2024年高中化學(xué)新教材同步選擇性必修第二冊 第1章　第1節(jié)　第1課時　能層與能級　基態(tài)與激發(fā)態(tài)

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第1課時能層與能級基態(tài)與激發(fā)態(tài)[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.通過認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)與核外電子排布理解能層與能級的關(guān)系。2.通過核系。一、能層與能級1920年，丹麥科學(xué)家玻爾在氫原子模型基礎(chǔ)上，提出構(gòu)造原理，開啟了用原子結(jié)構(gòu)解釋元素周期律的篇章。1925年以后，玻爾的“殼層”落實為“能層”與“能級”，厘清了核外電子的可能狀態(tài)，復(fù)雜的原子光譜得以詮釋。1936年，德國科學(xué)家馬德隆發(fā)表了以原子光譜事實為依據(jù)的完整的構(gòu)造原理。1．能層(1)劃分依據(jù)根據(jù)能量不同，將核外電子分為不同的能層。(2)表示方法電子的能層由內(nèi)向外排序，其序號、符號以及所能容納的最多電子數(shù)如下：能層一二三四五六七符號KLMNOPQ最多電子數(shù)281832507298(3)能層間的能量關(guān)系能層越高，電子的能量越高，能量的高低順序為E(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。2．能級(1)含義：根據(jù)多電子原子的同一能層電子的能量不同，將它們分為不同能級。(2)表示方法①任一能層的能級總是從s能級開始。②每一能級用相應(yīng)能層的序數(shù)和字母s、p、d、f……組合在一起來表示：如n能層的能級按能量由低到高的順序為E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……(3)能級數(shù)＝該能層序數(shù)。(4)s、p、d、f……各能級能容納的最多電子數(shù)依次為自然數(shù)中的奇數(shù)序列1,3,5,7……的2倍。3．能層、能級與最多容納的電子數(shù)能層(n)一二三四五六七……符號KLMNOPQ……能級1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s……最多容納的電子數(shù)22626102610142……281832………………2n21．以s能級為例，不同能層的s能級之間的能量有何關(guān)系？同一能層不同能級間的能量有何關(guān)系？提示不同能層的s能級的能量關(guān)系：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……；同一能層不同能級間的能量關(guān)系：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……。2．以s、p、d、f為符號的能級分別最多可容納多少個電子？3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)是否相同？提示最多容納的電子數(shù)：s能級：2，p能級：6，d能級：10，f能級：14；3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)相同。3．第五能層最多可容納多少個電子？它們分別容納在幾個能級中？提示第五能層最多容納50個電子；它們分別容納在5個能級中。1．正誤判斷(1)2d表示L層上的d能級()(2)各能級最多可容納的電子數(shù)按s、p、d、f……的順序依次為自然數(shù)中的奇數(shù)序列1、3、5、7……的2倍()(3)4s、4p、4d、4f能級的能量的高低順序為E(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)()答案(1)×(2)√(3)√2．(2023·北京八中高二校考期末)下列關(guān)于能級的說法正確的是()A．所有能層都包含p能級B．p能級的能量一定比s能級的高C．3p2表示3p能級有兩個軌道D．