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

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第1課時(shí)能層與能級(jí)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(shí)原子結(jié)構(gòu)與核外電子排布理解能層與能級(jí)的關(guān)系。2.通過核系。一、能層與能級(jí)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(shí)為“能層”與“能級(jí)”，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(guó)科學(xué)家馬德隆發(fā)表了以原子光譜事實(shí)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(hào)、符號(hào)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(hào)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?yàn)镋(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。2．能級(jí)(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(jí)。(2)表示方法①任一能層的能級(jí)總是從s能級(jí)開始。②每一能級(jí)用相應(yīng)能層的序數(shù)和字母s、p、d、f……組合在一起來(lái)表示：如n能層的能級(jí)按能量由低到高的順序?yàn)镋(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……(3)能級(jí)數(shù)＝該能層序數(shù)。(4)s、p、d、f……各能級(jí)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(jí)與最多容納的電子數(shù)能層(n)一二三四五六七……符號(hào)KLMNOPQ……能級(jí)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s……最多容納的電子數(shù)22626102610142……281832………………2n21．以s能級(jí)為例，不同能層的s能級(jí)之間的能量有何關(guān)系？同一能層不同能級(jí)間的能量有何關(guān)系？提示不同能層的s能級(jí)的能量關(guān)系：E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)……；同一能層不同能級(jí)間的能量關(guān)系：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……。2．以s、p、d、f為符號(hào)的能級(jí)分別最多可容納多少個(gè)電子？3d、4d、5d能級(jí)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(jí)：2，p能級(jí)：6，d能級(jí)：10，f能級(jí)：14；3d、4d、5d能級(jí)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(gè)電子？它們分別容納在幾個(gè)能級(jí)中？提示第五能層最多容納50個(gè)電子；它們分別容納在5個(gè)能級(jí)中。1．正誤判斷(1)2d表示L層上的d能級(jí)()(2)各能級(jí)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(jí)的能量的高低順序?yàn)镋(4s)＜E(4p)＜E(4d)＜E(4f)()答案(1)×(2)√(3)√2．(2023·北京八中高二?？计谀?下列關(guān)于能級(jí)的說(shuō)法正確的是()A．所有能層都包含p能級(jí)B．p能級(jí)的能量一定比s能級(jí)的高C．3p2表示3p能級(jí)有兩個(gè)軌道D．2p、3p、4p能級(jí)的軌道數(shù)相同答案D解析K能層僅包含1s能級(jí)，不包含p能級(jí)，A錯(cuò)誤；同一能層不同能級(jí)之間能量關(guān)系是p能級(jí)的能量一定比s能級(jí)的高；但若能層序數(shù)不同，就不符合該關(guān)系，如3s能級(jí)的能量比2p能級(jí)的能量高，B錯(cuò)誤；3p2表示3p能級(jí)上有兩個(gè)電子，C錯(cuò)誤；2p、3p、4p能級(jí)的軌道數(shù)相同，都是僅有3個(gè)軌道，D正確。3．下列敘述正確的是()A．f能級(jí)容納的最多電子數(shù)是s能級(jí)容納的最多電子數(shù)的7倍B．各能層的能級(jí)都是從s能級(jí)開始至f能級(jí)結(jié)束C．各能層含有的能級(jí)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(jí)最多容納14個(gè)電子，s能級(jí)最多容納2個(gè)電子，f能級(jí)容納的最多電子數(shù)是s能級(jí)的7倍，故A正確；各能層中的能級(jí)數(shù)等于其能層序數(shù)，也就是說(shuō)n＝1時(shí)，只有一個(gè)s能級(jí)，n＝2時(shí)，才有s、p兩個(gè)能級(jí)，故B、C錯(cuò)誤；每個(gè)能層最多能填充2n2個(gè)電子，但不是所有的能層都含有2n2個(gè)電子，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．比較各能層或能級(jí)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(jí)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(qǐng)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(gè)能層，分別為______________________(用相應(yīng)的符號(hào)表示)。(3)碘原子的結(jié)構(gòu)示意圖為____________________，最外電子層有________個(gè)電子，這些電子有________個(gè)能級(jí)，各個(gè)能級(jí)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(gè)，分別是K、L、M、N、O，能級(jí)有11個(gè)，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(gè)電子，這些電子占有2個(gè)能級(jí)，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(huì)躍遷到較高能級(jí)，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(shí)會(huì)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(lái)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(yáng)光譜發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氦。(2)檢驗(yàn)元素：焰色試驗(yàn)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(chǎng)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(jí)，且處在能量較高的能級(jí)上的電子會(huì)很快地以光的形式釋放能量而躍遷回能量較低的能級(jí)上，該光的波長(zhǎng)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(yàn)的原理是什么？(2)焰色試驗(yàn)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(shí)，將能量以光的形式釋放出來(lái)。(2)光(輻射)是電子躍遷釋放能量的重要形式之一，焰色試驗(yàn)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(duì)應(yīng)著一種元素。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)，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(shí)只吸收能量()(5)同一原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)的能量一定高于基態(tài)時(shí)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(qiáng)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(jìn)行焰色試驗(yàn)，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(shí)，能量以一定的波長(zhǎng)(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(wú)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(dòng)，與電子的躍遷無(wú)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(shí)，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(jí)(3)釋放能量(4)光(輻射)題組一能層、能級(jí)的理解與應(yīng)用1．