子结构与元素性质及元素周期律

原子结构与元素性质及元素周期律

 

二. 教学目标：

1、了解元素原子核外电子排布，主要化合价与元素金属性非金属性的周期性变化。

2、掌握同周期同主族元素性质的递变规律，深刻地理解位构性之间的关系。

3、理解电离能的概念及其变化规律，通过对电离能的认识理解原子结构与元素性质的关系。

4、理解电负性的概念及其变化规律，通过对电负性的认识理解原子结构与元素性质的关系。

 

三. 教学重点、难点：

同周期、同主族元素的性质及递变规律

 

四. 教学过程：

（一）原子结构：

几个关系式之间的关系：质子数＝核电荷数＝核外电子数＝原子序数

离子电荷数＝质子数—核外电子数

质量数（A）＝质子数（Z）＋中子数（N）

质子数（Z）＝离子的核外电子数＋离子的电荷数（阳离子为正，阴离子为负）

几个概念：核素、同位素及原子量

核素：具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子叫做核素。

同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称同位素。

相对原子质量＝元素的一个原子的质量/1个¹²C原子的质量×1/12

几种特殊粒子的结构特点：

⑴离子的电子层排布：主族元素阳离子跟上一周期稀有气体的电子层排布相同；阴离子跟同一周期稀有气体的电子排布相同，如O^2－、F^－与Ne相同

⑵等电子粒子（注意主要元素在周期表中的相对位置）

①10电子粒子：CH₄、N^3－、NH₂^－、NH₃、NH₄^＋、O^2－、OH^－、H₂O、H₃O^＋、F^－、HF、Ne、Na^＋、Mg^2＋、Al^3＋等

②18电子粒子：SiH₄、P^3－、PH₃、S^2－、HS^－、H₂S、Cl^－、HCl、Ar、K^＋、Ca^2＋等（F₂、H₂O₂、C₂H₆、CH₃OH）

③核外电子总数及质子总数均相同的阳离子有：Na^＋、NH₄^＋、H₃O^＋等；阴离子有：F^－、OH^－、NH₂^－、HS^－、Cl^－等。

 

（二）核外电子的运动特征：

能层与能级

按核外电子能量的的差异将其分成不同的能层（用符号n表示）；各能层最多容纳的电子数为2n²，对于同一能层里能量不同的电子，还可将其分成不同的能级（l）；不同的能层所分的能级数目不同，能级类型的种类数与能层数相对应；各能层的能级数等于能层的序数。

各能层所包含的能级类型及各能层、能级最多容纳的电子数见下表：

能层（n）

一

二

三

四

五

六

七

符号

K

L

M

N

O

P

Q

能级（l）

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

5s

…

……

最    多 电 子 数

2

6

2

6

2

…

……

2

8

32

……

2n2

电子云与原子轨道：

电子云：电子在原子核外出现的概率密度分布。电子云是核外电子运动状态的形象化描述。

原子轨道：不同能级上的电子出现概率约为90%的电子云空间轮廓图。

 

（三）核外电子的排布规律：

构造原理：

构造原理是书写基态原子电子排布式的依据，也是绘制基态原子电子排布图（即轨道表示式）的主要依据之一。

电子排布式：用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数；为了避免电子排布式过于繁琐，我们可以把内层电子达到稀有气体结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示。如：[Ar]3d⁵4s¹

轨道表达式：每个方框代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子，按照能量由低到高的顺序由下而上所表示的电子排布图。如：

能量最低原理：原子核外电子遵循构造原理排布时，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低的能级里，然后排布在能量             的能级里。

泡利原理：每个原子轨道里最多只能容纳2个自旋方向相反的电子。

洪特规则：

（1）电子排布在同一能级不同轨道时，电子总是尽可能分占不同的轨道 ，且自旋方向相同；

（2）有少数元素的气态基态原子的电子排布对于构造原理有1个电子的偏差。因为能量相同的原子轨道在全充满、半充满和全空状态时，体系的能量最低，原子较稳定。此为洪特规则的特例。

 

（四）元素的性质及其递变规律、元素周期律：

元素周期律：元素的性质随着原子序数的递增呈现周期性变化的规律

其实质是元素原子核外电子排布周期性变化的必然结果

同周期元素结构性质的递变规律：

性质	同周期（从左——右）
电子层结构	电子层数相同，最外层电子数逐渐增多
原子半径	逐渐减小
得失电子能力	失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强
主要化合价	最高价由＋1——＋7，非金属负价＝－（8–族序数）
最高价氧化物对应水化物的酸碱性	酸性逐渐增强，碱性逐渐减弱
非金属气态氢化物形成的难易及热稳定性	形成条件由难——易，稳定性逐渐增强
金属性非金属性	金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强

