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知识清单15 原子结构与性质
知识点01 能层、能级与原子轨道
知识点03 原子光谱
知识点05 电负性
知识点02 原子核外电子排布
知识点04 电离能大小的比较及应用
知识点01 能层、能级与原子轨道
1．能层（n）：（又称：电子层）
（1）分层依据：按照电子的能量差异
（2）表示符号：K、L、M、N、O、P、Q
2．原子轨道（又称：能级、电子亚层）
符号
s
p
d
电子云形
状
球形
纺锤形或哑铃形
花瓣形
轨道个数
1
3
5
1
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3．1~36 号元素的能层和能级
（1）K 层：有1s 一个电子亚层
（2）L 层：有2s、2p 两个电子亚层
（3）M 层：有3s、3p、3d 三个电子亚层
（4）N 层：有4s、4p、4d、4f 四个电子亚层
4．原子核外电子排布的原理
（1）能量最低原理：电子尽先排布在能量最低的轨道中。
（2 ）泡利不相容原理：每个原子轨道上最多只能容纳2 个自旋方向相反的电子。如：
（3）洪特规则：电子在能量相同原子轨道上排布时，应尽可能分占不同的轨道而且自旋方向相同。
错误
正确
N 原子的2p 轨道
（4）洪特规则特例：能量相同的原子轨道在下列情况时，体系能量最低
①全满；即s2、p6、d10
②半满；即s1、p3、d5
③全空；即s0、p0、d0
注意：(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px、py、pz，它们具有相同的能量；第三能层(M)，有s、p、d 三种能级。
【典例01】硫的下列4 种微粒，若失去一个电子所需要能量最多的是
A．[Ne]
B．[Ne]
C．[Ne]
D．[Ne]
【答案】B
【解析】A、B、C、D 四项中的微粒分别对应基态S、
、激发态
、激发态S，激发态上电子能量高，
不稳定，易失去，故需要能量最多的是基态的
；
答案选B。
【典例02】下列说法正确的是
A．3s2表示3s 能级有2 个轨道
B．p 能级的能量一定比s 能级的能量高
C．在离核越近区域内运动的电子，能量越低
D．1 个原子轨道里，最少要容纳2 个电子
【答案】C
2
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【解析】A．s 能级只有1 个轨道，3s2表示3s 能级容纳2 个电子，A 不正确；
B．p 能级的能量不一定比s 能级的能量高，如2p 能级的能量低于3s 能级的能量，B 不正确；
C．能量较低的电子，在离核较近的区域运动，在离核越近区域内运动的电子，能量越低，C 正确；
D．1 个原子轨道里，最多能容纳2 个电子，也可以容纳1 个电子或不容纳电子，D 不正确；
故选C。
知识点02 原子核外电子排布
1．基态原子核外电子排布
（1）21~30 号：［Ar］3dx4s2
①一般最后1 位数是几，x 就等于几
②24Cr：［Ar］3d44s2→［
Ar
］
3d
5 4s
1
③29Cu：［Ar］3d94s2→［
Ar
］
3d
10 4s
1
（2）31~36 号：［Ar］3d104s24px
①最后1 位数是几，x 就等于几
②32Ge：［
Ar
］
3d
10 4 s 2 4p
2
③34Se：［
Ar
］
3d
10 4 s 2 4p
4
2．价电子（外围电子、特征电子）
（1）21~30 号：3d 和4s 上的电子数之和
（2）其他：最外层电子数
（3）过渡金属原子：除Cu 和Cr 原子最外层有1 个电子外，其余的元素的原子最外层都有2 个电子
（4）过渡金属离子的价电子构型：优先失去最外层电子数
原子
Fe
Co
Cu
价电子构型
3d
6 4s
2
3d
7 4s
2
3d
10 4s
1
离子
Fe2+
Fe3+
Co2+
Co3+
Cu+
Cu2+
价电子构型
3d
6
3d
5
3d
7
3d
6
3d
10
3d
9
（5）元素的最高价：等于价电子数
元素
Cr
Fe
Mn
As
价电子构
型
3d
5 4s
1
3d
4 4s
2
3d
5 4s
2
4s
2 4p
3
最高价
+6
+8
+7
+5
（6）过渡金属原子或离子的结构示意图