2p、3p、4p能級的軌道數(shù)相同答案D解析K能層僅包含1s能級，不包含p能級，A錯誤；同一能層不同能級之間能量關(guān)系是p能級的能量一定比s能級的高；但若能層序數(shù)不同，就不符合該關(guān)系，如3s能級的能量比2p能級的能量高，B錯誤；3p2表示3p能級上有兩個電子，C錯誤；2p、3p、4p能級的軌道數(shù)相同，都是僅有3個軌道，D正確。3．下列敘述正確的是()A．f能級容納的最多電子數(shù)是s能級容納的最多電子數(shù)的7倍B．各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束C．各能層含有的能級數(shù)為n＋1D．各能層含有的電子數(shù)為2n2答案A解析f能級最多容納14個電子，s能級最多容納2個電子，f能級容納的最多電子數(shù)是s能級的7倍，故A正確；各能層中的能級數(shù)等于其能層序數(shù)，也就是說n＝1時，只有一個s能級，n＝2時，才有s、p兩個能級，故B、C錯誤；每個能層最多能填充2n2個電子，但不是所有的能層都含有2n2個電子，D項錯誤。4．比較各能層或能級中電子能量大?。?1)E(2s)________E(4s)；(2)E(3p)________E(3d)；(3)E(5d)________E(4d)；(4)E(3s)________E(2p)；(5)E(K)________E(L)________E(M)。答案(1)<(2)<(3)>(4)>(5)<<解析不同能層的能量按K、L、M、N、O、P、Q……的順序依次升高，同一能層里，各能級的能量按s、p、d、f……的順序依次升高。5．碘是人體中的重要元素，人體缺碘易患甲狀腺腫大，請回答下列問題：(1)碘在元素周期表中的位置是________________。(2)碘原子有______個能層，分別為______________________(用相應(yīng)的符號表示)。(3)碘原子的結(jié)構(gòu)示意圖為____________________，最外電子層有________個電子，這些電子有________個能級，各個能級所容納的電子數(shù)分別為____________。答案(1)第五周期第ⅦA族(2)5K、L、M、N、O(3)722、5解析(2)能層即為電子層，一共5個，分別是K、L、M、N、O，能級有11個，分別是1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、5s、5p。(3)根據(jù)核外電子排布規(guī)律可知碘原子的結(jié)構(gòu)示意圖為，最外層有7個電子，這些電子占有2個能級，分別是5s、5p。二、基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子光譜1．基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子(1)基態(tài)原子：處于最低能量狀態(tài)的原子。(2)激發(fā)態(tài)原子：基態(tài)原子吸收能量，它的電子會躍遷到較高能級，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子。(3)基態(tài)、激發(fā)態(tài)原子相互間轉(zhuǎn)化的能量變化基態(tài)原子eq\o(,\s\up7(吸收能量),\s\do5(釋放能量，主要形式為光輻射))激發(fā)態(tài)原子2．原子光譜(1)含義不同元素原子的電子發(fā)生躍遷時會吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜，總稱原子光譜。(2)成因及分類3．原子光譜的應(yīng)用光譜分析：在現(xiàn)代化學(xué)中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析。(1)發(fā)現(xiàn)新元素：許多元素是通過原子光譜發(fā)現(xiàn)的，如銫(1860年)和銣(1861年)，其光譜圖中有特征的藍(lán)光和紅光。又如1868年科學(xué)家們通過分析太陽光譜發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氦。(2)檢驗元素：焰色試驗中產(chǎn)生的焰色是電子躍遷的結(jié)果，焰色的產(chǎn)生與消失是物理變化，該過程中可能伴隨化學(xué)變化。除此之外，原子光譜在生產(chǎn)、生活中也有許多應(yīng)用，比如：焰火、霓虹燈、激光燈等。