最高价氧化物的水化物 HZO
3 4
溶液对应的pH(25℃) 1.00 13.00 1.57 0.70
A．元素电负性：Z