 

同主族元素结构性质的递变规律：

性质	同主族（由上——下）
电子层结构	电子层数递增  最外层电子数相同
原子半径	逐渐增大
得失电子能力	失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱
主要化合价	最高正价＝族序数（O，F除外） 非金属负价＝－（8–族序数）
最高价氧化物对应水化物的酸碱性	酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强
非金属气态氢化物形成的难易及热稳定性	形成由易到难，稳定性逐渐减弱
金属性非金属性	金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱

电离能及其变化规律：

（1）电离能：气态的原子或离子失去一个电子所需要的能量叫做电离能。用I表示，单位是kJ/mol。电离能的意义：反映了元素原子失电子的难易，电离能越大，失电子越难，金属性越弱，电离能越小，金属性越强。

（2）第一电离能：处于基态的气态原子生成＋1价气态阳离子所需要的能量，称为第一电离能。常用符号I₁表示。

（3）电离能变化规律：

A：同周期元素而言，ⅠA族第一电离能小，ⅦA族第一电离能最大，从左到右总体呈现增大趋势.

B：同主族，从上到下，第一电离能逐渐减弱

元素的电负性及其变化规律

（1）概念：元素是原子在化合物中吸引电子对的能力，是相对值，没有单位。

（2）意义：元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子能力越强，反之电负性越小，相应原子在化合物中吸引电子能力越弱。

（3）同周期元素从左到右，电负性逐渐增大；同主族元素从上到下，元素的电负性逐渐减小。

 

［说明］

1、元素周期律是元素原子核外电子排布周期性变化的必然结果，元素周期表是元素周期律的具体表现形式。元素周期表分为七个横行（七个周期），18个纵行（七主、七副、三个Ⅷ和一个0族）。

2、电离能是原子核外电子排布的实验佐证，是衡量气态原子得失电子难易的物理量。元素的电离能越小，表示气态时越容易失去电子，即在气态时金属性越强。同一原子中，同一能层的电子电离能相差较小，不同能层的电子电离能相差较大。同周期元素，从左往右第一电离能呈增大趋势；同主族元素，从上到下第一电离能逐渐减小。由于第ⅡA族的价电子构型为ns²、第ⅤA族元素的价电子构型为ns²np³，分别属于全满或半满状态，属于稳定结构，因此第ⅡA族、第ⅤA族元素的第一电离能分别大于同周期相邻元素。

3、金属元素的电负性较小，非金属元素的电负性较大。同周期元素从左到右，元素的电负性递增，同主族元素自上而下，元素的电负性递减，对于副族元素而言，同族元素的电负性大体也呈现这种变体趋势。电负性相差很大的元素相互化合通常形成离子键。电负性相差不大的两种非金属元素相互化合时，通常形成极性键，电负性相同的元素相互化合时，通常形成非极性键。电负性相差越大的元素形成共价键时，共用电子对偏向电负性大的原子趋势越大，键的极性越大。一般，ΔX＞1.7，形成离子键；ΔX＜1.7，形成共价键。

4、元素的电离能和电负性都可以用来判断元素的金属性或非金属性的相对强弱。

5、对角线规则：某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质相似，被称为对角线原则。如：锂与镁、铍与铝等。它们的电负性相差不大，性质较为相似。

6、元素金属性强弱的判断依据：元素的金属性：指元素的原子失去电子的能力。

①单质与水或酸反应置换氢气的难易程度；

②最高价氧化物对应水化物的碱性强弱；

③金属活动性顺序表；

④金属之间的相互置换；

⑤金属阳离子氧化性的强弱（根据电化学知识判断）

7、元素非金属性强弱的判断依据：元素的非金属性：指元素的原子得到电子的能力。

①单质与氢气化合的难易程度；

②生成氢化物的稳定性；

③最高价氧化物对应水化物酸性的强弱；

④非金属单质之间的相互置换；

⑤元素原子对应阴离子的还原性。

 

【典型例题】

例1. 已知_aA^n＋、_bB^{（n＋1）＋}、_cC^n－、_dD^{（n＋1）－}是具有相同电子层结构的短周期元素形成的简单离子。下列说法正确的是：

A. 离子半径C＞D＞A＞B  　 　B. 核电荷数b＞a＞d＞c  　　

C. 离子半径D＞C＞A＞B 　  　D. 原子半径A＞B＞C＞D

解析：此题看似简单，但思考时容易发生混淆而出错，最好在草纸上画出ABCD在周期表中的相对位置，即为然后再根据元素周期律的规律进行判断可知，答案为BC

答案：BC

 