霓虹燈發(fā)光的原理：充有氖氣的霓虹燈能發(fā)出紅光，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是通電后在電場作用下，放電管里氖原子中的電子吸收能量后躍遷到能量較高的能級，且處在能量較高的能級上的電子會很快地以光的形式釋放能量而躍遷回能量較低的能級上，該光的波長恰好處于可見光區(qū)域中的紅色波段。1．(1)試分析焰色試驗的原理是什么？(2)焰色試驗屬于吸收光譜還是發(fā)射光譜？提示(1)基態(tài)原子吸收能量，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)時，將能量以光的形式釋放出來。(2)光(輻射)是電子躍遷釋放能量的重要形式之一，焰色試驗屬于發(fā)射光譜。2．光譜分析法為什么能鑒定元素？提示一種元素有一種原子光譜，一種原子光譜對應(yīng)著一種元素?？梢杂霉庾V儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜(總稱原子光譜)，所以，可以用光譜分析法鑒定元素。1．正誤判斷(1)光(輻射)是電子躍遷釋放能量的重要形式之一()(2)霓虹燈光、激光、螢光都與原子核外電子躍遷吸收能量有關(guān)()(3)產(chǎn)生激光的前提是原子要處于激發(fā)態(tài)()(4)電子躍遷時只吸收能量()(5)同一原子處于激發(fā)態(tài)時的能量一定高于基態(tài)時的能量()(6)激發(fā)態(tài)原子的能量較高，極易失去電子，表現(xiàn)出較強的還原性()答案(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√(6)×2．(2022·福建泉州市第六中學(xué)高二期中)許多金屬鹽都可以進行焰色試驗，其原因是激發(fā)態(tài)的電子從能量高的軌道躍遷到能量低的軌道時，能量以一定的波長(可見光區(qū)域)光的形式釋放。下列現(xiàn)象和應(yīng)用與電子躍遷無關(guān)的是()A．激光 B．石墨導(dǎo)電C．霓虹燈 D．原子光譜答案B解析激光、霓虹燈、原子光譜是原子的發(fā)射光譜，與原子核外電子發(fā)生躍遷有關(guān)，石墨導(dǎo)電是層間電子的自由移動，與電子的躍遷無關(guān)，故選B。3．基態(tài)與激發(fā)態(tài)(1)基態(tài)原子：處于____________狀態(tài)的原子。(2)基態(tài)原子____________，電子躍遷到________，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子。(3)電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)時，將____________。(4)____________是電子躍遷釋放能量的重要形式之一。答案(1)最低能量(2)吸收能量較高能級(3)釋放能量(4)光(輻射)題組一能層、能級的理解與應(yīng)用1．下列有關(guān)能層和能級的敘述中正確的是()A．M能層有s、p共2個能級，最多能容納8個電子B．3d能級最多容納5個電子，3f能級最多可容納7個電子C．無論哪一能層的s能級容納的最多電子數(shù)均為2D．任一能層都有s、p能級，但不一定有d能級答案C解析A項，M能層有s、p、d共3個能級，最多容納18個電子；B項，3d能級最多容納10個電子，從N能層開始有f能級，最多容納14個電子，不存在3f能級；C項，每個能層都從s能級開始，且s能級最多容納2個電子；D項，K能層只有s能級，不含有p能級。2．某一能層上nd能級最多可容納的電子數(shù)為()A．6B．10C．14D．15答案B解析能級按照s、p、d、f…的順序，最多可容納的電子數(shù)依次為1、3、5、7…的2倍，所以nd能級最多可容納的電子數(shù)為2×5＝10。3．若能層序數(shù)n＝3，則下列能級符號錯誤的是()A．nsB．npC．ndD．nf答案D解析每一能層含有的能級數(shù)與其能層數(shù)相等，則n＝3時，能層數(shù)為3，則有3s、3p、3d能級，不存在3f，從n＝4時開始出現(xiàn)f能級，故選D。4．下列說法錯誤的是()A．某原子K層上只有一個電子B．某離子M層和L層上的電子數(shù)均為K層的4倍C．某原子M層上的電子數(shù)為L層電子數(shù)的4倍D．