微粒
V
Cr3+
Cu+
结构
示意图
3
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（7）第四周期主族元素原子或离子的结构示意图：次外层都有18 个电子
微粒
Ga
As
Br－
结构
示意
图
3．元素在周期表中的位置
（1）主族：主族序数＝原子的最外层电子数，周期序数＝原子的电子层数
（2）21~30 号：根据3d 和4s 上的电子数之和确定
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
3d14s2
3d24s2
3d34s2
3d54s1
3d54s2
3d64s2
3d74s2
3d84s2
3d104s1
3d104s2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ⅲ
B
Ⅳ
B
Ⅴ
B
Ⅵ
B
Ⅶ
B
Ⅷ
Ⅰ
B
Ⅱ
B
（3）元素的分区
4．各种特征的电子（以Mn 为例，1s22s22p63s23p63d54s2）
（1）不同运动状态的电子数：25
（2）不同空间运动状态的电子数：15
（3）形状不同的电子云种类：3
（4）不同能级（能量）的电子种类：7
（5）最高能级的电子数：5
（6）最高能层的电子数：2
5．1~36 号元素原子的空轨道数目
空轨道
数
价电子构型
元素种类
1
ns2np2（3）
3
2
ns2np1（3）、3d34s2
（1）
4
3
3d24s2（1）
2
4
3d14s2（1）
1
6．1~36 号元素原子的未成对电子数（n）
（1）n＝1：ns1（4）、ns2np1（3）、ns2np5（3）、3d14s2（1）、3d104s1（1），共12 种
（2）n＝2：ns2np2（3）、ns2np4（3）、3d24s2（1）、3d84s2（1），共8 种
（3）n＝3：ns2np3（3）、3d34s2（1）、3d74s2（1），共5 种
4
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（4）n＝4：3d64s2（1），共1 种
（5）n＝5：3d54s2（1），共1 种
（6）n＝6：3d54s1（1），共1 种
7．基态原子核外电子排布的表示方法（以铁原子为例）
（1）各类要求的电子排布式
①电子排布式：1s22s22p63s23p63d64s2
②简化电子排布式：［
Ar
］
3 d 6 4s
2
③价电子（外围电子、特征电子）排布式：3 d 6 4s
2
④最外层电子排布式：4s
2
⑤M 层电子排布式：3s
2 3p
6 3 d 6
⑥最高能级电子排布式：3 d 6
（2）各类要求的电子排布图
①电子排布图：
②轨道表示式：
③价电子排布图：
④原子结构示意图：
核外电子排布常见错误
(1)在写基态原子的轨道表示式时，常出现以下错误：
①
(违反能量最低原理)
②
(违反泡利原理)
③
(违反洪特规则)
④
(违反洪特规则)
(2)当出现d 轨道时，虽然电子按ns、(n－1)d、np 的顺序填充，但在书写电子排布式时，仍把(n－1)d 放在
ns 前，如Fe：1s22s22p63s23p63d64s2，而失电子时，却先失4s 轨道上的电子，如Fe3＋：1s22s22p63s23p63d5。
(3)注意比较原子核外电子排布式、简化电子排布式、原子外围电子或价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；外围电子或价电子排布式：3d104s1。
【典例03】短周期元素R 基态原子最外层的p 能级上有2 个未成对电子。下列关于基态R 原子的描述正确
的是
5
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A．基态R 原子核外电子的电子云轮廓图有两种：球形和哑铃形
B．基态R 原子的价层电子排布式为ns2np2(n＝2 或3)
C．基态R 原子的原子轨道总数为9
D．基态R 原子的轨道表示式为
【答案】A
【分析】由“短周期元素R 基态原子最外层的p 能级上有2 个未成对电子”可知，可能有两种情况：p 能
级上只有2 个电子，R 为第ⅣA 族元素，C 或Si；p 能级上有4 个电子，R 为第ⅥA 族元素，O 或S，由此
