高中化學(xué)新教材同步選擇性必修第二冊 第1章 第一節(jié) 第3課時 泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理

第3課時泡利原理、洪特規(guī)則、能量最低原理[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.能從原子微觀層面理解原子的組成、結(jié)構(gòu)等。能根據(jù)核外電子的三條規(guī)則熟知核外電子排布的表示方法。2.能根據(jù)核外電子的表示方法，推導(dǎo)出對應(yīng)的原子或離子。一、原子核外電子的排布規(guī)則1．泡利原理在一個原子軌道里，最多只能容納2個電子，它們的自旋相反，常用上下箭頭(↑和↓)表示自旋相反的電子。2．電子排布的軌道表示式(電子排布圖)8O的軌道表示式如下：根據(jù)上面回答下列問題：(1)簡并軌道：能量相同的原子軌道。(2)電子對：同一個原子軌道中，自旋方向相反的一對電子。(3)單電子：一個原子軌道中若只有一個電子，則該電子稱為單電子。(4)自旋平行：箭頭同向的單電子稱為自旋平行。(5)在氧原子中，有3對電子對，有2個單電子。(6)在氧原子中，有5種空間運動狀態(tài)，有8種運動狀態(tài)不同的電子。3．洪特規(guī)則(1)內(nèi)容：基態(tài)原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行。(2)特例在簡并軌道上的電子排布處于全充滿、半充滿和全空狀態(tài)時，具有較低的能量和較大的穩(wěn)定性。相對穩(wěn)定的狀態(tài)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(全充滿：p6、d10、f14,全空：p0、d0、f0,半充滿：p3、d5、f7))如24Cr的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1，為半充滿狀態(tài)，易錯寫為1s22s22p63s23p63d44s2。4．能量最低原理(1)內(nèi)容：在構(gòu)建基態(tài)原子時，電子將盡可能地占據(jù)能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低。(2)因素：整個原子的能量由核電荷數(shù)、電子數(shù)和電子狀態(tài)三個因素共同決定。1．為什么基態(tài)K和Ca的價電子是4s1和4s2，而不是3d1和3d2。提示根據(jù)構(gòu)造原理，3d能量大于4s能量，所以依據(jù)能量最低原理，電子填入能量低的能級可使整個原子的能量最低。2．下列有關(guān)碳原子的軌道表示式中，能量最低的是()A.B.C.D.答案D解析根據(jù)洪特規(guī)則，原子的核外電子在能量相同的軌道上排布時，電子盡可能分占不同的軌道且自旋狀態(tài)相同，這樣整個原子的能量最低。A中2p軌道上兩個電子擠在同一個軌道上，B、C中兩個軌道上電子的自旋狀態(tài)相反，均與洪特規(guī)則相違背，只有D中的排布符合洪特規(guī)則，能量最低。3．寫出15P、25Mn的軌道表示式，并按要求填空。15P：，有6對電子對，有3個單電子。25Mn：，有15種空間運動狀態(tài)，有5個單電子，屬于半充滿。4．下列原子或離子的電子排布式或軌道表示式正確的是________(填序號，下同)，違反能量最低原理的是__________，違反洪特規(guī)則的是__________，違反泡利原理的是________________。①Ca2＋：1s22s22p63s23p6②F－：1s22s23p6③P：④Fe：1s22s22p63s23p63d64s2⑤Mg2＋：1s22s22p6⑥C：答案①④⑤②③⑥解析根據(jù)核外電子排布規(guī)律知②中錯誤在于電子排滿2s軌道后應(yīng)排2p軌道，而不是3p軌道，正確的應(yīng)為1s22s22p6；③中沒有遵循洪特規(guī)則——電子在同一能級的不同軌道上排布時，應(yīng)盡可能分占不同的軌道并且自旋狀態(tài)相同，正確的應(yīng)為；⑥違反泡利原理，正確的應(yīng)為。