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.通過核外電子能量不同分析，理解激態(tài)與激發(fā)態(tài)的含義與關(guān)系。3.能辨識光譜與電子躍遷之間的關(guān)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)含義：根據(jù)核外電子的能量不同，將核外電子分為不同的能層(電子層)。(2)序號及符號能層序號一、二、三、四、五、六、七……分別用K、L、M、N、O、P、Q……表示，其中每層所容納的電子數(shù)最多為2n2個。(3)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的電子的能量也可能不同，將它們分為不同能級。(2)表示方法：分別用相應(yīng)能層的序數(shù)和字母s、p、d、f等表示，如n能層的能級按能量由低到高的排列順序為ns、np、nd、nf等。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……最多電子數(shù)22626102610142……281832………………2n2由上表可知：(1)能層序數(shù)等于該能層所包含的能級數(shù)，如第三能層有3個能級。(2)s、p、d、f各能級可容納的最多電子數(shù)分別為1、3、5、7的2倍。(3)原子核外電子的每一能層最多可容納的電子數(shù)是2n2(n為能層的序數(shù))。(1)2d表示L層上的d能級()(2)同一原子中，1s、2s、3s電子的能量逐漸減小()(3)各能層的能級都是從s能級開始至f能級結(jié)束()(4)4s、4p、4d、4f能量的高低順序為E(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)()(5)3d、4d、5d能級所能容納的最多電子數(shù)不相同()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×1．根據(jù)Be、N、Ne、Na、Mg五種元素的原子結(jié)構(gòu)，回答下列問題：(1)只有K層與L層的原子有________。答案Be、N、Ne(2)含有M層的原子有________。答案Na、Mg(3)最外層電子數(shù)相同的原子有________。答案Be、Mg(4)每一層電子數(shù)都符合2n2的有________。答案Ne2．若n＝3，以下能級符號錯誤的是()A．npB．nfC．ndD．ns答案B3．下列能級符號表示正確且最多容納的電子數(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，變成激發(fā)態(tài)原子。(3)基態(tài)、激發(fā)態(tài)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))激發(fā)態(tài)原子2.光譜(1)光譜的成因及分類(2)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)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)×1．回答下列問題：吸收光譜是________的電子躍遷為________的電子產(chǎn)生的，此過程中電子________能量；發(fā)射光譜是________的電子躍遷為________的電子產(chǎn)生的，此過程中電子________能量。答案基態(tài)激發(fā)態(tài)吸收激發(fā)態(tài)基態(tài)釋放2．如圖是鋰、氦、汞原子的吸收光譜和發(fā)射光譜。其中圖________是原子由基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)時的光譜，圖________是原子由激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)化為基態(tài)時的光譜。不同元素的原子光譜上的特征譜線不同，請在圖中將同種元素原子的吸收光譜和發(fā)射光譜連接起來。答案①③⑤②④⑥如圖所示1．下列敘述正確的是()A．能級就是電子層B．每個能層最多可容納的電子數(shù)是2n2C．同一能層中的不同能級的能量高低相同D．不同能層中的s能級的能量高低相同答案B解析能層是電子層，對于同一能層里能量不同的電子，又將其分為不同的能級，故A錯誤；每個能層最多可容納的電子數(shù)是2n2，故B正確；同一能層里不同能級，能量按照s、p、d、f的順序升高，故C錯誤；不同能層中的s能級的能量不同，能層越大，s能級的能量越高，例如：E(1s)<E(2s)<E(3s)……，故D錯誤。2．以下能級符號正確的是()A．3f B．2dC．4s D．2f答案C解析第三能層有3個能級(3s、3p、3d)，沒有3f能級，故A錯誤；第二能層有2個能級(2s和2p)，沒有2d能級，故B錯誤；第四能層有4個能級(4s、4p、4d,4f)，故C正確；第二能層有2個能級(2s和2p)，沒有2f能級，故D錯誤。3．第N能層所含能級數(shù)、最多容納電子數(shù)分別為()A．3、18 B．4、24C．5、32 D．4、32答案D解析第N能層為第4層，含有的能級分別為s、p、d、f，最多可以容納32個電子，D正確。4．下列現(xiàn)象和應(yīng)用與電子躍遷無關(guān)的是()A．激光 B．焰色試驗C．燃燒放熱 D．