2019-2020年高一化学第一讲原子结构和元素周期律教案.doc

2019-2020年高一化学第一讲原子结构和元素周期律教案一原子核表5-1 构成原子的粒子及其性质构成原子的粒子电子原子核质子中子电性和电量1个电子带1个单位负电荷1个质子带1个单位正电荷不显电性 原子作为一个整体不显电性，而核电荷数又是由质子数决定的，因此，核电荷数（Z）=核内质子数=核外电子数由于电子的质量很小，因此，原子质量主要集中在原子核上。质子和中子的相对质量都近似为1，如果忽略电子的质量，将原子核内所有的质子和中子的相对质量相加，所得的数值，叫做质量数，用符号A表示。中子数用符号N表示。则质量数（A）=质子数（Z）中子数（N）因此，只要知道上述三个数值中的任意两个，就可以推算出另一个数值来。例如，知道硫原子的核电荷数为16，质量数为32，则：硫原子的中子数N=A-Z=32-1616那么，组成原子的粒子间的关系可以表示如下：二核素 同位素我们知道，具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子叫做元素。也就是说，同种元素原子的原子核中质子数相同。那么，它们的中子数是否相同呢？科学研究证明，同种元素原子的原子核中，中子数不一定相同。例如，氢元素原子的原子核中都含1个质子，但有的氢原子核中不含中子，有的氢原子核中含1个中子，还有的氢原子核中含2个中子：不含中子的氢原子叫做氕；含1个中子的氢原子叫做氘，就是重氢；含2个中子的氢原子叫做氚，就是超重氢。人们把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“同位”是指这几种核素的质子数（核电荷数）相同，在元素周期表中占据同一个位置的意思。许多元素具有不止一种核素，也就是说，许多元素具有多种同位素。同位素有的是天然存在的，有的是人工制造的，有的有放射性，有的没素给金属制品探伤、抑制马铃薯和洋葱等发芽，延长贮存保鲜期。在医疗方面，可以利用某些核素放射出的射线治疗癌肿等。同一元素的各种同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质基本相同。三元素的相对原子质量我们知道，原子的质量主要集中在原子核上，而构成原子核的质子和中子的相对质量都约等于1。也就是说，各种元素原子的相对质量应该接近于整数，但是各种元素原子的相对质量实际上都呈现出数值范围甚广的小数。这是什么原因造成的呢？原来，在天然存在的元素里，不论是游离态还是化合态，各种天然同位素原子所占的百分数一般是不变的。因此，我们可以根据某元素天然同位素原子所占的百分数和有关核素的相对原子质量，计算出该元素素，通过下列数据即可计算出氯元素的相对原子质量Ar（Cl）：第二节 原子核外电子的排布 电子是质量很小的带负电荷的粒子，它在原子这样大小的空间（直径约0.1nm）内作高速运动。它的运动跟普通物体的运动是否相同？有什么特殊的规律？在本节中将对这些问题进行初步的探讨。一原子核外电子的排布在氢原子中只有1个电子，所以，氢原子中电子运动的情况是比较简单的。在含有多个电子的原子里，由于电子的能量不相同，因此，它们运动的区域也不相同。通常，能量低的电子在离核较近的区域运动，而能量高的电子就在离核较远的区域运动。根据这种差别，我们可以把核外电子运动的不同区域看成不同的电子层，并用n=1、2、3、4、5、6、7表示从内到外的电子层，这七个电子层又可以分别称为K、L、M、N、O、P、Q层。n值越大，说明电子离核越远，能量也就越高。核外电子的分层运动，又叫核外电子的分层排布。科学研究证明，电子一般总是尽先排布在能量最低的电子层里，即最先排布K层，当K层排满后，再排布L层，等等。那么，每个电子层最多可以排布多少个电子呢？