高中化学 第1章 原子结构与元素周期律 第2节 元素周期.docx

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高中化学第1章原子结构与元素周期律第2节元素周期

第1课时　元素周期律

[目标导航]　1.了解元素原子核外电子排布、原子半径、主要化合价的周期性变化。

2.认识元素周期律。

理解元素周期律的实质。

一、原子序数

1．概念

按照元素核电荷数由小到大的顺序给元素编号，这种序号叫做原子序数。

2．关系

原子序数＝质子数＝核电荷数＝核外电子数。

【议一议】

下列关于原子序数的说法是否正确？

（1）原子序数与原子的核电荷数一定相等（　　）

（2）原子序数与离子的核外电子数一定相等（　　）

（3）原子序数相同的原子是同一种原子（　　）

（4）原子序数为16，核外电子数为16的原子，其质量数为32（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×

解析　

（2）对于阴、阳离子，原子序数＝质子数＝核电荷数≠核外电子数。

（3）同种原子是指质子数和中子数都相同的原子，原子序数相同的原子，中子数不一定相同，故不一定是同种原子。

（4）质量数＝质子数＋中子数，由于没有提供中子数，所以无法确定其质量数。

二、元素周期律

1．1～18号元素性质变化的规律

（1）原子最外层电子排布变化规律

原子结构

原子序数（a的取值）

电子层数

最外层电子数（x的取值）

1→2

1

1→2

3→10

2

1→8

11→18

3

1→8

结论

随着原子序数的递增，元素原子的最外层电子排布呈现由1到8（第1周期为1到2）的周期性变化

（2）元素原子半径的变化规律（稀有气体除外）

周期序数

原子序数

原子半径的变化

2

3～9

逐渐减小

3

11～17

逐渐减小

结论

随着原子序数的递增，元素原子半径呈现由大到小的周期性变化

（3）元素化合价的变化规律（稀有气体除外）

周期序数

原子序数

化合价（最高价、最低价）的变化

2

3～9

最高正价：

＋1―→＋5

最低负价：

－4―→－1

3

11～17

最高正价：

＋1―→＋7

最低负价：

－4―→－1

结论

随着原子序数的递增，元素的最高正价呈现＋1―→＋7、最低负价呈现－4―→－1的周期性变化

2.元素周期律

（1）元素周期律的内容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。

（2）元素周期律的实质是元素性质周期性变化是核外电子排布呈现周期性变化的必然结果。

【议一议】

1．对于电子层数相同的原子，为什么其核电荷数越多原子半径越小？

答案　原子核带正电荷，核电荷数越多，原子对核外电子的引力越大，原子半径越小。

2．原子最外层电子数相同时，原子半径的大小与什么因素有关？

答案　原子最外层电子数相同时，原子电子层数越多，原子半径越大。

3．为什么氟元素只有0价和负价，没有正价？

答案　氟是最活泼的非金属元素，只能得到电子，不能失去电子，所以氟元素只有0价和－1价，没有正价。

4．分析1～18号元素的最高正化合价与最低负化合价的绝对值之差是6、4、2时分别是什么元素？

答案　最高正化合价＝原子最外层电子数，最高正化合价＋最低负化合价的绝对值＝8。

最高正化合价与最低负化合价的绝对值之差是6、4、2时分别对应的元素为Cl、S、N和P元素。

5．元素的性质为什么会随着元素原子序数的递增而呈周期性变化？

答案　元素性质周期性变化是核外电子排布呈现周期性变化的必然结果。

一、微粒半径大小的比较

微粒半径大小主要由电子层数、核电荷数和核外电子数决定。

1．核电荷数相同，核外电子数越多，微粒半径越大。

（1）r（阴离子）＞r（原子）：

r（H－）＞r（H）；