例2. ABCDE五种元素从左到右按原子序数递增（原子序数为5个连续的自然数）的顺序排列如下，则下列说法中正确的是：

A

B

C

D

E

A. E元素的最高化合价为＋7时，D元素的负化合价可能为－2价

B. A（OH）_n为强碱时，B（OH）_m也一定是强碱

C. H_nDO_m为强酸时，E的非金属性一定很强

D. H_nCO_m为强酸时，E的单质可能有强还原性

解析：E元素的最高化合价为＋7时，D可能为非金属元素的最高正价为＋6，则D元素的负价可为－2价。A（OH）_n为强碱时，B（OH）m可能为强碱，也可能为中强碱，还可能为弱碱。H_nDO_m为强酸时，即D元素的非金属性很强，原子序数比D大的E可能为非金属性比D强的非金属元素，也可能为稀有气体元素。元素C与元素E的关系可这样：C是₁₆S，E是₁₈Ar，若C是₁₇Cl，E是₁₉K

答案：A

 

例3. x、y两元素的原子分别获得两个原子而形成稀有气体原子的电子结构时，x放出的能量大于y放出的能量；z、w两元素的原子分别失去一个电子而形成稀有气体原子的电子层结构时；w吸收的能量小于z吸收的能量，则x、y和z、w分别形成的化合物中，是离子化合物的可能性最大的是：

A. Z₂X　　　　　B. Z₂Y　　　　　C. W₂X　　　　　D. W₂Y

解析：活泼的金属和活泼的非金属容易形成离子化合物。X、y得电子后，X放出的能量大，说明X活泼。y、z失电子后，w吸收的能量小，说明w活泼。所以应该是x和w容易形成离子化合物。

答案：C

 

例4. 下列说法中正确的是：

A. 第三周期所含元素中钠的第一电离能最小

B. 铝的第一电离能比镁的第一电离能大

C. 在所有元素中，氟的第一电离能最大

D. 钾的第一电离能比镁的第一电离能大

解析：同周期中碱金属的第一电离能最小，稀有气体的最大，故A正确，C不正确。由于Mg为3s²，s能级达全充满状态，比较稳定，而Al为3s²p¹，故铝的第一电离能小于镁的。在D中钾比镁更容易失电子，钾的第一电离能小于镁的，D不正确。

答案：A

 

例5. 下图为周期表中部分元素某种性质（X值）随原子序数变化的关系。

（1）短周期中原子核外p亚层上电子数与s亚层上电子总数相等的元素是______（写元素符号）。

（2）同主族内不同元素的X值变化的特点是_________________________，同周期内，随着原子序数的增大，X值变化总趋势是________________。周期表中X值的这种变化特点体现了元素性质的________________变化规律。

（3）X值较小的元素集中在元素周期表的_____________。

a. 左下角       b. 右上角        c. 分界线附近

（4）下列关于元素此性质的说法中正确的是__________（选填代号）。

a. X值可反映元素最高正化合价的变化规律

    b. X值可反映原子在分子中吸引电子的能力

    c. X值大小可用来衡量元素金属性和非金属性的强弱

解析：短周期元素中原子核外p能级上电子数与s能级上电子总数相等的元素有：O： 1s²2s²2^p4，Mg：1s²2s²2p⁶3s²；由图可知：同主族内，随着原子序数的递增，X逐渐减小，同周期内，随着原子序数的递增，X逐渐增大，它体现了元素性质的周期性变化规律，根据该规律可知：X最大的元素在周期表的右上角，而X最小的元素在周期表的左下角，它说明X体现了元素的得电子能力的相对大小，即元素的原子吸引电子的能力或元素的金属性与非金属性的相对强弱。

答案：（1）O，Mg；（2）同一主族，从上到下，X值逐渐减小；逐渐增大；周期性；

（3）a；　　　（4）bc

 

