原子结构。
编稿：宋杰审稿：于冬梅。
学习目标】1、根据构造原理写出1~36元素原子的电子排布式；
2、了解核外电子的运动状态；
3、掌握泡利原理、洪特规则。
要点梳理】要点。
一、原子的诞生。
我们所在的宇宙诞生于一次大**。大**后约2小时，诞生了大量的氢、少量的氦及极少量的锂。其后，经过或长或短的发展过程，氢、氦等发生原子核的融合反应，分期分批地合成了其他元素。
（如图所示）
要点。二、能层与能级【高清课堂：原子结构与性质#原子结构与性质】
1．能层。（1）含义：在含有多个电子的原子里，由于电子的能量各不相同，因此，它们运动的区域也不同。
通常能量最低的电子在离核最近的区域运动，而能量高的电子在离核较远的区域运动。根据多电子原子核外电子的能量差异可将核外电子分成不同的能层（即电子层）。如钠原子核外有11个电子，第一能层有2个电子，第二能层有8个电子，第三能层有1个电子。
（2）能层表示方法。
要点诠释：电子层、次外层、最外层、最内层、内层。
在推断题中经常出现与层数有关的概念，理解这些概念是正确推断的关键。为了研究方便，人们形象地把原子核外电子运动看成分层运动，在原子结构示意图中，按能量高低将核外电子分为不同的能层，并用符k、l、m、n、o、p、q……表示相应的层，统称为电子层。一个原子在基态时，电子所占据的电子层数等于该元素在周期表中所处的周期数。
倒数第一层，称为最外层；从外向内，倒数第二层称为次外层；最内层就是第一层（k层）；内层是除最外层外剩下电子层的统称。以基态铁原子结构示意图为例：铁原子共有4个电子层，最外层(n层)只有2个电子，次外层（m层）共有14个电子，最内层（k层）有2个电子，内层共有24个电子。
2．能级。（1）含义：在多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，这样同一能层就可分成不同的能级（也可称为电子亚层）。
能层与能级类似于楼层与阶梯之间的关系。在每一个能层中，能级符的顺序是ns、np、nd、nf……（n代表能层）
（2）各能层所包含的能级符及各能层、能级最多容纳的电子数见下表：
（3）能级数与能层序数的关系。
在任一能层，能级数=能层序数。
（4）能级与电子数的关系。
以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数依次为……的2倍，即……
说明①在任一个能层中，能级符顺序为ns、np、nd、nf……（n代表能层），能量依次升高，即在第n层中，不同能级的能量大小顺序是e（ns）＜e（np）＜e（nd）＜e（nf）……
②不同能层，能级符相同，n越大，能量越高，如e（1s）＜e（2s）＜e（3s）＜e（4s）……
要点。三、构造原理。
1．构造原理。
从氢原子开始，随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子，电子大多是按图1-1-2所示的能级顺序填充的，填满一个能级再填一个新能级。这个规律称为构造原理。
2．构造原理的应用。
构造原理是书写基态原子电子排布式的依据。
将阿拉伯数字放在能级符前表示能层数，将阿拉伯数字标在能级符右上角表示该能级上排布的电子数，这就是电子排布式。如n：1s22s22p3，mg：1s22s22p63s2。
说明 ①电子所排的能级顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s……
②图1-1-2中每个小圆圈表示一个能级，每一行对应一个能层。各圆圈间连线的方向表示随核电荷数递增而增加的电子填入能级的顺序。
③构造原理揭示了原子核外电子的能级分布，从中可以看出，不同能层的能级有交错现象，如e（3d）＞e（4s）、e（4d）＞e（5s）、e（5d）＞e（6s）、e（6d）＞e（7s）、e（4f）＞e（5p）、e（4f）＞e（6s）等。
要点诠释：关于原子的最外层、次外层电子数。
由于能级交错的原因，e（nd）＞e[（n+1）s]，当ns和np全充满时（共4个轨道，最多容纳8个电子），多余电子不是填入nd，而是首先形成新电子层，填人（n+1）s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个。
同理可以解释为什么次外层电子数不超过18个。若最外层是第n层，次外层就是第（n－1）层。由于e[(n－1)f]＞e[(n+1)s]＞e（np），在第（n+1）层出现前，次外层只有（n－1）s、（n－1）p、（n－1）d上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，因此次外层电子数不超过18个。
例如，某原子最外层是第五层，次外层就是第四层，由于e（4f）＞e（6s）＞e（5p），在第六层出现之前，次外层（第四层）只有4s、4p和4d轨道上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，也就是次外层电子数不超过18个。
要点。四、能量最低原理、基态与激发态、光谱。
1．能量最低原理。