注意：書寫軌道表示式時，常出現(xiàn)的錯誤及正確書寫二、核外電子的表示方法電子排布式與軌道表示式的比較電子排布式含義用數(shù)字在能級符號右上角標(biāo)明該能級上排布的電子數(shù)，這就是電子排布式意義能直觀反映出核外的電子層、能級及各能級上的電子數(shù)實例K：1s22s22p63s23p64s1簡化電子排布式含義為了避免電子排布式書寫過于繁瑣，把內(nèi)層電子達(dá)到稀有氣體原子結(jié)構(gòu)的部分以相應(yīng)稀有氣體元素符號外加方括號表示意義避免書寫電子排布式過于繁瑣實例K：[Ar]4s1軌道表示式含義每個方框代表一個原子軌道，每個箭頭代表一個電子意義能直觀反映出電子的排布情況及電子的自旋狀態(tài)實例Al：1．以下表示氦原子結(jié)構(gòu)的化學(xué)用語中，對電子運動狀態(tài)描述最詳盡的是()A.eq\o\al(·,·)He B.C．1s2 D.答案D2．按要求填空。(1)17Cl的電子排布式：___________________________________。(2)17Cl的價電子排布式：_________________________________。(3)17Cl－的電子式：_______________________________________。(4)17Cl的價電子軌道表示式：__________________________________________。(5)17Cl的原子結(jié)構(gòu)示意圖：____________________________________________。(6)第四周期中最外層只有1個電子的所有基態(tài)原子的簡化電子排布式：________________________________________________________________________。答案(1)1s22s22p63s23p5(2)3s23p5(3)(4)(5)(6)[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1解析(6)第四周期最外層只有1個電子的基態(tài)原子的最外層電子排布式為4s1，此時3s、3p軌道應(yīng)已填滿，3d軌道可能全空、半充滿或全充滿，即其簡化電子排布式為[Ar]4s1、[Ar]3d54s1、[Ar]3d104s1。3．(1)氧元素基態(tài)原子核外未成對電子數(shù)為________個，第三周期中有兩個成單電子的元素符號________(填一種即可)，M層上有2對成對電子的原子最外層共有______種不同運動狀態(tài)的電子。(2)1～36號元素原子中未成對電子數(shù)為2的元素符號及價電子排布式：___________________________________________________________________________________________。(3)某元素的原子序數(shù)為33，該元素原子的價電子排布式為________________，該元素原子核外有________個能層，________個能級，________個原子軌道，有________個單電子。答案(1)2Si(或S)6(2)C：2s22p2，Si：3s23p2，Ge：4s24p2，O：2s22p4，S：3s23p4，Se：4s24p4，Ti：3d24s2，Ni：3d84s2(3)4s24p348183解析(1)O原子核外有8個電子，其基態(tài)原子核外電子排布式為1s22s22p4，故未成對電子數(shù)是2。第三周期中有兩個未成對電子(單電子)的元素的價電子排布式為3s23p2或3s23p4，核外電子數(shù)為14或16，元素符號為Si或S。M層上有2對成對電子的原子的電子排布式為1s22s22p63s23p4，最外層有6個電子，每個電子的運動狀態(tài)不相同，所以共有6種不同運動狀態(tài)的電子。(2)具有最外層為p2、p4、3d2、3d8結(jié)構(gòu)的原子有2個未成對電子。符合條件的元素價電子排布式為2s22p2、3s23p2、4s24p2、2s22p4、3s23p4、4s24p4、3d24s2、3d84s2，分別為C、Si、Ge、O、S、Se、Ti、Ni元素。(3)先利用能級順序和排布規(guī)律排出其電子排布式：1s22s22p63s23p63d104s24p3，價電子排布式為4s24p3，得出該元素原子核外有8個能級，共1＋1＋3＋1＋3＋5＋1＋3＝18個原子軌道(s：1個軌道；p：3個軌道；d：5個軌道)，3個單電子。