学年人教版选修3 第1章 第二节 原子结构与元素的性质 学案.docx
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学年人教版选修3第1章第二节原子结构与元素的性质学案
第二节 原子结构与元素的性质
第1课时 原子结构与元素周期表
元素周期表的发现与未来
从门捷列夫发现元素周期表以来，人们一直都在思考这样一个问题：
“元素周期表的终点在哪里？
”
自1940年美国科学家麦克米伦和西博格通过人工合成93号元素镎和94号元素钚以来，科学家就开始“制造”元素的工作。
从元素周期表中可以看出，自95号元素镅起，都是人工合成的元素。
当100号元素镄之后的元素一个一个被合成出来后，科学家发现：
随着原子序数的增加，它们的寿命一个比一个短。
100号元素镄的寿命为82天，到了105号，最多能活34秒，107号更是短命，只活了2毫秒。
人们不禁要问：
“元素周期表快到尽头了吗？
”
科学总是极其富有生命力的！
109号元素活了5毫秒。
尽管它生命短暂，但比107号元素活得长，好兆头，再往后的元素寿命可能会回升。
科学家在认真研究了各种原子核的稳定性规律和原子核的可能结构后，发现了一个有趣的结论：
质子或中子数目为2、8、20、28、50、82、114、126或184（科学家把这些数称为“幻数”）的原子核比较稳定，质子数和中子数均为幻数的原子核更稳定。
根据这个“幻数”理论，科学家预言：
114个质子和184个中子的超重原子核——114号元素将会是一种很稳定、寿命更长的元素。
1999年，俄美科学家小组宣布共同发现114号元素，其寿命长达30秒以上。
而后科学家又相继宣布发现了118和116号元素。
科学的发展永无止境，人类对元素的认识还将继续下去。
今天的成就不是元素周期表的终点！
一、元素周期系
1．碱金属元素基态原子的核外电子排布：
碱金属
原子序数
周期
基态原子的电子排布式
锂
3
2
1s22s1或[He]2s1
钠
11
3
__1s22s22p63s1____或__[Ne]3s1____
钾
19
4
__1s22s22p63s23p64s1____或__[Ar]4s1____
铷
37
5
__1s22s22p63s23p63d104s24p65s1____或__[Kr]5s1____
铯
55
6
__1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s1____
或__[Xe]6s1____
2．稀有气体元素基态原子的核外电子排布：
稀有
气体
原子
序数
周期
基态原子的电排布式
氦
2
1
1s2
氖
10
2
__1s22s22p6____
氩
18
3
__1s22s22p63s23p6____
氪
36
4
__1s22s22p63s23p63d104s24p6____
氙
54
5
__1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6____
氡
86
6
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p6
3．周期系的形成：
（1）随着元素原子核电荷数的递增，每到出现__碱金属____，就开始建立一个新的电子层，随后最外层上的电子逐渐增多，最后达到8个电子，出现__稀有气体____；然后又开始由__碱金属____到__稀有气体____，循环往复形成了周期系。
（2）元素形成周期系的根本原因是__元素的原子核外电子排布____发生周期性的重复。
二、元素周期表
1．周期和族：
（1）周期：
具有相同的__电子层数____的元素按照原子序数__递增____的顺序排列成一横行。
（2）族：
