师：同学们好，今天我们一起学习高二人教版化学选择性必修二第一章单元复习课。希望通过本节课的学习，我们能够达到以下学习目标：一、能够写出1 - 36号元素的基态原子的电子排布式和轨道表示式；二、能够根据核外电子排布解释元素周期表的基本结构，尤其是过渡元素的核外电子排布特点、元素周期表的分区等；三、认识原子半径、第一电离能和电负性的周期性变化，能预测和解释元素的性质；四、建立基于位置、结构、性质三者关系的系统思维框架。
通过之前的学习，我们知道当电子在能级之间跃迁时，所吸收或放出的能量就是两个能级之间的能量差。而这样的能量表现出来就是吸收或放出具有特定波长和颜色的光。面对微观电子的高速运动，我们无法用肉眼直接观察。原子光谱是人们研究原子结构最为重要的实验证据。实验发现，原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的线状光谱，据此可以推知原子所处能级的能量是不连续的，是一系列确定的数值。这样，基态原子吸收能量，电子跃迁至较高能级，变为激发态原子的过程中，吸收的光才是特定波长的光。相反，电子从较高能级的激发态跃迁至较低能量的基态时，释放的也是特定波长的光。
在上述研究过程中，原子光谱为我们建构原子结构模型提供了实验证据，而原子结构模型对原子光谱的实验事实提供了基于模型的解释。这样的研究模式在整个原子结构的探究中广泛使用。通过复杂的原子光谱证据，我们掌握了：任意能层的能级总是从s能级开始，且能层的能级数等于能层序数。能级符号按照s、p、d、f、g排序，能级符号前面用数字表示能层序数，每个能级最多可容纳的电子数依次为自然数中的奇数列1、3、5、7的二倍。
以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。需要我们关注的是，随着核电荷数递增，电子并不总是填满一个能级后才开始填入下一能级。比如第18号氩元素基态原子的电子排布式为1s22s22p?3s23p?。根据能级填充顺序，第19号钾元素的基态原子应该在3d能级排一个电子，第20号钙元素的基态原子应该在3d能级排两个电子。但是根据光谱学事实，第19号钾元素基态原子实际的电子排布式为1s22s22p?3s23p?4s1，第20号钙元素的基态原子的电子排布式为1s22s22p?3s23p?4s2。也就是说电子在排完3p能级后，并没有排3d能级，而是排在4s能级，这正是构造原理中的能级交错现象。可见，光谱学事实展现的能级填充顺序与理论上电子能级从低到高的顺序并不完全一致。
我们在讨论原子核外电子排布时，都是以光谱学事实作为证据。概念的提出和理论的建立是为了解释光谱实验事实。而这其中的核心构造原理更是一个典型的思维模型，或者说是一个假想。在之前学习中，我们也知道了一些过渡金属元素，比如铬元素和铜元素的基态原子的核外电子排布不符合构造原理，这更说明了构造原理是一个理想化的理论模型。
现在我们已经可以解释原子核外电子的排布规律了，并且可以用电子排布式进行符号表征，同学们要熟记1 - 36号元素基态原子的核外电子排布式。如图是21 - 36号元素的基态原子的核外电子排布式，它们可以简化。如钠的电子排布式可简化为[Ne]3s1。方括号里的符号表示内层电子已达到稀有气体结构的部分，可称为原子实。比如以下是17号氯、26号铁和31号镓的电子排布式。氯的内层电子已达到稀有气体氖的结构部分，可简化为[Ne]3s23p?。铁、镓的原子实显然为稀有气体氩，它们的简化电子排布式如图所示。
为突出化合价与电子排布的关系，将在化学反应中可能发生电子变动的能级称为价电子层，简称价层。我们还是以铝、铁和镓为例，它们的价层电子排布分别为3s23p1、3d?4s2、4s24p1。可见，对于主族元素如氯和镓，价层一般为最外层的能级；而副族元素如铁，除了外层的4s电子，内层3d能级的电子在化学反应中也可能发生变动。通常元素周期表只给出价层电子排布。