熟記第四周期未成對電子數(shù)規(guī)律未成對電子數(shù)及其占據(jù)的原子軌道元素符號及價電子排布14sK：4s1,Cu：3d104s13dSc：3d14s24pGa：4s24p1，Br：4s24p523dTi：3d24s2，Ni：3d84s24pGe：4s24p2，Se：4s24p433dV：3d34s2，Co：3d74s24pAs：4s24p343dFe：3d64s253dMn：3d54s263d和4sCr：3d54s11．下列原子的軌道表示式中，符合洪特規(guī)則的是()A.B.C.D.答案C2．下列有關(guān)化學(xué)用語中不能體現(xiàn)氮原子核外電子能量有差異的是()A.B.C.D．1s22s22p3答案A3．24Cr原子處于基態(tài)時，價電子排布可用軌道表示式表示成，而不是。下列說法中正確的是()A．這兩種排布方式都符合能量最低原理B．這兩種排布方式都符合泡利原理C．這兩種排布方式都符合洪特規(guī)則D．這個實例說明洪特規(guī)則有時候和能量最低原理是矛盾的答案B解析洪特規(guī)則實際上是能量最低原理的一個特例，電子排布滿足洪特規(guī)則，實際上是為了更好地遵循能量最低原理，同一能級的不同原子軌道在全滿(s2、p6和d10)、半充滿(s1、p3和d5)和全空(s0、p0和d0)狀態(tài)時，體系能量較低，原子較穩(wěn)定。4．下列關(guān)于硅原子的核外電子排布表示方法中，錯誤的是()A．1s22s22p63s23p2B．[Ne]3s23p2C.D.答案C解析A、B兩項是電子排布式，C、D兩項是軌道表示式，其中C項違背了洪特規(guī)則，故錯誤。5．在短周期元素中，元素的基態(tài)原子核外未成對電子數(shù)等于能層數(shù)的元素有a種，元素的基態(tài)原子最外層電子數(shù)是未成對電子數(shù)2倍的元素有b種，則a∶b的值為()A．1B．2C．3D．4答案B解析在短周期元素中，符合基態(tài)原子核外未成對電子數(shù)等于能層數(shù)的元素有第一周期的H元素；在第二周期，原子核外未成對電子數(shù)為2的元素，其核外電子軌道表示式為(C元素)或(O元素)；在第三周期，原子核外未成對電子數(shù)為3的元素，其最外層電子軌道表示式是(P元素)，符合條件的元素共4種，即a＝4。符合基態(tài)原子最外層電子數(shù)是未成對電子數(shù)2倍的元素，其基態(tài)原子的最外層電子數(shù)是2、4、6或8，若最外層電子數(shù)為2，則是氦或第ⅡA族元素，這些元素原子的最外層電子排布式為ns2，無未成對電子，不符合題意；若最外層電子數(shù)為4，則是第ⅣA族元素，這些元素原子的最外層電子排布式為ns2np2，其p能級上的2個電子為未成對電子，符合題意，因題目要求是短周期元素，故有2種；若最外層電子數(shù)為6，則是第ⅥA族元素，這些元素原子的最外層電子排布式為ns2np4，其p能級上有2個未成對電子，最外層電子數(shù)是未成對電子數(shù)的3倍，不符合題意；若最外層電子數(shù)為8，則是0族元素，這些元素原子的最外層電子排布式為ns2np6，其p能級為全充滿狀態(tài)，無未成對電子，因此不符合題意，總之，符合條件的元素共2種，即b＝2。綜上可知a∶b的值為2。6．下列各組原子中，彼此化學(xué)性質(zhì)一定相似的是()A．原子核外L能層的未成對電子數(shù)與M能層的未成對電子數(shù)相等的原子B．原子核外M層上僅有兩個電子的X原子與原子核外N層上僅有兩個電子的Y原子C．2p能級只有1個空軌道的X原子和3p能級只有1個空軌道的Y原子D．最外層都只有一個電子的X、Y原子答案C解析L層(M層)只有1個未成對電子的可能是Li或F(Na或Cl)，L層(M層)有2個未成對電子的可能是C或O(Si或S)，A項錯誤；B項中X為Mg，Y可能為Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C項為C()和Si()；D項中最外層只有1個電子的原子有氫及堿金屬，氫原子與堿金屬原子化學(xué)性質(zhì)不相似。題組一核外電子排布式與軌道表示式1．下列敘述正確的是()A．可能存在基態(tài)核外電子排布為1s22s22p63s23p64s24p1的原子B．在氫原子的電子云圖中，小黑點的疏密程度表示電子在該區(qū)域出現(xiàn)的概率密度C．當(dāng)電子排布在同一能級的不同軌道時，總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，而且自旋方向相反D．