（2）r（原子）＞r（低价阳离子）＞r（高价阳离子）：

r（Fe）＞r（Fe2＋）＞r（Fe3＋）。

2．电子层数相同，核电荷数越多，原子半径越小。

r（Li）＞r（Be）＞r（B）＞r（C）＞r（N）＞r（O）＞r（F）；

r（Na）＞r（Mg）＞r（Al）＞r（Si）＞r（P）＞r（S）＞r（Cl）。

3．最外层电子数相同，电子层数越多，原子或离子半径越大。

r（Li）＜r（Na）；r（F）＜r（Cl）。

r（Li＋）＜r（Na＋）；r（O2－）＜r（S2－）。

4．核外电子数相同，核电荷数越多，离子半径越小。

r（O2－）＞r（F－）＞r（Na＋）＞r（Mg2＋）＞r（Al3＋）；r（S2－）＞r（Cl－）＞r（K＋）＞r（Ca2＋）。

【关键提醒】　微粒半径比较要三看：

首先看层，层少半径小；同层看核，核大半径小；同核看价，价高半径小。

【例1】　下列各组元素中按微粒半径递增顺序排列的是（　　）

A．Li　K　NaB．Ba2＋　Ca2＋　Mg2＋

C．Ca2＋　K＋　Cl－D．N　O　F

解析　同周期元素从左到右原子半径依次减小，即：

N＞O＞F，D错；同主族元素从上到下原子（离子）半径依次增大，即：

Li＜Na＜K，Ba2＋＞Ca2＋＞Mg2＋，A、B错；核外电子排布相同的离子，核电荷数越大，半径越小，C对。

答案　C

【方法总结】　“三看”比较微粒的半径大小

（1）一看电子层数

电子层数不同、最外层电子数相同时，电子层数越多，半径越大：

如r（F）＜r（Cl）＜r（Br）＜r（I），r（F－）＜r（Cl－）＜r（Br－）＜r（I－）。

（2）二看核电荷数

电子层数相同时，核电荷数越大，半径越小：

如r（Na）＞r（Mg）＞r（Al）＞r（S）＞r（Cl），r（S2－）＞r（Cl－）＞r（K＋）＞r（Ca2＋）。

（3）三看电子数

核电荷数相同时，电子数越多，半径越大；如r（Na＋）＜r（Na），r（Cl－）＞r（Cl）。

变式训练1　已知1～20号元素的离子aA2＋、bB＋、cC2－、dD－都具有相同的电子层结构，则下列叙述正确的是（　　）

A．原子半径：

A>B>C>D

B．离子半径：

C2－>D－>B＋>A2＋

C．原子序数：

d>c>b>a

D．原子最外层电子数：

A>B>D>C

答案　B

解析　原子序数＝核电荷数＝原子核外电子数，aA2＋、bB＋、cC2－、dD－的电子层结构相同，即核外电子数相同，根据离子电荷的多少及正负，推知电子层数：

A＝B>C＝D，原子序数：

a>b>d>c，原子最外层电子数：

B

当电子层数相同时，核电荷数越多，原子半径越小，结合电子层数A＝B>C＝D，所以原子半径：

B>A>C>D。

当电子层结构相同时，核电荷数越多，离子半径越小，推知离子半径C2－>D－>B＋>A2＋。

只有B正确。

【方法总结】　离子半径比较时，先确定相关离子是属于哪种情况，再依据相关规律比较。

（1）离子所带电荷相同、电子层数不同：

电子层数越多半径越大。

（2）离子电子层结构相同、核电荷数不同：

核电荷数越多半径越小。

（3）离子所带电荷、电子层结构均不相同：

找对照离子进行比较。

二、元素化合价与原子结构

1．元素化合价与原子结构的关系

（1）随着原子序数的递增，元素的主要化合价呈现周期性的变化（正价＋1→＋7，负价－4→－1）。

（2）主族元素最高正化合价数＝原子最外层电子数（O、F除外）。

（3）非金属元素：

最低负化合价＝原子最外层电子数－8（H、稀有气体除外）。

（4）非金属元素：

最高正化合价＋|最低负化合价|＝8（氢元素是2，稀有气体、O、F除外）。

2．一些典型元素的化合价

（1）H元素的化合价有＋1、－1、0价。

如H2O、NaH、H2。

（2）F元素只有负价无正价，O元素没有最高正价。

（3）金属元素只有正价，无负价；非金属元素既有正价，又有负价（F除外）。