存在核電荷數(shù)與最外層電子數(shù)相等的離子答案C解析氫原子K層上只有一個電子，A正確；Cl－、K＋等M層和L層上的電子數(shù)均為K層的4倍，B正確；原子核外已有M層，則L層為全排滿，即8個電子，這樣M層就有32個電子，而M層為第三能層，最多可容納的電子數(shù)為18個，故不可能，C錯誤；O2－核電荷數(shù)為8，最外層電子數(shù)也為8，D正確。5．在基態(tài)多電子原子中，關(guān)于核外電子能量的敘述錯誤的是()A．最易失去的電子能量最高B．同一個能層上的不同能級上的原子軌道，能量大小不同C．L層電子的能量比K層電子的能量低D．在離核最近的區(qū)域內(nèi)運動的電子能量最低答案C解析能量越高的電子在離核越遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)運動，也就越容易失去，故A不符合題意；在第n層中不同能級的能量大小順序為E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……，同一個能層上的不同能級上的原子軌道，能量大小不同，故B不符合題意；電子首先進入能量最低、離核最近的軌道，在離核最近區(qū)域內(nèi)運動的電子能量最低，故D不符合題意。6．下列能級符號表示正確且容納的最多電子數(shù)按照從少到多的順序排列的是()A．1s、2p、3d B．1s、2s、3sC．2s、2p、2d D．3p、3d、3f答案A解析K層只有1個能級，為1s，最多容納2個電子；L層有2個能級，分別為2s、2p,2p最多容納6個電子；從M層開始有d能級，3d能級最多容納10個電子，故A正確；s能級均最多容納2個電子，故B錯誤；L層沒有2d，故C錯誤；N層開始有f能級，即4f，第三能層沒有f能級，故D錯誤。題組二基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子光譜7．下列關(guān)于同一種原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的說法正確的是()A．基態(tài)時的能量比激發(fā)態(tài)時高B．激發(fā)態(tài)時比較穩(wěn)定C．由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)吸收能量D．電子僅在激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時才會產(chǎn)生原子光譜答案C解析同一原子處于激發(fā)態(tài)時能量較高，較不穩(wěn)定，A、B不正確；原子光譜分為吸收光譜和發(fā)射光譜，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時，也會產(chǎn)生原子光譜，D不正確。8．電子由3d能級躍遷至4p能級時，可通過光譜儀直接攝取()A．電子的運動軌跡圖像B．原子的吸收光譜C．電子體積大小的圖像D．原子的發(fā)射光譜答案B解析E(3d)<E(4p)，故電子由3d能級躍遷至4p能級時，吸收能量，形成吸收光譜。9．下列有關(guān)光譜的說法不正確的是()A．原子中的電子在躍遷時能量的表現(xiàn)形式之一是光，這也是原子光譜產(chǎn)生的原因B．電子由低能級躍遷至較高能級時，可通過光譜儀直接攝取原子的發(fā)射光譜C．燃放的焰火在夜空中呈現(xiàn)五彩繽紛的禮花與原子核外電子的躍遷有關(guān)D．通過光譜分析可以鑒定某些元素答案B解析不同元素的原子發(fā)生躍遷時會吸收或釋放不同的光，可以用光譜儀攝取各種元素原子的吸收光譜或發(fā)射光譜，A正確；電子由低能級躍遷至較高能級時，要吸收能量，光譜儀攝取到的是吸收光譜，B錯誤；在現(xiàn)代化學(xué)中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為光譜分析，D正確。10．下列關(guān)于能層和能級的說法正確的是()A．原子核外每一能層可容納的最多電子數(shù)為n2B．能層序數(shù)較大的能級，能量不一定較高C．同一原子中，1s、2s、3s電子的能量逐漸減小D．同一原子中，2p、3p、4p所能容納的最多電子數(shù)逐漸增多答案B解析原子核外每一個能層可容納的最多電子數(shù)為2n2，A錯誤；同一原子中，不同能層的s能級，能層序數(shù)越大，其能量越高，即能量：E(1s)<E(2s)<E(3s)，C錯誤；同一原子中，2p、3p、4p所能容納的最多電子數(shù)都為6個，D錯誤。11．對焰色試驗的描述正確的是()A．焰色試驗只是金屬單質(zhì)特有的性質(zhì)B．