周期表中，有__18____个纵列，除__8、9、10____三个纵列叫第Ⅷ族，其余15个纵列每一个纵列标作一个族。
2．分区：
（1）根据核外电子排布，可把周期表里的元素划分成5个区：
s区、p区、d区、ds区、f区。
除ds区外，区的名称来自按构造原理__最后填入电子____的能级的符号。
（2）根据元素的金属性和非金属性。
1．思考辩析：
（1）原子价电子排布式为3d84s2的元素属于s区。
（ × ）
（2）非金属元素都分布在p区。
（ × ）
（3）外围电子数目决定元素所在的族。
（ √ ）
（4）处于非金属三角区边缘的元素可称为半金属或准金属。
（ √ ）
2．从原子结构看，元素周期表中同一横行的短周期元素，具有相同的（ B ）
A．核电荷数 B．能层数
C．最外层电子数 D．能级数
3．下列说法不正确的是（ C ）
A．元素原子的核外电子排布呈现周期性变化是形成元素周期性的根本原因
B．周期序号越大，该周期所含金属元素越多
C．所有区的名称均来自按构造原理最后填入电子的能级符号
D．周期表共18个纵列，可分为7个主族7个副族，1个第Ⅷ族，1个0族
解析：
除ds区外，区的名称来自按构造原理最后填入电子的能级的符号。
4．（2018·河北定州期中）外围电子构型为3d104s1的元素的原子在周期表中应位于（ D ）
A．第五周期ⅠB族 B．第五周期ⅡB族
C．第四周期ⅦB族 D．第四周期ⅠB族
解析：
该元素的基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，根据电子排布式知，该原子含有4个能层，所以位于第四周期，其价电子排布式为3d104s1，属于第ⅠB族元素，所以该元素位于第四周期第ⅠB族，故选D。
5．下列说法中正确的是（ C ）
A．所有非金属元素都分布在p区
B．最外层电子数为2的元素都分布在s区
C．元素周期表中第ⅢB族到第ⅡB族10个纵行的元素都是金属元素
D．同一主族元素从上到下，金属性呈周期性变化
解析：
非金属元素中氢在s区，其余非金属元素均分布在p区，A项错误；最外层电子数为2的元素可能在s区（如Mg）、p区（如He）或d区（如Ti、Fe）等，B项错误；同主族元素从上到下，金属性增强，非金属性减弱，属性质递变而不是周期性变化，D项错误。
6．最活泼的金属、最活泼的非金属、常温下呈液态的金属（价电子排布为5d106s2）分别位于下面元素周期表中的（ A ）
A．s区、p区、ds区 B．s区、p区、d区
C．f区、p区、ds区 D．s区、f区、ds区
解析：
如果考虑放射性元素，最活泼的金属是Fr，如果不考虑放射性元素，最活泼的金属是Cs、而Cs和Fr都属于第ⅠA族元素，位于s区；最活泼的非金属是F2，F位于p区；常温下呈液态的金属为Hg，Hg属于过渡元素，其价电子排布为5d106s2，可知Hg属于第六周期第ⅡB族元素，位于ds区。
知识点一 原子结构与元素周期表的关系
1．核外电子排布与周期的划分
根据构造原理，将能量相近的能级分为一组，按能量由低到高可分为七个能级组，同一能级组内，各能级能量相差较小，各能级组之间能量相差较大。
（1）每一能级组对应一个周期。
（2）每一周期元素原子的外围电子排布和元素种数
周期
外围电子排布
各周期增
加的能级
元素
种数
ⅠA族
0族
最外层最多
容纳电子数
一
1s1
1s2
2
1s
2
二
2s1
2s22p6
8
2s、2p
8
三
3s1
3s23p6
8
3s、3p
8
四
4s1
4s24p6
8
4s、3d、4p
18
五
5s1
5s25p6
8
5s、4d、5p
18
六
6s1
6s26p6
8
6s、4f、5d、6p
32
七
7s1
8
7s、5f、6d
（未完）
26
（未完）
2．核外电子排布与族的划分
族的划分依据是原子的价层电子排布