（4）若主族元素原子的最外层电子数（元素族序数）为奇数，则变价元素的化合价一般为一系列的奇数，如：

Cl有－1、＋1、＋3、＋5、＋7；N有－3、＋1、＋3、＋5，但还有＋2、＋4。

（5）若主族元素原子的最外层电子数（元素族序数）为偶数，则变价元素的化合价一般为一系列的偶数，如：

S有－2、＋4、＋6；C有－4、＋2、＋4。

（6）多数非金属有变价，如O元素常见化合价为－2、－1、0价。

【例2】　某元素的气态氢化物化学式为H2R，此元素最高价氧化物对应水化物的化学式可能为（　　）

A．H2RO3B．H2RO4

C．HRO3D．H3RO4

解析　R的最低化合价为－2价，其最高化合价为＋6价，根据化合物中元素的化合价代数和为0可知B正确。

答案　B

变式训练2　下列各元素性质递变情况中，错误的是（　　）

A．Li、Be、B原子最外层电子数依次增多

B．N、O、F元素最高正化合价依次升高

C．Mg、Al、Si原子半径依次减小

D．P、S、Cl元素的负化合价依次为－3、－2、－1

答案　B

解析　Li、Be、B最外层电子数由1递增到3，故A正确；N最高正价为＋5价，O没最高正价，F无正价，故B不正确；Mg、Al、Si电子层数相同，核电荷数越多，半径越小，故C正确；P、S、Cl最低负化合价从－3到－1，故D正确。

【知识总结】　

（1）F没有正价，O没有最高正价，OF2中O为＋2价。

（2）除原子半径和元素的化合价以外，元素的其他性质，如金属单质的还原性、非金属单质的氧化性、气态氢化物的稳定性等也呈现周期性变化。

（3）原子核外电子排布的周期性变化决定了元素性质的周期性变化。

1．元素的以下性质，随着原子序数的递增不呈现周期性变化的是（　　）

A．化合价B．原子半径

C．最外层电子排布D．相对原子质量

答案　D

解析　元素的化合价、原子半径、最外层电子排布都随着原子序数递增呈现周期性变化，而相对原子质量一般随原子序数的递增呈现增大的变化趋势（有反常现象），绝不会出现周期性的变化。

2．下列关于原子序数从3～9的元素的变化关系不正确的是（　　）

A．原子电子层数不变

B．原子半径逐渐减小

C．最高正价依次升高

D．原子最外层电子数依次增多

答案　C

解析　F无正价，O没有最高正价。

3．元素性质随原子序数的递增呈周期性变化的原因是（　　）

A．元素原子的相对原子质量逐渐增大

B．元素的化合价呈周期性变化

C．元素原子的核外电子排布呈周期性变化

D．元素原子的半径呈周期性变化

答案　C

解析　元素原子半径、元素主要化合价等元素性质的周期性变化取决于原子核外电子排布周期性的变化。

4．已知下列元素的原子半径：

元素

N

S

O

Si

原子半径/10－10m

0.75

1.02

0.73

1.11

根据以上数据，磷元素的原子半径可能是（　　）

A．0.80×10－10mB．1.10×10－10m

C．1.20×10－10mD．0.70×10－10m

答案　B

解析　N、P是同一主族元素，P元素的原子序数大于N元素的原子序数，所以P的原子半径大于N的原子半径，Si、P、S是同一周期的元素，且P的原子序数大于Si的原子序数小于S的原子序数，所以P的原子半径小于Si的原子半径大于S的原子半径，则磷元素的原子半径可能为1.10×10－10m。

5．关于同一种元素的原子或离子，下列叙述正确的是（　　）

A．原子半径比阴离子半径小

B．原子半径比阴离子半径大

C．原子半径比阳离子半径小

D．带正电荷多的阳离子半径比带正电荷少的阳离子半径大

答案　A

解析　同种元素的阴离子半径大于原子半径，如r（Cl－）＞r（Cl），故A正确，B错误；同种元素的原子半径大于阳离子半径，如r（Na）＞r（Na＋），故C错误；同种元素的阳离子，所带电荷数越多，半径越小，如r（Fe3＋）＜r（Fe2＋），故D错误。