可知：
【解析】A．基态R 原子核外电子的电子云轮廓图有两种：球形和哑铃形，A 正确；
B．基态R 原子的价层电子排布式还可能为ns2np4，B 错误；
C．R 元素一共有4 种可能，C 错误；
D．R 元素还有可能为C，D 错误；
故选A。
【典例04】M、R、X、Y 为原子序数依次增大的短周期主族元素，Z 是一种过渡元素。M 基态原子L 能层
中p 轨道电子数是s 轨道电子数的2 倍，R 是同周期元素中最活泼的金属元素，X 和M 形成的一种化合物
是引起酸雨的主要大气污染物，Z 的基态原子4s 和3d 轨道半充满。请回答下列问题：
(1)写出M、R 的价层电子排布式：M 、R 。
(2)写出X、Y 的价层电子轨道表示式：X 、Y 。
(3)写出Z 的核外电子排布式： 。Z 的核外未成对电子数为 。
【答案】(1) 2s22p4 3s1
(2)
(3) 1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1) 6
【分析】M 基态原子L 能层中p 轨道电子数是s 轨道电子数的2 倍，则M 的价电子排布式为2s22p4，则M
为氧元素；R 是同周期元素中最活泼的金属元素，M、R 原子序数依次增大，则R 为钠元素；X 和M 形成
的一种化合物是引起酸雨的主要大气污染物，则X 为硫元素，推知Y 为氯元素；Z 的基态原子4s 和3d 轨
道半充满，即为3d54s1，则Z 为Cr；
【解析】（1）结合上述分析可知，M、R 分别为氧、钠，价层电子排布式分别为2s22p4、3s1。
答案为：2s22p4；3s1。
（2）上述分析可知X、Y 分别为硫、氯，价层电子轨道表示式分别为：
、
。
答案为：
；
。
（3）Z 为铬元素，核外电子排布式：1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)，核外未成对电子数为6。
答案为：1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)；6。
6
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知识点03 原子光谱
1．电子的跃迁
（1）基态电子：处于最低能量的电子
（2）激发态电子：能量比基态电子高的电子
（3）电子跃迁
3．原子光谱：电子跃迁时会吸收或释放不同的光形成的谱线
（1）测量光谱仪器：光谱仪
（2）光谱图上数据：波长
（3）光谱类型：线状光谱
①发射光谱：1s22s22p63s23p34s1→1s22s22p63s23p4
②吸收光谱：1s22s22p3→1s22s22p13s2
（4）解释原子发光现象
①在××条件，基态电子吸收能量跃迁到激发态
②由激发态跃迁回基态过程中，释放能量
③释放的能量以××可见光的形式呈现
（5）可见光的波长（λ）和能量（E）
①公式：E＝hv，c（光速）＝λv
②颜色和波长的关系
注意：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。
【典例05】吸收光谱和发射光谱统称为原子光谱。下列说法错误的是
A．同一种元素原子的吸收光谱和发射光谱的特征谱线相同
7
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B．霓虹灯光与原子核外电子发生跃迁释放能量有关
C．光谱仪可以摄取元素的吸收光谱和发射光谱
D．目前发现的元素都是通过原子光谱发现的
【答案】D
【解析】A．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，同一种元素原子的吸收光谱和发射光谱的特征谱线相同，故A 正确；
B．电子跃迁本质上是组成物质的粒子中电子的一种能量变化，霓虹灯广告与原子核外电子发生跃迁释放
能量有关，故B 正确；
C．吸收光谱和发射光谱都是线谱，区别在于前者显示黑色线条，而发射光谱显示光谱中的彩色线条，可
以用光谱仪摄取各种元素电子的吸收光谱或发射光谱，故C 正确；
D．每种元素都有自己的特征谱线，在历史上许多元素是通过原子光谱发现的，如铯和铷，但目前发现的
元素并非都是通过原子光谱发现的，故D 错误；
故选D。
【典例06】对充有氛气的霓虹灯管通电，灯管发出红光，产生这一现象的主要原因是