1個原子軌道里最多只能容納2個電子，而且自旋方向相同答案B解析A中原子的核外電子排布應(yīng)該為1s22s22p63s23p63d14s2；當(dāng)電子排布在同一能級的不同軌道時，總是優(yōu)先單獨占據(jù)一個軌道，而且自旋方向相同；一個原子軌道里最多只能容納2個電子，且自旋方向相反，所以A、C、D錯誤。2．下列各基態(tài)原子的核外電子排布式表示正確的是()A．鈉原子：1s22s22p7B．銅原子：1s22s22p63s23p63d94s2C．鐵原子：1s22s22p63s23p63d8D．氪原子：1s22s22p63s23p63d104s24p6答案D解析違背了泡利原理，應(yīng)該是1s22s22p63s1，A錯誤；等價軌道在全空、半滿、全滿時是穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)該是1s22s22p63s23p63d104s1，B錯誤；違背了能量最低原理，應(yīng)該是1s22s22p63s23p63d64s2，C錯誤。3．下列電子排布式或軌道表示式正確的是()A．C的軌道表示式：B．Ca的電子排布式：1s22s22p63s23p63d2C．N的軌道表示式：D．Br－的電子排布式：[Ar]3d104s24p6答案D4．已知鉻的核電荷數(shù)為24，以下是一些同學(xué)繪制的基態(tài)鉻原子核外電子的軌道表示式，其中最能準(zhǔn)確表示基態(tài)鉻原子核外電子運動狀態(tài)的是()答案D5．在核電荷數(shù)為26的元素Fe的原子核外3d、4s軌道內(nèi)，下列軌道表示式正確的是()A.B.C.D.答案C題組二核外電子排布規(guī)則的應(yīng)用6．下列微粒中，最外層未成對電子數(shù)最多的是()A．SB．AsC．MnD．Fe3＋答案D解析各微粒的未成對電子數(shù)分別為：S：2個，As：3個，Mn：5個，F(xiàn)e3＋：5個，但Mn的最外層電子排布式為4s2。7．下列表達(dá)式錯誤的是()A．甲烷的電子式：B．氮原子的L層電子的軌道表示式：C．碳-12原子：eq\o\al(12,6)CD．S2－的核外電子排布式：1s22s22p63s23p4答案D8．基態(tài)原子的4s能級中只有1個電子的元素共有()A．1種B．2種C．3種D．8種答案C解析基態(tài)原子4s能級中只有1個電子的元素有：K、Cr、Cu。9．A原子的結(jié)構(gòu)示意圖為，則X、Y及該原子3d能級上的電子數(shù)不可能的組合是()A．18、8、0 B．20、8、0C．25、13、5 D．30、18、10答案A10．具有如下電子層結(jié)構(gòu)的原子，其相應(yīng)元素一定屬于同一主族的是()A．3p軌道上有2個未成對電子的原子和4p軌道上有2個未成對電子的原子B．3p軌道上只有1個空軌道的原子和4p軌道上只有1個空軌道的原子C．最外層電子排布式為1s2的原子和最外層電子排布式為2s22p6的原子D．最外層電子排布式為1s2的原子和最外層電子排布式為2s2的原子答案B解析p軌道有3個原子軌道，最多可以容納6個電子，根據(jù)電子排布的泡利不相容原理和洪特規(guī)則，當(dāng)p軌道上有2個電子或4個電子時，p軌道上有2個未成對電子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A不符合題意；p軌道上有1個空軌道，說明另外兩個軌道各容納了1個電子，加上s軌道上的2個電子，最外層是4個電子，屬于第ⅣA族元素，故B符合題意；最外層電子排布式為1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有氣體元素，但不屬于主族元素，故C錯誤；最外層電子排布式為1s2的原子為He，位于0族，而最外層電子排布為2s2的原子是Be，屬于第ⅡA族元素，故D錯誤。11．下表列出了核電荷數(shù)為21～25的元素的最高正化合價，回答下列問題：元素名稱鈧鈦釩鉻錳元素符號ScTiVCrMn核電荷數(shù)2122232425最高正化合價＋3＋4＋5＋6＋7(1)寫出下列元素基態(tài)原子的核外電子排布式：Sc________________；Ti________________；V________________；Cr________________；Mn________________。