为了解决这个问题，我们首先研究一下稀有气体元素原子电子层排布的情况。表5-2 稀有气体元素原子电子层排布核电荷数元素名称元素符号各电子层的电子数KLMNOP2氦He210氖Ne2818氩Ar28836氪Kr2818854氙Xe281818886氡Rn281832188从表5-2中不难看出，K层、L层、M层最多能排布的电子数目。也不难看出，不论原子有几个电子层，其最外层中的电子数目最多只有8个（氦原子是2个）。原子最外电子层中有8个电子（最外层为K层时，最多只有2个电子）的结构是相对稳定的结构。第三节 元素周期律 我们在碱金属和卤素的学习中，已经意识到元素之间存在着某种内在联系，现在就来研究元素之间究竟存在着什么内在联系，以及这种联系的本质是什么。我们将核电荷数118的元素的核外电子排布、原子半径和主要化合价列成表（表5-5）来加以讨论。为了方便，人们按核电荷数由小到大的顺序给元素编号，这种编号，叫做原子序数。显然原子序数在数值上与这种原子的核电荷数相等。表5-5就是按原子序数的顺序编排的。表5-5 118号元素的核外电子排布、原子半径和主要化合价原子序数12元素名称氢氦元素符号HHe核外电子排布原子半径nm0.0370.122主要化合价+10原子序数345678910元素序数锂铍硼碳氮氧氟氖元素符号LiBeBCNOFNe核外电子排布原子半径nm0.1250.0890.0820.0770.0750.0740.0710.160主要化合价+1+2+3+4-4+5-3-2-10原子序数1112131415161718元素名称钠镁铝硅磷硫氯氩元素符号NaMgAlSiPSClAr核外电子排布原子半径nm0.1860.1600.1430.1170.1100.1020.0990.191主要化合价+1+2+3+4-4+5-3+6-2+7-10 随着原子序数的递增，元素原子的电子层排布，原子半径和化合价均呈现周期性的变化。我们知道，元素的化学性质是由原子结构决定的，那么，我们是否可以认为元素的金属性与非金属性也将随着元素原子序数的递增而呈现周期性的变化？下面通过实验来研讨这个问题。元素金属性的强弱，可以从它的单质跟水（或酸）反应置换出氢的难易程度，以及它的氧化物的水化物氢氧化物的碱性强弱来判断。如果元素的单质跟水（或酸）反应置换出氢容易，而且它的氢氧化物碱性强，这种元素金属性就强，反之则弱。元素非金属性的强弱，可以从它的氧化物的水化物的酸性强弱，或跟氢气生成气态氢化物的难易程度以及氢化物的稳定性来判断。如果元素的氧化物的水化物的酸性强，或者它跟氢气生成气态氢化物容易且稳定，这种元素的非金属性就强，反之则弱。下面按照这个标准，研究1118号元素的金属性、非金属性的变化情况。第11号元素是钠。我们知道，钠是一种非常活泼的金属，能与冷水迅速发生反应，置换出水中的氢。钠的氧化物的水化物氢氧化钠显强碱性。第12号元素镁，它的单质与水反应的情况怎样呢？取两段镁带，用砂纸擦去表面的氧化膜，放入试管中。向试管中加3mL水，并往水中滴2滴无色酚酞试液。观察现象。然后，加热试管至水沸腾。观察现象。实验表明，镁与冷水反应很微弱，说明镁不易与冷水反应，但能跟沸水迅速地反应并产生气泡。反应后的生成物使无色酚酞试液变红。这个反应的化学方程式为：Mg+2H2O Mg（OH）2H2镁能从水中置换出氢，说明它是一种活泼金属。但从镁与冷水反应比较困难，以及反应所生成的Mg（OH）2的碱性比NaOH弱的事实来看，表明镁的金属性不如钠强。我们再来研究第13号元素铝。取一小片铝和一小段镁带，用砂纸擦去表面的氧化膜，分别放入两支试管，再各加入2mL1mol/L盐酸。观察发生的现象。实验表明，镁、铝都能跟盐酸起反应，置换出H2，这两个反应的化学方程式为：Mg2HCl=MgCl2H22Al6HCl=2AlCl33H2实验还表明铝与酸的反应不如镁与酸的反应剧烈。