（1）同主族元素原子的价层电子排布完全相同，价电子全部排布在ns或nsnp轨道上。
价电子数与族序数相同。
（2）稀有气体的价电子排布为1s2或ns2np6。
（3）过渡元素（副族和Ⅷ族）同一纵行原子的价层电子排布基本相同。
价电子排布为（n－1）d1～10ns1～2。
ⅢB～ⅦB族的价电子数与族序数相同，第ⅠB、ⅡB族和第Ⅷ族不相同。
提示：
元素周期系的形成是由于元素原子的核外电子的排布发生了周期性的变化。
元素周期系的周期并不是单调的，这是由于随着核电荷数的递增，电子在能级里的填充顺序遵循构造原理。
典例1 已知某元素＋2价离子的电子排布式为1s22s22p63s23p6，该元素在周期表中位于（ D ）
A．VB族B．ⅡB族
C．Ⅷ族D．ⅡA族
解析：
解该题一定应注意看清是“＋2价”离子的电子排布式，根据核外电子排布规律，可知该元素的原子最外层只有2个电子，而且应该排布在第4电子层上，该元素在周期表中的位置应该是第4周期第ⅡA族。
〔变式训练1〕 具有下列电子层结构的原子，其对应元素一定属于同一周期的是（ B ）
A．两种原子的电子层上全部都是s电子
B．3p能级上只有一个空轨道的原子和3p能级上有一个未成对电子的原子
C．最外层电子排布式为2s22p6的原子和最外层电子排布式为2s22p6的离子
D．原子核外的M层上的s能级和p能级都填满了电子，而d轨道上尚未排有电子的两种原子
解析：
电子层上全部都是s电子的原子核外电子排布式有1s1、1s2、1s22s1、1s22s2，显然不一定属于同一周期，故A错误。
3p轨道上只有1个空轨道的原子为硅，3p轨道上只有1个未成对电子的原子为铝或氯，属于同一周期。
最外层电子排布式为2s22p6的原子为Ne，最外层电子排布式为2s22p6的离子为O2－、F－、Na＋、Mg2＋、Al3＋，不一定属于同一周期。
M层上的s轨道和p轨道都填满了电子，而d轨道上尚未有电子的原子有Ar（1s22s22p63s23p6）、K（1s22s22p63s23p64s1）、Ca（1s22s22p63s23p64s2），不一定属于同一周期。
知识点二 各区元素化学性质及原子最外层电子排布特点
分区
元素分布
外围电子排布
元素性质特点
s区
ⅠA、ⅡA族
ns1～2
除氢外都是活泼金属元素
p区
ⅢA族～ⅦA族、0族
ns2np1～6（He除外）
最外层电子参与反应（0族元素一般不考虑）
d区
ⅢB族～ⅦB族、Ⅷ族
（n－1）d1～9ns1～2（Pd除外）
d轨道也不同程度地参与化学键的形成
ds区
ⅠB族、ⅡB族
（n－1）d10ns1～2
金属元素
f区
镧系、锕系
（n－2）f0～14（n－1）d0～2ns2
镧系元素化学性质相近，锕系元素化学性质相近
提示：
（1）元素周期表的ds区只有两列，第11列铜、银、金和第12列的锌、镉、汞，由于该区开始的第11列铜、银、金按构造原理的电子排布应该为（n－1）d9ns2，而事实上却是（n－1）d10ns1，可理解为先填满了（n－1）d能级，而后再填充ns能级，因而得名ds区。
（2）族和分区的关系：
①主族：
s区和p区。
（ns＋np）的电子数＝族序数。
②0族：
p区。
（ns＋np）的电子数＝8（或2）。
③副族：
d区＋ds区＋f区。
A．d区中[（n－1）d＋ns]的电子数＝族序数（第Ⅷ族部分元素除外）；
B．当8≤[（n－1）d＋ns]的电子数≤10时，则为第Ⅷ族元素。
C．ds区中（n－1）d全充满，ns的电子数＝族序数。
典例2 下列关于原子核外电子排布与元素在周期表中位置关系的表述中，正确的是（ C ）
A．基态原子的N层上只有一个电子的元素，一定是ⅠA族元素
B．原子的价电子排布为（n－1）d6～8ns2的元素一定是副族元素
C．基态原子的p能级上半充满的元素一定位于p区