(2)對比上述五種元素原子的核外電子排布式與元素的最高正化合價，你發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是________________，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是________________。答案(1)1s22s22p63s23p63d14s2(或[Ar]3d14s2)1s22s22p63s23p63d24s2(或[Ar]3d24s2)1s22s22p63s23p63d34s2(或[Ar]3d34s2)1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)1s22s22p63s23p63d54s2(或[Ar]3d54s2)(2)五種元素的最高正化合價等于各元素基態(tài)原子的最高能層s電子和次高能層d電子數(shù)目之和能級交錯使得d電子也參與了化學(xué)反應(yīng)12．A、B、C、D、E代表5種元素。請?zhí)羁眨?1)A元素基態(tài)原子的最外層有3個未成對電子，次外層有2個電子，該原子的軌道表示式為________。(2)B元素的負(fù)一價離子與C元素的正一價離子的電子排布式都與氬原子相同，B元素的符號為________，C的離子結(jié)構(gòu)示意圖為________。(3)D元素的正三價離子的3d能級為半充滿，D的元素符號為________，其基態(tài)原子的電子排布式為________。(4)E元素基態(tài)原子的M層全充滿，N層沒有成對電子，只有一個未成對電子，E的元素符號為________，其價電子軌道表示式為________。答案(1)(2)Cl(3)Fe1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)(4)Cu解析(1)根據(jù)A元素基態(tài)原子的最外層有3個未成對電子，次外層有2個電子，可知該元素的基態(tài)原子有2個能層，共有7個電子，是N元素，其原子軌道表示式為。(2)B元素的負(fù)一價離子與C元素的正一價離子的電子排布式與氬原子相同，即都有18個電子，則B元素為Cl，C元素為K，K＋的結(jié)構(gòu)示意圖為。(3)D元素的正三價離子的3d能級為半充滿，則原子的價電子排布式為3d64s2，即為26號Fe元素，其基態(tài)電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2。(4)由E元素基態(tài)原子的M層全充滿，N層沒有成對電子，只有1個未成對電子，可知其價電子排布式為3d104s1，所以E為Cu元素，其價電子軌道表示式為。13．有A、B、C、D四種短周期主族元素，它們的原子序數(shù)依次增大，其中A元素原子核外僅有一個非空原子軌道，也是宇宙中最豐富的元素；B元素原子核外p電子數(shù)比s電子數(shù)少1；C為金屬元素且原子核外p電子數(shù)和s電子數(shù)相等；D元素的原子核外所有p軌道為全充滿或半充滿狀態(tài)。(1)寫出四種元素的元素符號：A________，B________，C________，D________。(2)寫出C、D兩種元素基態(tài)原子的軌道表示式：C：________________________________________________________________________。D：________________________________________________________________________。(3)B元素的單質(zhì)的電子式為________，其簡單氫化物的電子式為________。答案(1)HNMgP(2)(3)解析A是宇宙中最豐富的元素，且原子核外僅有一個非空原子軌道，則A為氫；B元素原子的核外電子排布式為1s22s22p3，則B為氮；C元素原子的核外電子排布式為1s22s22p63s2，則C為鎂；D元素原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p3，則D為磷。14．已知A原子中只含1個電子；B原子的3p軌道上得到1個電子后不容納外來電子；C原子的2p軌道上有1個電子的自旋方向與其他電子的自旋方向相反；D原子的第三電子層上有8個電子，第四電子層上只有