霓虹燈答案C5．K層有________個能級，用符號表示為________；L層有________個能級，用符號分別表示為__________；M層有________個能級，用符號分別表示為________。由此可推知n能層最多可能有________個能級，能量最低的兩個能級其符號分別表示為________。答案11s22s、2p33s、3p、3dnns、np6．(1)已知短周期元素A、B，A元素原子的最外層電子數(shù)為m，次外層電子數(shù)為n；B元素原子的M層(有電子)電子數(shù)為m－n－1，L層電子數(shù)為m＋n＋2，則A為________(填元素符號，下同)，B為________。(2)已知X元素原子的L層比Y元素原子的L層少3個電子，Y元素原子的核外電子總數(shù)比X元素原子的多5，則X、Y分別為________、________。答案(1)CNa(2)NMg解析(1)短周期元素的原子最多有三個能層(K、L、M)，則A元素原子的次外層只可能為K層或L層，n只可能是2或8，又因為B元素原子的L層電子數(shù)為m＋n＋2，而L層最多容納8個電子，所以n只可能等于2。由m＋n＋2＝8，得m＝4。故A元素原子的核外電子排布情況為K層2個電子，L層4個電子，則A為C；B元素原子的核外電子排布情況為K層2個電子，L層8個電子，M層1個電子，則B為Na。(2)根據(jù)題意，Y元素原子的核外電子總數(shù)比X元素原子的多5，而Y元素原子的L層電子只比X元素原子的多3個，故Y元素原子的最外層不是L層，而是M層，根據(jù)核外電子排布規(guī)律可知，其L層為次外層時只能排8個電子，則X元素原子的L層有5個電子，其原子核外電子數(shù)為2＋5＝7，故X為N；Y元素原子核外電子數(shù)為7＋5＝12，故Y為Mg。題組一能層的理解與應(yīng)用1．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．離核最遠的電子能量最高C．p能級電子能量一定高于s能級電子能量D．在離核最近的區(qū)域內(nèi)運動的電子能量最低答案C解析最易失去的電子，性質(zhì)活潑，所以能量最高，A正確；離核最近的區(qū)域內(nèi)運動的電子能量最低，離核越遠區(qū)域內(nèi)運動的電子能量越高，B、D正確；處于同一能層時，p能級電子能量一定高于s能級電子能量，C錯誤。2．某元素原子的核外有三個能層，最外能層有4個電子，該原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)為()A．14B．15C．16D．17答案A解析原子核外共有三個能層，最內(nèi)層只有1s能級，可容納2個電子，第二層有2s、2p兩個能級，可容納1×2＋3×2＝8個電子，最外層有4個電子，所以該原子核外有14個電子，又因在原子中核外電子數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，故選A。3．在同一個原子中，M能層上的電子與Q能層上的電子的能量()A．前者大于后者 B．后者大于前者C．前者等于后者 D．無法確定答案B4．下列說法中有錯誤的是()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＋等離子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層為第三層，最多容納的電子數(shù)為18個，故不可能，C錯誤；O2－核電荷數(shù)為8，核外最外層電子數(shù)也為8，D正確。題組二能層和能級5．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能級最多容納7個電子C．無論哪一能層的s能級最多容納的電子數(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。6．某一能層上nd能級最多所能容納的電子數(shù)為()A．6B．10C．14D．15答案B解析d能級有5個軌道，每個軌道最多能容納2個電子，所以nd能級最多能容納10個電子。7．下列各能層不包含d能級的是()A．O能層B．P能層C．M能層D．K能層答案D解析多電子原子中，同一能層的電子可分為不同的能級，K層只有s能級，L層有s、p能級，從M層開始有d能級。8．下列多電子原子不同能級能量高低的比較錯誤的是()A．1s＜2s＜3s B．2p＜3p＜4pC．3s＜3p＜3d D．4s＞3d＞3p答案D解析在多電子原子中，從3d能級開始有“能級交錯”現(xiàn)象，實際4s能級的能量小于3d，所以D錯誤。題組三原子的激發(fā)態(tài)、基態(tài)與光譜9．下列關(guān)于同一種原子中的基態(tài)和激發(fā)態(tài)說法中，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)過程中吸收能量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；電子從能量較低的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)時，也會產(chǎn)生原子光譜，D不正確。10．以下現(xiàn)象與核外電子的躍遷有關(guān)的是()①霓虹燈發(fā)出有色光②棱鏡分光③激光器產(chǎn)生激光④石油蒸餾⑤凸透鏡聚光⑥燃放的焰火，在夜空中呈現(xiàn)五彩繽紛的禮花⑦日光燈通電發(fā)光⑧冷卻結(jié)晶A．①③⑥⑦ B．