A．电子由激发态向基态跃迁时吸收除红光以外的光
B．电子由激发态向基态跃迁时以光的形式释放能量
C．电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光
D．通电后在电场作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应
【答案】B
【解析】霓虹灯发红光是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的轨道，能量较高轨道上的电子会跃迁回能
量较低的轨道而以光的形式释放能量。综上所述故选B。
知识点04 电离能大小的比较及应用
1．概念：气态原子或离子失去1 个电子所需要的最小能量
（1）第一电离能（I1）：M（g）－e－＝M+（g）
（2）第二电离能（I2）：M+（g）－e－＝M2+（g）
（3）第n 电离能（In）：M（n－1）+（g）－e－＝Mn+（g）
2．同一原子各级电离能
（1）变化规律：I1＜I2＜I3＜…
（2）变化原因
8
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①电子分层排布
②各能层能量不同
3．第一电离能变化规律
（1）根据递变规律判断
①基本规律：周期表右上角位置的He 原子的I1最大
②特殊规律：同一周期中I1，ⅡA＞ⅢA；ⅤA＞ⅥA
元素
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
I1大小
⑧
⑥
⑦
⑤
③
④
②
①
（2）根据金属性判断
①基本规律：I1越小，金属性越强，注意ⅡA 和ⅤA 族元素的特殊性
②金属元素和非金属元素的I1：I1（金属）＜I1（非金属）
（3）根据微粒结构判断
①稳定结构微粒的I 大：全满、半满和全空状态稳定
②I（全满）＞I（半满）
③判断：I1（Cu）＜I1（Ni），I2（Cu）＞I2（Zn）
4．各级电离能数据的应用
（1）判断元素价态：In+1≫In，最高正价为+ n
（2）判断某一级电离能最大：第n 级电离能最大，说明其最高正价为+ （
n －
1 ）
价
（3）判断电离能的突增点：形成相应电子层最稳定状态后再失去1 个电子
元素
原子
突增点的电离能级数
第一
次
第二次
第三次
P
I6
I14
Ca
I3
I11
I19
注意：a.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。
b.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ⅢA 族和第ⅥA 族元素的，如第一电离能：
Mg>Al，P>S。
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【典例07】某短周期金属原子X 的逐级电离能如图所示，下列说法正确的是
A．X 在化合物中可能为+3 价
B．X 可能在周期表第二周期
C．X 在周期表第VA 族
D．X 的最高价氧化物是碱性氧化物
【答案】A
【解析】A．从图分析，该元素的电离能第四电离能突然变大，故说明该元素的最外层有3 个电子，X 在
化合物中可能为+3 价，A 正确；
B．第二周期最外层有3 个电子的为硼，不是金属元素，B 错误；
C．最外层有3 个电子，为第ⅢA 族，C 错误；
D．最高价氧化物若为铝，则为两性氢氧化物，D 错误；
故选A。
【典例08】下表列出了某短周期金属元素R 的各级电离能数据(用、
……表示)，有关R 元素的说法中，
正确的是
元素
电离能/(kJ·mol-1)
……
578
181
7
2745
11577
……
A．R 元素的最高正化合价为+2 价
B．R 元素的第一电离能高于同周期相邻元素的
C．R 的氧化物为两性氧化物
D．R 元素形成的单质熔点远高于其氧化物
【答案】C
【解析】A．从数据看，R 的第三电离能和第四电离能差距很大，即R 易失去三个电子，所以它的化合价
为+3 价，A 项错误；
B．R 的价电子排布为ns2np1，失去一个电子后s 全满稳定，而R 前面的相邻元素为ns2稳定难失电子，所
以R 的第一电离能不是全部高于同周期相邻元素，B 项错误；