下列有關(guān)能層和能級(jí)的敘述中正確的是()A．M能層有s、p共2個(gè)能級(jí)，最多能容納8個(gè)電子B．3d能級(jí)最多容納5個(gè)電子，3f能級(jí)最多可容納7個(gè)電子C．無(wú)論哪一能層的s能級(jí)容納的最多電子數(shù)均為2D．任一能層都有s、p能級(jí)，但不一定有d能級(jí)答案C解析A項(xiàng)，M能層有s、p、d共3個(gè)能級(jí)，最多容納18個(gè)電子；B項(xiàng)，3d能級(jí)最多容納10個(gè)電子，從N能層開始有f能級(jí)，最多容納14個(gè)電子，不存在3f能級(jí)；C項(xiàng)，每個(gè)能層都從s能級(jí)開始，且s能級(jí)最多容納2個(gè)電子；D項(xiàng)，K能層只有s能級(jí)，不含有p能級(jí)。2．某一能層上nd能級(jí)最多可容納的電子數(shù)為()A．6B．10C．14D．15答案B解析能級(jí)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(jí)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(jí)符號(hào)錯(cuò)誤的是()A．nsB．npC．ndD．nf答案D解析每一能層含有的能級(jí)數(shù)與其能層數(shù)相等，則n＝3時(shí)，能層數(shù)為3，則有3s、3p、3d能級(jí)，不存在3f，從n＝4時(shí)開始出現(xiàn)f能級(jí)，故選D。4．下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．某原子K層上只有一個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(gè)電子，這樣M層就有32個(gè)電子，而M層為第三能層，最多可容納的電子數(shù)為18個(gè)，故不可能，C錯(cuò)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(cuò)誤的是()A．最易失去的電子能量最高B．同一個(gè)能層上的不同能級(jí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，也就越容易失去，故A不符合題意；在第n層中不同能級(jí)的能量大小順序?yàn)镋(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……，同一個(gè)能層上的不同能級(jí)上的原子軌道，能量大小不同，故B不符合題意；電子首先進(jìn)入能量最低、離核最近的軌道，在離核最近區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子能量最低，故D不符合題意。6．下列能級(jí)符號(hào)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(gè)能級(jí)，為1s，最多容納2個(gè)電子；L層有2個(gè)能級(jí)，分別為2s、2p,2p最多容納6個(gè)電子；從M層開始有d能級(jí)，3d能級(jí)最多容納10個(gè)電子，故A正確；s能級(jí)均最多容納2個(gè)電子，故B錯(cuò)誤；L層沒有2d，故C錯(cuò)誤；N層開始有f能級(jí)，即4f，第三能層沒有f能級(jí)，故D錯(cuò)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(shuō)法正確的是()A．基態(tài)時(shí)的能量比激發(fā)態(tài)時(shí)高B．激發(fā)態(tài)時(shí)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(shí)才會(huì)產(chǎn)生原子光譜答案C解析同一原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)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(shí)，也會(huì)產(chǎn)生原子光譜，D不正確。8．電子由3d能級(jí)躍遷至4p能級(jí)時(shí)，可通過光譜儀直接攝取()A．電子的運(yùn)動(dòng)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(jí)躍遷至4p能級(jí)時(shí)，吸收能量，形成吸收光譜。9．下列有關(guān)光譜的說(shuō)法不正確的是()A．原子中的電子在躍遷時(shí)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(jí)躍遷至較高能級(jí)時(shí)，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(shí)會(huì)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(jí)躍遷至較高能級(jí)時(shí)，要吸收能量，光譜儀攝取到的是吸收光譜，B錯(cuò)誤；在現(xiàn)代化學(xué)中，常利用原子光譜上的特征譜線來(lái)鑒定元素，稱為光譜分析，D正確。10．下列關(guān)于能層和能級(jí)的說(shuō)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(jí)，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(gè)能層可容納的最多電子數(shù)為2n2，A錯(cuò)誤；同一原子中，不同能層的s能級(jí)，能層序數(shù)越大，其能量越高，即能量：E(1s)<E(2s)<E(3s)，C錯(cuò)誤；同一原子中，2p、3p、4p所能容納的最多電子數(shù)都為6個(gè)，D錯(cuò)誤。11．對(duì)焰色試驗(yàn)的描述正確的是()A．焰色試驗(yàn)只是金屬單質(zhì)特有的性質(zhì)B．焰色試驗(yàn)是化學(xué)變化C．焰色試驗(yàn)是金屬原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)，將能量以光的形式表現(xiàn)出來(lái)D．焰色試驗(yàn)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(shí)，將能量以光的形式表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象答案D解析焰色試驗(yàn)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(wú)關(guān)的是()A．NaCl的焰色試驗(yàn) 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?yàn)榇嬖谧杂梢苿?dòng)的離子，與電子躍遷無(wú)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(shuō)法正確的是()A．X和Y元素原子核外均有3個(gè)能級(jí)B．W元素原子核外只有1個(gè)電子C．Z元素原子的M層上有3個(gè)能級(jí)，有6個(gè)電子D．X、Y、Z元素形成的簡(jiǎn)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(gè)電子，B正確；Z(Cl)元素原子的M層有3s、3p、3d共3個(gè)能級(jí)，其中3s能級(jí)有2個(gè)電子，3p能級(jí)有5個(gè)電子，C錯(cuò)誤；X(N)、Y(P)、Z(Cl)元素形成的簡(jiǎn)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(cuò)誤。14．(1)用符號(hào)填寫能層所含能級(jí)種類：K層：________；L層：________；M層：________；N層：________。(2)用數(shù)字填寫能級(jí)所能容納的最多電子數(shù)目：s：________；p：________；d：________；f：________。(3)比較下列能級(jí)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(jí)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(jí)能量高低順序?yàn)棰傧嗤芗?jí)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(jí)的能量高低順序?yàn)镋(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(jí)，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(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)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(hù)地球地表環(huán)境的重要屏障C植物生長(zhǎng)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(gè)能層，其中第二能層中含有的能級(jí)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(wú)色化合物(這兩種化合物