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。即在基态原子里，电子优先排布在能量最低的能级里，然后排布在能量逐渐升高的能级里。
2．基态与激发态原子。
（1）基态：最低能量状态。处于最低能量状态的原子称为基态原子。
（2）激发态：较高能量状态（相对基态而言）。
（3）基态原子、激发态原子相互转化与能量的关系：基态原子激发态原子。
3．光谱。（1）光谱。
光谱一词最早是由伟大的物理学家牛顿提出的。不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放出不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱和发射光谱，这些光谱统称为原子光谱。
（2）光谱分析及其应用。
在现代化学中利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。在历史上，有许多种元素都是通过光谱分析来发现的，如在2024年德国科学家本生和基尔霍夫发明了光谱仪，摄取了当时已知元素的光谱图。2024年德国科学家基尔霍夫利用光谱分析的方法发现了铷元素。
再如稀有气体氦的原意是“太阳元素”，是2024年分析太阳光谱时发现的，最初人们以为它只存在于太阳，后来才在地球上发现。
（3）基态、激发态与光谱的联系。
当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。例如，电子可以从l s跃迁到2s、6p……相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。
在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
要点。五、电子云与原子轨道。
1．电子运动的特点：只能确定电子在原子核外空间各处出现的概率，而无法确定某个时刻处于原子核外空间何处。
2．电子云：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。
3．原子轨道。
（1）s电子的电子云轮廓图都是一个球形，p电子的电子云是哑铃状的。量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为原子轨道。
（2）s电子的原子轨道都是球形的，能层序数越大，原子轨道的半径越大。p电子的原子轨道是哑铃形的，每个p能级有3个原子轨道，它们互相垂直，分别称为px、py、pz。p电子的原子轨道的平均半径也随能层序数的增大而增大。
（3）ns能级有1个原子轨道，np能级有3个原子轨道，nd能级有5个原子轨道，nf能级有7个原子轨道，而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用一对方向相反的箭头“↑↓来表示。
小结 ①能层序数n越大，原子轨道的半径越大。
②s能级只有一个原子轨道，且都是球形的。
③p能级有3个相互垂直的原子轨道，分别用px、py、pz表示。在同一能层中px、py、pz的能量相同。
④不同能层的同种能级的原子轨道形状相似，只是半径不同，能层序数n越大，原子轨道的半径越大。这是因为能层序数n越大，电子的能量越高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。如ls、2s、3s的形状均为球形，但原子轨道半径：
1s＜2s＜3s。
要点。六、泡利原理和洪特规则【高清课堂：原子结构与性质#原子核外电子排布规律】
1．泡利原理。
在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，而且它们的自定状态相反（用“↑↓表示），这个原理称为泡利原理。
电子自旋可以比喻成地球的自转，自旋只有两种方向：顺时针方向和逆时针方向。
2．电子排布图。
用方框表示原子轨道，用箭头表示电子（一个箭头表示一个电子），这种用来表达电子排布的新方式叫做电子排布图。
如锂的电子排布图：
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，而且自旋状态相同。
注意等价轨道全充满、半充满或全空的状态一般比较稳定，也就是说，具有下列电子层结构的原子是比较稳定的。
全充满：p6、d10、f14，半充满：p3、d5、f7，全空：p0、d0、f0。
因此，铬和铜的基态原子的电子排布图如下：
总之，基态原子的电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。用构造原理得到的电子排布给出了基态原子核外电子在能层和能级中的排布，而电子排布图还给出了电子在原子轨道中的排布。
要点。七、描述核外电子排布的化学用语。
1．电子排布式。
（1）定义：用核外电子分布的原子轨道（能层）及各原子轨道（能级）上的电子数来表示电子排布的式子。如1s22s22ps22s22p63s23ps22s22p63s23p64ss22s22p63s23p63d64s2分别是o、al、ca、fe原子的电子排布式。
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