C．R 为Al，Al2O3为两性氧化物，C 项正确；
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D．R 的单质为金属晶体，而氧化铝为混合晶体，其熔点高达2000 多度，远高于铝的，D 项错误；
故选C。
知识点05 电负性
1．意义：衡量元素的原子在化合物中得电子能力
2．递变规律
（1）周期表右上角氟元素的最大
（2）电负性大小
①电负性最大的前三种元素：F＞O＞N
②氢元素的电负：C＞H＞B；P＞H＞Si
3．其他判断方法
（1）根据共用电子对的偏向判断：偏向一方元素的电负性大
（2）化合物中化合价的正负判断：显负价元素的电负性大
（3）根据元素的非金属性判断
①最高价氧化物对应水化物的酸性越强，电负性越大
②单质与氢气越容易化合，电负性越大
③气态氢化物越稳定，电负性越大
4．判断化合物的类型
（1）差值：|△X|＞1.7，离子化合物
（2）差值：|△X|＜1.7，共价化合物
5．根据电负性写水解方程式
（1）水解原理
①电负性大的原子显负价，结合水中的H +
②电负性小的原子显正价，结合水中的OH
－
（2）实例
①BrI：IBr+H2O
HIO+HBr
②NCl3：N Cl
3+3H2O
NH3+3HCl
O
11
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注意：a.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。
b.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AlCl3中两元素的电
负性之差为1.5，因此AlCl3含有共价键，属于共价化合物。
c.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。
【典例09】四种元素基态原子的电子排布式如下：
①1s22s22p63s23p4 ②1s22s22p63s23p3 ③1s22s22p5 ④1s22s22p3
则下列有关比较中正确的是
A．第一电离能：④＞③＞②＞①
B．电负性：③＞④＞①＞②
C．简单离子半径：②＞①＞③＞④
D．最高正化合价：③＞④=②＞①
【答案】B
【分析】根据四种元素基态原子的电子排布式，①是S，②是P，③是F，④是N 元素。
【解析】A．一般情况下同一周期元素，原子序数越大，元素的第一电离能越大。但若元素处于第ⅡA 族、
第VA 族，由于原子最外层电子处于全充满、半充满的稳定状态，其第一电离能大于同一周期相邻元素。
同一主族元素，原子序数越大，元素的第一电离能越小，则四种元素的第一电离能大小关系为：③＞④＞
②＞①，A 错误；
B．元素的非金属性越强，其电负性就越大。同一周期元素，原子序数越大，元素的非金属性越强，同一
主族元素，原子序数越大，元素的非金属性越弱，则元素的电负性大小关系为：③＞④＞①＞②，B 正确；
C．核外电子层结构相同，原子序数越大，离子半径越小，则简单离子半径大小关系为：②＞①＞④＞③，
C 错误
D．F 元素非金属性很强，原子半径很小，与其它元素反应只能得到电子或形成共用电子对时偏向F 元素，
因此没有与族序数相等的最高化合价，故F 元素化合价不是在所有元素中最高的，D 错误；
故选B。
【典例10】下表是元素周期表前五周期的一部分，X、Y、Z、R、W、J 是6 种元素的代号，其中J 为0 族
元素。
X
Y
Z
R
W
J
下列说法正确的是
A．R 基态原子的轨道表示式为
12
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B．
与
的半径大小关系为
C．X 的第一电离能大于Y 的第一电离能
D．表中电负性最大的元素为W
【答案】C
【分析】J 为0 族元素，J 为Xe，X 为N，Y 为O，Z 为F，R 为S，W 为Br。
【解析】A．R 为S，基态原子的轨道表示式为：
，A 错误；
B．Y 为O，核外电子排布相同，核电荷数越小，半径越大，故O2->Na+，B 错误；
C．X 为N，Y 为O，N 的核外电子排布为半满结构，第一电离能大于O，C 正确；
D．同周期从左往右电负性逐渐增大，同主族从上往下电负性逐渐减弱，表中电负性最大的元素为F，D 错
误；
故选C。
13