6．填空：

（1）A元素的阴离子、B元素的阴离子和C元素的阳离子具有相同的电子层结构。

已知A的原子序数大于B的原子序数。

则A、B、C三种元素的离子半径由大到小的顺序是________。

（2）X元素最高价氧化物对应的水化物为H3XO4，则它对应的气态氢化物为________。

（3）11～18号元素中：

①原子半径最小的是________（填元素符号，下同），只有正化合价的是________，最高正化合价与最低负化合价绝对值之差为4的元素是________。

②与水反应能生成具有漂白性物质的是________（填名称），反应的离子方程式是________________________________________________________________________。

③元素A原子获得2个电子，元素B原子失去1个电子后形成的离子都与OH－具有相同的电子数。

则离子半径大小A2－________（填“>”或“<”）B＋，A和B形成的化合物与水反应的化学方程式是__________________________________________________________。

（4）写出和Ar核外电子排布相同的阴离子的半径由大到小的顺序________（用化学符号表示）。

答案　

（1）B>A>C　

（2）XH3

（3）①Cl　Na、Mg、Al　S　②氯气　Cl2＋H2OCl－＋HClO＋H＋　③>　2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑、Na2O＋H2O===2NaOH　（4）P3－＞S2－＞Cl－

解析　

（1）由题干条件可知A、B、C的原子序数C>A>B，电子层结构相同的离子，核电荷数越大，离子半径越小，所以离子半径由大到小顺序为B>A>C。

（2）H3XO4中X为＋5价，所以其最低负价为－3价，所以其氢化物为XH3。

（3）①电子层数相同，原子序数越大，原子半径越小，所以Cl的原子半径最小；若最高正价为＋x，则最低负价为－（8－x），由x－|－（8－x）|＝4，得x＝6，该元素为S。

②Cl2＋H2OHCl＋HClO，HClO具有漂白作用。

③A2－为O2－，B＋为Na＋，电子层结构相同，核电荷数越多，离子半径越小，所以离子半径O2－>Na＋，A和B形成的化合物有Na2O和Na2O2两种。

（4）Ar原子的电子层结构与同周期的非金属元素形成的阴离子的电子层结构相同，与下一周期的金属元素形成的阳离子的电子层结构相同。

Si原子最外层有4个电子，既难得到又难失去电子，难以形成离子，符合条件的有P3－、S2－、Cl－。

电子层数相同的离子，核电荷数越多，离子半径越小，即离子半径大小顺序为P3－＞S2－＞Cl－。

分层训练

[基础过关]

题组1　元素周期律的内容和实质

1．X、Y、Z的原子序数依次增大，下列叙述一定正确的是（　　）

A．X、Y、Z的核内质子数依次增大

B．X、Y、Z的最高正价依次升高

C．X、Y、Z的原子半径依次增大

D．X、Y、Z单质的金属活动性依次增强

答案　A

解析　元素的原子序数等于原子核内的质子数，A正确；B和C不一定正确；X、Y、Z不一定是金属元素，D不正确。

2．下列关于元素周期律的叙述正确的是（　　）

A．随着元素原子序数的递增，原子最外层电子数总是从1到8重复出现

B．元素的性质随着原子序数的递增而呈周期性变化

C．随着元素原子序数的递增，元素的最高化合价从＋1到＋7，最低化合价从－7到－1重复出现

D．元素性质的周期性变化是指原子核外电子排布、原子半径及元素主要化合价的周期性变化

答案　B

解析　K层为最外层时，原子最外层电子数只能从1到2，而不是从1到8，A不正确、B正确；元素的最低化合价一般是从－4到－1，而不是从－7到－1，C不正确；核外电子排布不属于元素性质，D不正确。