例6. 不同元素的气态原子失去最外层一个电子所需要的能量（设其为E）如图所示。试根据元素在周期表中的位置，分析图中折线的变化特点，并回答下列问题。

（1）同主族内不同元素的E值变化的特点是：_________________，

各主族中E值的这种变化特点体现了元素性质的__________变化规律。

（2）同周期内，随原子序数增大，E值增大。但个别元素的E值出现反常

现试预测下列关系式中正确的是______（填写编号，多选倒扣）

①E（砷）＞E（硒）          ②E（砷）＜E（硒）

③E（溴）＞E（硒）        ④E（溴）＜E（硒）

（3）估计1mol气态Ca原子失去最外层一个电子所需能量E值的范围：_____________＜E＜__________

（4）10号元素E值较大的原因是___________________

解析：此题考查了元素第一电离能的变化规律和学生的归纳总结能力。

①从H、Li、Na、K等可以看出，同主族元素随元素原子序数的增大，E值变小；H到He、Li到Ne、Na到Ar呈现明显的周期性。

②从第二、三周期可以看出，第ⅢA、第ⅥA族元素比同周期相邻两种元素的E值都低。由此可以推测：E（砷）＞E（硒），E（溴）＜E（硒）

③根据同主族、同周期元素的性质递变规律可知：同周期从左到右E依次增大，同主族自上而下E依次减小。则有：E（钾）＜E（钙）＜E（镁）

④10号元素是稀有气体元素氖，达到稳定结构。此时失去一个电子就需要很高的能量。

答案：⑴随着原子序数增大，E值变小       周期性

⑵①③    

⑶485   738

⑷10号元素是氖，该元素的原子最外层电子排布已达到8电子稳定结构。

 

【模拟试题】

1、X和Y两元素的阳离子具有相同的电子层结构，X元素的阳离子半径大于Y元素的阳离子半径；Z和Y两元素的原子核外电子层数相同，Z元素的原子半径小于Y元素的原子半径，X、Y、Z三种元素原子序数的关系是：

A. X＞Y＞Z      B. Y＞X＞Z      C. Z＞X＞Y     D. Z＞Y＞X

2、半径由小到大、氧化性由强到弱的一组微粒是：

A. H^＋、Al^3＋、Mg^2＋、K^＋         B. O、P、S、Cl

C. S^2－、Cl^－、K^＋、Ca^2＋  　D. Na、Mg、Al、K

3、A、B、C、D、E是同一周期的五种主族元素，A和B的最高价氧化物对应的水化物均呈碱性，且碱性B＞A，C和D的气态氢化物的稳定性C＞D；E是这五种元素中原子半径最小的元素，则它们的原子序数由小到大的顺序是：

A. A、B、C、D、E    　　　　　　　 B. E、C、D、B、A    

C. B、A、D、C、E   　　　　　　　　D. C、D、A、B、E

4、已知元素X的原子序数小于元素Y的原子序数；X、Y间形成的常见化合物的化学式可表示为Y₂X、Y₂X₂，则这两种元素的原子序数之和等于：

A. 16   　　　B. 17 　　　     C. 18　　　     D. 19

5、X和Y两元素组成化合物A和B，A的化学式为XY₂，其中X占44.1%，B中X占34.5%，则B的化学式为：

A. X₂Y    　　　   B. XY    　　　   C. XY₃     D. X₃Y

6、已知A^n＋、B^{（n＋1）＋}、C^n－、D^{（n＋1）－}都有相同的电子层结构，则A、B、C、D的原子半径由大到小的顺序是：

A. C＞D＞B＞A      B. B＞A＞C＞D    

C. D＞C＞A＞B    　D. A＞B＞D＞C

7、下列说法不正确的是：

A. 同族元素，随着n的增加，I₁逐渐增大

B. 同周期元素，随着Z的增加，I₁增大

C. 通常情况下，电离能I₁＜I₂＜I₃

D. 电离能越小，元素的金属性越强

8、电负性差值大的元素之间形成的化学健主要为

A. 共价键    　　　 B. 离子键   　　　   C. 金属键 　　　     D. 配位键

9、下列不是元素的电负性应用的是

A. 判断一种元素是金属还是非金属

B. 判断化合物中元素化合价正负

C. 判断化学键类型     

D. 判断化合物溶解性

10、X和Y是原子序数大于4的短周期元素，X^m＋和Y^n－两种离子的核外电子排布相同，下列说法正确的是：

A. X的原子半径比Y小

B. X和Y的核电荷数之差为m—n

C. 电负性X＞Y

D. 第一电离能X＜Y

11、关于锂的结构和性质的判断，错误的是：

①与水反应比钠剧烈　②它的密度比钠小　③它的氧化物暴露于空气中易吸收CO₂④其第一电离能小于钠　⑤它是还原剂

A. 只有①②    　　B. ③和⑤  　　    C. ②和③   　　　  D. ①和④

12、有A、B、C、D四种元素，最高正价依次为1、4、5、7，其核电荷数按B、C、D、A顺序增大。已知B的次外层电子数为2，C、D、A原子次外层电子数均为8，C、D原子的电子层数相同 ，A原子的核外电子数不超过20，则A为          ，B为          ，C为          ，D为          .