也就是说，铝的金属性不如镁强。下面，我们再来研究铝的氧化物的性质。在一定的条件下，Al2O3既能与盐酸作用，又能与NaOH溶液反应。反应的化学方程式为：像Al2O3这类既能与酸起反应生成盐和水，又能与碱起反应生成盐和水的氧化物，叫做两性氧化物。Al2O3对应的水化物是Al（OH）3（氢氧化铝），它的性质又怎样呢？取少量1mol/LAlCl3溶液注入试管中，加入3mol/LNaOH溶液至产生大量Al（OH）3白色絮状沉淀为止。将Al（OH）3沉淀分盛在两支试管中，然后在两支试管中分别加入3mol/LH2SO4溶液和6mol/LNaOH溶液。观察现象。我们看到，两支试管中的白色沉淀都消失了。这说明，Al（OH）3既能跟酸反应，又能跟碱反应。上述反应的化学方程式为：AlCl33NaOHAl（OH）33NaCl2Al（OH）33H2SO4Al2（SO4）3+6H2OAl（OH）3NaOHNaAlO22H2O像Al（OH）3这样既能跟酸起反应，又能跟碱起反应的氢氧化物，叫做两性氢氧化物。Al2O3和Al（OH）3既然呈现两性，这说明铝虽然是金属，但已表现出了一定的非金属性。第14号元素硅是非金属。硅的氧化物SiO2是酸性氧化物，它的对应水化物是原硅酸（H4SiO4）。H4SiO4是一种很弱的酸。硅只有在高温下才能跟氢气反应生成少量气态氢化物SiH4。第15号元素磷是非金属。磷的最高价氧化物是P2O5，它的对应水化物是磷酸（H3PO4），H3PO4属于中强酸。磷的蒸气和氢气能起反应生成气态氢化物PH3，但相当困难。第16号元素硫是比较活泼的非金属。硫的最高价氧化物是SO3，SO3的对应水化物是H2SO4。H2SO4是一种强酸。硫在加热时能跟氢气起反应生成气态氢化物硫化氢（H2S）。H2S不很稳定，在较高温度时可以分解。第17号元素氯是很活泼的非金属。氯的最高价氧化物是Cl2O7，Cl2O7的对应水化物是高氯酸（HClO4），它是已知酸中最强的一种酸。氯气跟氢气在光照或点燃时就能发生爆炸而化合，生成的气态氢化物是HCl，HCl十分稳定。第18号元素氩是一种稀有气体元素。现将以上研究的结论归纳于表5-9和表5-10中。表5-9 钠、镁、铝的性质比较性质NaMgAl单质与水(或酸)的反应情况与冷水剧烈反应放出氢气与冷水反应缓慢,与沸水迅速反应,放出氢气,与酸剧烈反应放出氢气与酸迅速反应放出氢气最高价氧化物对应水化物的碱性强弱NaOH强碱Mg(OH)2中强碱Al(OH)3两性氢氧化物表5-10 硅、磷、硫、氯的性质比较性质SiPSCl非金属单质与氢气反应的条件高温磷蒸气与氢气能反应须加温光照或点燃时发生爆炸而化合最高价氧化物对应水化物的酸性强弱H4SiO4弱酸H3PO4中强弱H2SO4强酸HClO4最强酸综上所述，我们可以从1118号元素性质的变化中得出如下的结论：如果我们对其他元素也进行同样的研究，也会得出类似的结论：元素的金属性和非金属性随着原子序数的递增而呈现出周期性的变化。通过以上事实，我们可以归纳出一条规律，就是元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。这个规律叫做元素周期律。元素性质的周期性变化是元素原子的核外电子排布的周期性变化的必然结果。第四节 元素周期表根据元素周期律，把电子层数目相同的各种元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成横行，再把不同横行中最外层的电子数相同的元素，按电子层数递增的顺序由上而下排成纵行，这样就可以得到一个表，这个表就叫做元素周期表（见附录：元素周期表）。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，是我们学习化学的重要工具。下面我们来学习元素周期表的有关知识。