接着我们一起来回顾核外电子的运动状态。由于核外电子质量非常小，运动速度极快，且运动空间极小，所以当我们描述核外电子的运动状态时，我们更关心核外电子运动的区域以及在该区域内电子出现的概率密度。量子力学计算表明，氢原子外层一个电子在核外运动的区域以及在该区域内出现的概率密度可用电子云表示。根据单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处出现的概率的大小。
电子云图不易绘制，使用不便。我们常根据电子云图绘制电子云轮廓图。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。这个表格呈现了K、L、M、N等能层的能级、原子轨道数、原子轨道名称以及电子云轮廓图的形状和取向。可见，s电子的原子轨道为球形，能层越高，半径越大；p电子的原子轨道是哑铃状的，每个p能级有三个原子轨道，它们相互垂直，分别以px、py、pz表示。在无外磁场作用时，p能级的三个原子轨道能量完全相同，即为三个简并轨道。电子的自旋也是对电子运动状态的描述。基于光谱学事实，泡利提出在一个原子轨道里最多只能容纳两个电子，且自旋相反。
以上，我们建立了通过原子轨道描述核外电子运动状态的研究方法。轨道表示式是用于描述核外电子在各个原子轨道上进行排布的图示，故也称为电子排布图。下面我们就以元素周期表中第四周期的18种元素基态原子核外电子排布的轨道表示式的书写，一起回顾多电子原子的核外电子是按照怎样的规律分布在各个原子轨道上的。19号钾元素、20号钙元素的基态原子增加的电子应该填在4s轨道上，它们的轨道表示式如图所示。根据泡利原理，20号钙元素填充在4s轨道上的两个电子应自旋相反。21号钪元素的基态原子增加的电子开始填在3d轨道上，22号钛、23号钒增加的电子继续填在3d轨道上。这里一定要注意，根据洪特规则，增加的电子在填入5个能量相同的3d简并轨道时，应单独分占且自旋平行。在书写24号铬元素的基态原子的轨道表示式时，请注意洪特根据光谱学实验事实提出，当能量相同的简并轨道处于半满、全满或全空时，整个原子的能量较低，其轨道表示式如图所示，价层电子排布为两组半满的简并轨道，即3d?4s1。25号锰、26号铁、27号钴、28号镍元素的核外电子轨道表示式如图所示。
29号铜元素类似刚才说的铬元素，根据洪特规则特例，轨道表示式如图，价层电子排布为3d1?4s1。30号锌元素3d和4s轨道全满。接着31号镓元素到36号氪元素的基态原子增加的电子根据泡利原理、洪特规则和能量最低原理填在4p轨道上，直至填满。至此，第四周期18种元素的轨道表示式均已完成，这18种元素的价层电子排布式如图所示。
请同学们思考两个问题：为何这些元素在同一周期？核外电子排布与族分区有何关系？我们不难发现，这些元素的价电子排布都是4s、3d、4p能级的电子，所以它们位于同一周期。钾元素、钙元素的价电子都是4s电子，所以对应元素周期表中的s区。钾元素4s轨道排布一个电子，位于第一主族；钙元素4s轨道排布两个电子，则位于第二主族。钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍价层电子排布为3d1 - ?4s1 - 2，所以属于元素周期表中的d区。钪、钛、钒、铬、锰的价层电子数为3 - 7，所以为第三副族至第七副族，铁族为第八族。铜、锌的价层电子排布为3d1?4s1 - 2，属于元素周期表中的ds区。由于3d轨道已经排满，主要参与反应的是4s电子，所以据此划分为第一副族和第二副族。镓、锗、砷、硒、溴、氪的价层电子排布为4s24p1 - ?，所以属于元素周期表中的p区。根据价电子数可判断，镓位于第三主族，依次到溴位于第七主族，氪则位于零族。