②④⑤⑧C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦答案A解析①霓虹燈發(fā)出有色光，因為燈管中的稀有氣體原子吸收能量，電子發(fā)生躍遷，發(fā)射出不同顏色的光，正確；②棱鏡分光是由于不同色彩的光在玻璃中的折射率不同引起的，與電子躍遷無關(guān)，錯誤；③激光的產(chǎn)生就是在外部刺激的情況下，很多高能的電子同時釋放相位和能級相同能量，這些能量成為顏色一樣的光子，有的在激光器內(nèi)反射，繼續(xù)與電子碰撞，釋放更多的與它相同的光子，有的離開激光器，形成激光，與電子躍遷有關(guān)，正確；④石油蒸餾是利用石油中各成分的沸點不同加以分離，與電子躍遷無關(guān)，錯誤；⑤凸透鏡聚光是由光的折射形成的，與電子躍遷無關(guān)，錯誤；⑥燃放的焰火，是因為不同金屬離子吸收能量，電子發(fā)生躍遷，形成不同的顏色的光，正確；⑦日光燈通電發(fā)光，是因為電子受到激發(fā)的時候原子就會釋放出可見光子形成的，與電子躍遷有關(guān)，正確；⑧冷卻結(jié)晶，是由于溫度降低，物質(zhì)的溶解度減小，析出溶質(zhì)，與電子躍遷無關(guān)。11．元素Na的焰色試驗呈黃色，從能量變化的角度其光譜類型屬于()A．發(fā)射光譜B．吸收光譜C．連續(xù)光譜D．線狀光譜答案A解析焰色反應(yīng)是待測物的金屬元素吸收能量后，原子中的電子發(fā)生躍遷變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，釋放能量變?yōu)檩^低能量的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，產(chǎn)生發(fā)射光譜。12．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，從基態(tài)→激發(fā)態(tài)要吸收能量，從激發(fā)態(tài)→基態(tài)會釋放能量。13．圖中所發(fā)生的現(xiàn)象與電子的躍遷無關(guān)的是()答案D解析燃放煙火、霓虹燈、燃燒蠟燭等獲得的光能都是電子躍遷時能量以光的形式釋放出來導(dǎo)致的，而平面鏡成像則是光線反射的結(jié)果。14．對充有氖氣的霓虹燈管通電，燈管發(fā)出紅色光。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是()A．電子由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時以光的形式釋放能量B．電子由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時吸收除紅光以外的光線C．氖原子獲得電子后轉(zhuǎn)變成發(fā)出紅光的物質(zhì)D．在電流的作用下，氖原子與構(gòu)成燈管的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)答案A解析霓虹燈之所以能發(fā)光，是因為電子吸收能量后躍遷到能量較高的能級，能量較高能級上的電子會很快以光的形式釋放能量而躍遷回能量較低的能級。15．填空。(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“>”)。①4s________3s________2s________1s；②4f________4d________4p________4s；③1s________2p________3d________4f。答案(1)1s2s、2p3s、3p、3d4s、4p、4d、4f(2)261014(3)①>>>②>>>③<<<16．(1)1861年德國人基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)和本生(R.W.Bunsen)研究鋰云母的某譜時，發(fā)現(xiàn)在深紅區(qū)有一新線，從而發(fā)現(xiàn)了銣元素，他們研究的是________________________________________________________________________。(2)含有鉀元素的鹽的焰色試驗為________色。許多金屬鹽都可以發(fā)生焰色試驗，其原因是________________________________________________________________________。答案(1)原子光譜(2)紫電子從能量較高的激發(fā)態(tài)躍遷到能量較低的基態(tài)時，以一定波長(可見光區(qū)域)光的形式釋放能量17．(1)Cl原子核外電子能量最高的電子所在的能級是________。(2)基態(tài)Si原子中，核外電子占據(jù)最高能層的符號為________，該能層上有________個能級，電子數(shù)為________。答案(1)3p(2)M34解析(1)Cl原子核外有17個電子，排布在1s、2s、2p、3s、3p5個能級上，能量最高的是3p能級。(2)Si原子核外有14個電子，K、L、M能層上分別有2、8、4個電子，所以電子占據(jù)的最高能層為M能層，該能層有3s、3p、3d三個能級，排有4個電子。18．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，其中第二能層中有哪幾個能級：________；畫出D的原子結(jié)構(gòu)示意圖_______