焰色試驗是化學(xué)變化C．焰色試驗是金屬原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時，將能量以光的形式表現(xiàn)出來D．焰色試驗是金屬原子或離子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)或基態(tài)時，將能量以光的形式表現(xiàn)出來的現(xiàn)象答案D解析焰色試驗是大多數(shù)金屬元素的性質(zhì)，是物理變化。12．下列現(xiàn)象或應(yīng)用與基態(tài)鈉原子的電子躍遷無關(guān)的是()A．NaCl的焰色試驗 B．熔融NaCl導(dǎo)電C．鈉的原子光譜 D．高壓鈉燈答案B解析熔融NaCl導(dǎo)電，是因為存在自由移動的離子，與電子躍遷無關(guān)，故B正確。13．W、X、Y、Z均為短周期主族元素，原子序數(shù)依次增大，且原子核外L電子層的電子數(shù)分別為0、5、8、8，它們的最外層電子數(shù)之和為18。下列說法正確的是()A．X和Y元素原子核外均有3個能級B．W元素原子核外只有1個電子C．Z元素原子的M層上有3個能級，有6個電子D．X、Y、Z元素形成的簡單離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)答案B解析由題分析可知W、X、Y、Z元素分別為H、N、P、Cl元素。W(H)元素原子核外只有1個電子，B正確；Z(Cl)元素原子的M層有3s、3p、3d共3個能級，其中3s能級有2個電子，3p能級有5個電子，C錯誤；X(N)、Y(P)、Z(Cl)元素形成的簡單離子分別為N3－、P3－和Cl－，其中P3－和Cl－具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，D錯誤。14．(1)用符號填寫能層所含能級種類：K層：________；L層：________；M層：________；N層：________。(2)用數(shù)字填寫能級所能容納的最多電子數(shù)目：s：________；p：________；d：________；f：________。(3)比較下列能級的能量高低(填“<”“＝”或“>”)。①E(4s)________E(3s)________E(2s)__________E(1s)；②E(4f)________E(4d)________E(4p)__________E(4s)；③E(1s)________E(2p)________E(3d)__________E(4f)。答案(1)1s2s、2p3s、3p、3d4s、4p、4d、4f(2)261014(3)①>>>②>>>③<<<解析(1)各能層含有的能級數(shù)與能層序數(shù)相等，故K層：1s；L層：2s、2p；M層：3s、3p、3d；N層：4s、4p、4d、4f。(3)在原子核外電子排布中，各能級能量高低順序為①相同能級的原子軌道，能層序數(shù)越大，軌道能量越高，則E(1s)<E(2s)<E(3s)<E(4s)；②相同能層而不同能級的能量高低順序為E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……；所以E(4f)>E(4d)>E(4p)>E(4s)；③不同能層不同能級，一般能層越高能量越大，所以能量大小順序是E(1s)<E(2p)<E(3d)<E(4f)。15．下表給出了五種元素的相關(guān)信息，其中A、B、C、D為短周期元素。元素相關(guān)信息A在常溫、常壓下，其單質(zhì)是氣體，隨著人類對環(huán)境的認(rèn)識和要求的提高，它將成為備受青睞的清潔燃料B工業(yè)上通過分離液態(tài)空氣獲得其單質(zhì)，其某種同素異形體是保護地球地表環(huán)境的重要屏障C植物生長三要素之一，它能形成多種氧化物，其中一種是早期醫(yī)療中使用的麻醉劑D室溫下其單質(zhì)呈粉末狀固體，加熱易熔化。該單質(zhì)在氧氣中燃燒，發(fā)出明亮的藍(lán)紫色火焰E它是人體不可缺少的微量元素，其單質(zhì)也是日常生產(chǎn)和生活中不可缺少的金屬原材料，常用于制造橋梁、樓房等根據(jù)上述信息填空：(1)B元素的基態(tài)原子含有________個能層，其中第二能層中含有的能級為________；D的原子結(jié)構(gòu)示意圖：________________。(2)C與A形成的某一化合物能和C與B形成的另一無色化合物(這兩種化合物