13、在水溶液中，YO₃^n－和S^2－发生反应的离子方程式如下：

YO₃^n－＋3S^2－＋6H^＋＝Y^－＋3S↓＋3H₂O

（1）YO₃^n－中Y的化合价是   　　　     ；

（2）Y元素原子的最外层电子数是        .

14、下表是元素周期表的一部分，回答下列有关问题

族 周期	IA	IIA	IIIA	IVA	VA	VIA	VIIA	0
2					①	②		⒀
3	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧	⑨
4	⑩	⑾				⑿

（1）写出下列元素符号：

①          ⑥          ⑦           ⑩           

（2）在这些元素中，最活泼的金属元素是             ，最活泼的非金属元是          ，最不活泼的元素是             。电负性最大的是            。

（3）在这些元素的最高价氧化物对应水化合物中，酸性最强的是           ，碱性最强的是        ，呈两性的氢氧化物是            （只写一种），写出三者之间相互反应的化学方程式。

15、短周期元素A、B、C的原子序数逐渐增大，它们形成的离子具有相同的电子层结构，B和C的单质都能跟水剧烈反应，B为电负性数值最大的元素。B单质与H₂O反应产生A单质，0.5molC单质跟水反应时，在标准状况下放出5.6LH₂，此时C转化成具有氖原子核外电子层结构的离子。问：

（1）A、B、C各是什么元素？

（2）写出这三种元素所形成化合物的化学式，并用电子式表示它们的形成过程。

16、有A、B、C、D四种元素，其价电子数依次为1、2、6、7，其电子层数依次减少。已知D^—的电子构型与Ar原子相同。A、B、C次外层电子数依次为8，8，18，试推断这四种元素，并回答下列问题：

（1）原子半径由小到大的顺序

（2）电负性由小到大的顺序；

（3）金属性由弱到强的顺序；

17、下表是元素周期表的一部分，表中所列的字母分别代表某一化学元素。

b

h

j

a

c

g

f

i

l

m

e

d

k

（1）下列         （填写编号）组元素的单质可能都是电良导体。

①a、c、h     ②b、g、k      ③c、h、l      ④d、e、f

（2）如果给核外电子足够的能量，这些电子便会摆脱原子核的束缚而离去。核外电子离开该原子或离子所需的能量主要受两大因素的影响。原子核失去核外不同电子所需的能量（kJ·mol^—1）：

	锂	X	Y
失去第一个电子	519	502	580
失去第二个电子	7296	4570	1820
失去第三个电子	11799	6920	2750
失去第四个电子		9550	11600

①通过上述信息和表中的数据分析，为什么锂原子失去核外第二个电子时所需的能量要远远大于失去第一个电子所需的能量                                。

②表中X可能为以上13种元素中         （填写字母）元素。用元素符号表示X和j形成的化合物的化学式                 。

③Y是周期表中               族元素。

④以上13种元素中，            （填写字母）元素原子失去核外第一个电子需要的能量最多。

 

【试题答案】

1、D　2、A　3、C　4、B　5、C　6、D　7、A　8、B　9、D　10、D　11、D

12、A：K　　B：C　　C：P　　D：Cl

13、＋5；7

14、⑴①N；⑥Si；⑦P；⑩K；

⑵K、O、Ne、O；　　　　　

⑶HClO₄、KOH、Al（OH）₃

HClO₄＋KOH＝KClO₄＋H₂O；KOH＋Al（OH）₃＝2KAlO₂＋2H₂O

3HClO₄＋Al（OH）₃＝Al（ClO₄）₃＋3H₂O

15、（1）A、B、C分别为：O、F、Na；

（2）NaF、Na₂O₂、Na₂O（电子式略）

16、A为Cs；B为Sr；C为Se；D为Cl；⑴Cl＜Se＜Sr＜Cs

⑵Cs＜Sr＜Se＜Cl　　

⑶Cl＜Se＜Sr＜Cs

17、⑴：④；

⑵①失去一个电子后，1s²能级达全充满状态，较稳定，不易失电子

②a；Na₂O、Na₂O₂；③ⅢA；④m