一元素周期表的结构1周期元素周期表有7个横行，也就是7个周期。具有相同的电子层数的元素按照原子序数递增的顺序排列的一个横行称为一个周期。周期的序数就是该周期元素具有的电子层数。除第1周期只包括氢和氦、第7周期尚未填满外，每一周期的元素都是从最外层电子数为1的碱金属开始，逐渐过渡到最外层电子数为7的卤素，最后以最外层电子数为8的稀有气体元素结束。第6周期中，57号元素镧（La）到71号元素镥（Lu），共15种元素，它们原子的电子层结构和性质十分相似，总称镧系元素。第7周期中，89号元素锕（Ac）到103号元素铹（Lr），共15种元素，它们原子的电子层结构和性质也十分相似，总称锕系元素。为了使表的结构紧凑，将全体镧系元素和锕系元素分别按周期各放在同一个格内，并按原子序数递增的顺序，把它们分两行另列在表的下方。在锕系元素中92号元素铀（U）以后的各种元素，多数是人工进行核反应制得的元素，这些元素又叫做超铀元素。2族周期表有18个纵行。除第8、9、10三个纵行叫做第族元素外，其余15个纵行，每个纵行标作一族。族又有主族和副族之分。由短周期元素和长周期元素共同构成的族，叫做主族；完全由长周期元素构成的族，叫做副族。主族元素在族序数（习惯用罗马数字表示）后标一个A字，如A、A；副族元素在族序数后标一个B字，如B、B。稀有气体元素的化学性质非常不活泼，在通常状况下难以与其他物质发生化学反应，把它们的化合价看作为0，因而叫做0族。元素周期表的中部从B族到B族10个纵行，包括了第族和全部副族元素，共六十多种元素，通称为过渡元素。这些元素都是金属，所以又把它们叫做过渡金属。二元素的性质与元素在周期表中位置的关系元素在周期表中的位置，反映了该元素的原子结构和一定的性质。因此，可以根据某元素在周期表中的位置，推测它的原子结构和某些性质；同样，也可以根据元素的原子结构，推测它在周期表中的位置。1元素的金属性和非金属性与元素在周期表中位置的关系在同一周期中，各元素的原子核外电子层数虽然相同，但从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强，因此，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，这可以从第3周期（11号18号）元素性质的递变中得到证明。在同一主族的元素中，由于从上到下电子层数依次增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，所以，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱，这可以从碱金属和卤素性质的递变中得到证明。副族和第族元素性质的变化规律比较复杂，这里就不讨论了。我们还可以在周期表中对金属元素和非金属元素进行分区。沿着周期表中硼、硅、砷、碲、砹跟铝、锗、锑、钋之间画一条虚线，虚线的左面是金属元素，右面是非金属元素。周期表的左下方是金属性最强的元素，右上方是非金属性最强的元素。最右一个纵行是稀有气体元素。由于元素的金属性和非金属性之间没有严格的界线，因此，位于分界线附近的元素，既能表现出一定的金属性，又能表现出一定的非金属性。2元素化合价与元素在周期表中位置的关系元素的化合价与原子的电子层结构，特别是与最外电子层中电子的数目有密切关系，因此，元素原子的最外电子层中的电子，也叫做价电子。在周期表中，主族元素的最高正化合价等于它所在的族序数，这是因为族序数与最外层电子（即价电子）数相同。非金属元素的最高正化合价，等于原子所能失去或偏移的最外层上的电子数；而它的负化合价，则等于使原子最外层达到8个电子稳定结构所需要得到的电子数。因此，非金属元素的最高正化合价和它的负化合价的绝对值之和等于8。副族和第族元素的化合价比较复杂，这里就不讨论了。