3．下列说法正确的是（　　）

A．原子序数越大，原子半径一定越大

B．电子层数多的原子一定比电子层数少的原子半径大

C．元素的性质随元素相对原子质量的递增呈周期性的变化

D．元素性质的周期性变化是元素原子核外电子排布周期性变化的反映

答案　D

解析　原子半径与电子层数、核电荷数和原子核外电子数三个因素有关，所以原子序数越大，原子半径不一定越大，电子层数越多，原子半径不一定越大，A和B都不正确；元素的性质随相对原子质量的递增不是呈周期性变化，C不正确；元素性质的周期性变化是由元素原子核外电子排布周期性变化引起的，因此D正确。

题组2　微粒半径大小比较

4．下列说法或关系正确的是（　　）

A．H、O、F、Ca的原子半径依次增大

B．原子半径的大小顺序：

Mg>Si>S>O

C．原子半径的大小顺序：

Al>Na>O

D．Cl－、S2－、Ca2＋、K＋半径逐渐减小

答案　B

解析　A项不正确，所有元素中，H的原子半径最小，Be、O、F原子电子层数相同，核电荷数F>O>Be，原子半径r（Be）>r（O）>r（F），Be、Ca原子最外层电子数相等，核电荷数Ca>Be，原子半径r（Ca）>r（Be），故原子半径r（Ca）>r（O）>r（F）>r（H）;B项正确，Mg、Si、S原子电子层数相同，原子半径r（Mg）>r（Si）>r（S），S、O位于同一主族，原子半径r（S）>r（O），故原子半径r（Mg）>r（Si）>r（S）>r（O）；C项不正确，Na、Al、S电子层数相同，原子半径r（Na）>r（Al）>r（S），S、O原子最外层电子数相等，原子半径r（S）>r（O），故原子半径r（Na）>r（Al）>r（O）；D项不正确，Cl－、S2－、Ca2＋、K＋四种微粒核外电子排布相同，随着核电荷数增大，微粒半径逐渐变小，故离子半径r（S2－）>r（Cl－）>r（K＋）>r（Ca2＋）。

5．下列微粒半径大小比较正确的是（　　）

A．Na＋＜Mg2＋＜Al3＋＜O2－

B．S2－＞Cl－＞Na＋＞Al3＋

C．Na＜Mg＜Al＜S

D．Cs＜Rb＜K＜Na

答案　B

解析　A项，4种离子核外电子数相同，随着核电荷数增多，离子半径依次减小，即Al3＋＜Mg2＋＜Na＋＜O2－，故A项错误。

C项，Na、Mg、Al、S的原子半径依次减小，故C项错误。

D项，Na、K、Rb、Cs最外层电子数相同，电子层数依次增多，相应的原子半径依次增大，故D项错误。

而B项正确，因S2－、Cl－比Na＋、Al3＋多一个电子层，则S2－、Cl－半径比Na＋、Al3＋大。

而S2－、Cl－和Na＋、Al3＋也分别适用“序小径大”的原则，则S2－＞Cl－＞Na＋＞Al3＋。

6．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>ZB．Y>X>Z

C．Z>X>YD．Z>Y>X

答案　D

解析　电子层结构相同的离子，核电荷数多的半径小，具有相同电子层数的原子，原子序数大的原子半径小。

根据题给信息，X的原子序数小于Y的原子序数；Z的原子序数大于Y的原子序数。

由此得出三种元素原子序数的关系为Z>Y>X。

7．下列离子中半径最大的是（　　）

A．Na＋B．Mg2＋

C．O2－D．F－

答案　C

解析　这些离子核外电子排布都是2、8的电子层结构。

对于电子层结构相同的离子来说，核电荷数越大，离子半径就越小，所以离子半径最大的是O2－，选项是C。

题组3　元素的化合价与核外电子排布的关系

8．某元素R的原子序数小于18，该元素的原子得到1个电子后形成具有稀有气体元素原子的电子层结构的离子，该元素可形成含氧酸HRO3，下列说法中正确的是（　　）

①R元素的最高正价是＋5价　②R元素还可形成其他含氧酸　③R元素原子的最外层电子数为7　④R元素的原子序数为7

A．①②B．②③

C．③④D．①④

答案　B

解析　根据题意，R元素的原子获得1个电子后变成具有稀有气体元素原子的电子层结构的离子，且原子序数小于18，表明R可能为F或者Cl，最外层电子数为7，最高正价为＋7价（此时R为Cl）。

又由于R元素可形成含氧酸HRO3，可见R元素只能是Cl，HRO3为HClO3，还可形成HClO4、HClO等含氧酸。

9．下列说法正确的是（　　）

A．非金属元素呈现的最低化合价，其绝对值等于该元素原子的最外层电子数

B．非金属元素呈现的最高正化合价不超过该元素原子的最外层电子数

C．最外层有2个电子的原子都是金属原子

D．最外层有5个电子的原子都是非金属原子

答案　B

解析　非金属元素最低负化合价的绝对值等于8减去最外层电子数，A不正确；非金属元素的最高正化合价等于该元素原子的最外层电子数（F、O除外），不会超过原子的最外层电子数，B正确；最外层有2个电子的原子不一定是金属原子，如氦元素原子最外层有2个电子，C不正确；原子最外层电子数为5的原子不一定是非金属原子，如铋原子最外层电子数为5个，属金属原子，D不正确。

10．某元素X的最高正价与最低负价的代数和为4，则该元素的最高价氧化物的水化物或气态氢化物的化学式正确的是（　　）

A．XH4B．H2XO4

C．H3XO4D．HX

答案　B

解析　设该元素的最高正化合价为x，最低负价为x－8，x＋（x－8）＝4，解得x＝＋6，则最高正价为＋6，最低负化合价为－2，所以最高价氧化物的水化物的化学式为H2XO4，气态氢化物的化学式为H2X。

[能力提升]

11．

（1）有下列四种微粒：

a.

O　b.

Na　c.

Mg　d.

N（用字母填空）。

①按原子半径由大到小顺序排列是_____________________________________。

②微粒中质子数小于中子数的是_______________________________________。

③在化合物中呈现的化合价的数值最多的是_____________________________。

④能形成X2Y2型化合物的是________，能形成X3Y2型的化合物的是________。

（2）元素X形成的离子与钙离子的核外电子排布相同，且X的离子半径小于负二价硫的离子半径，X元素为________。

a．Alb．Pc．Ard．K

（3）X、Y、Z三种元素的原子序数小于18，如果Xn＋阳离子与Yn－阴离子具有相同的电子层结构，Zn－阴离子半径大于Yn－阴离子半径，则三种元素的原子序数由大到小的顺序是________________。

（4）已知An＋、B（n＋1）＋、Cn－、D（n＋1）－都具有相同的电子层结构，则A、B、C、D的离子半径由大到小的顺序是________________________，原子序数由大到小的顺序是____________________，最外层电子数由多到少的顺序为____________________。

答案　

（1）①b＞c＞d＞a　②ab　③d　④ab　cd

（2）d　（3）Z＞X＞Y　（4）D（n＋1）－＞Cn－＞An＋＞B（n＋1）＋　B＞A＞C＞D　C＞D＞B＞A

解析　

（1）①由

O、

N具有2个电子层，原子半径r（N）＞r（O）；

Na、

Mg与P具有3个电子层，原子半径r（Na）＞r（Mg）＞r（P）。

N与P原子最外层电子数相等，P电子层数比N多一层，故原子半径r（P）＞r（N），所以原子半径r（Na）＞r（Mg）＞r（N）＞r（O）。

②由N＝A－Z得中子数分别为N（O）＝10、N（Na）＝12、N（Mg）＝12、N（N）＝7。

④能形成X2Y2型化合物，则X可呈＋1价而Y呈－1价，故为Na2O2，能形成X3Y2型化合物，则X呈＋2价，Y呈－3价，故为Mg3N2。

（2）Ca2＋核外电子数为18，与Ca2＋核外电子排布相同的应为18电子的单核阳离子或阴离子或Ar原子，当离子的核外电子排布相同时，核电荷数越多，离子半径越小。

A不符合，Al3＋核外电子数为10；B不符合，P3－核外电子数为18，但离子半径P3－>S2－；C不符合，Ar原子最外