D．基态原子的价电子排布为（n－1）dxnsy的元素的族序数一定为x＋y
解析：
基态原子的N层上只有一个电子的元素，是ⅠA族元素，也可能为铬元素或者铜元素，A错误；原子的价电子排布为（n－1）d6～8ns2的元素是第Ⅷ族元素，不是副族元素，B错误；基态原子的p能级上半充满的元素的基态原子价电子排布式为ns2np3，则一定属于p区元素，C正确；基态原子的价电子排布为（n－1）dxnsy的元素的族序数可能为x＋y（x＋y≤7）、可能为第Ⅷ族（10≥x＋y＞7）、还可能为y（x＝10），D错误。
〔变式训练2〕 已知某些元素在周期表中的位置如图所示：
下列说法正确的是（ D ）
A．表中五种元素位于5个不同的区
B．元素4的基态原子的价电子排布式为3d104s2，与它具有相同最外层电子数的元素只可能处于ds区
C．元素1、2、3的基态原子中，未成对电子数之比为1︰3︰5
D．元素5的原子结构示意图为
，其属于准金属
解析：
元素2和元素5均位于p区，A项错误；元素4为锌，其基态原子的价电子排布式为3d104s2，最外层电子数为2的元素还包括s区的Be、Mg等，d区的Ti、Mn、Fe等，p区的He等，B项错误；元素1、2、3分别是H、O、Mn，它们的基态原子的价电子排布式分别为1s1、2s22p4、3d54s2，故其未成对电子数之比为1︰2︰5，C项错误；元素5位于第四周期ⅣA族，原子结构示意图正确，由于其周期序数等于主族序数，故为准金属，D项正确。
元素周期系的远景
元素的存在，是与原子结构的稳定性，特别是与原子核的稳定性有关。
人们发现，原子序数大于83的元素，都是放射性元素，而原子序数在92之后的元素，全部是用人工方法合成的元素。
目前已公认了112号元素的合成方法（1999年合成了114号元素）。
那么，新的人工合成的元素究竟还有多少种？
物理学家根据原子核结构理论计算，认为周期系最后可能出现的是原子序数为175的元素。
人工合成的元素，将会完成第7周期（零族元素的原子序数应为118），并进入第8周期，甚至第9周期‘在未来的第8、9周期中，原子中的电子依次填充新的电子亚层——5g亚层和6g亚层。
依照已有的规律，可以推知g亚层最多能容纳18个电子。
由此可以预见，第8、9周期都将有50种元素，是超长周期。
在这两个周期里，将有“超锕系”和“新超锕系”的5g～6f和6f～7f内过渡系。
1．下列各组元素都属于p区的是（ B ）
A．原子序数为1、2、7的元素B．O、S、P
C．Fe、Ar、ClD．Na、Li、Mg
解析：
A中的1号元素是氢元素，位于s区。
C中的Fe位于d区，D中的所有元素都位于s区。
2．下列元素一定是主族元素的是（ C ）
A．原子核外N电子层上只有一个电子的元素
B．原子核外M层电子数为偶数的元素
C．原子核外M层电子数为小于或等于7的奇数的元素
D．原子核外N层电子数为2的元素
解析：
A和D都是第四周期元素，其中过渡元素最外层既有1个电子的，也有2个电子的，均错误；而B选项，可以考虑第四周期的0族元素和ⅠB、ⅡB族元素，Kr的M层有18个电子，错误。
3．外围电子排布式为4f75d16s2的元素在周期表中位置应是（ D ）
A．第四周期第ⅦB族
B．第五周期第ⅢB族
C．第六周期第ⅦB族
D．第六周期第ⅢB族
解析：
最大能层数为6，所以在第六周期。
由5d16s2知在第ⅢB族。
4．某元素的最外层电子数为2，价电子数为5，并且是同族中原子序数最小的元素，关于该元素的判断错误的是（ C ）
A．电子排布式为：
1s22s22p63s23p63d34s2
B．该元素为V
C．该元素为ⅡA族元素
D．该元素位于d区
解析：
该元素为同族元素中原子序数最小的，所以该元素为第二周期或第四周期元素。
又因其价电子数≠最外层电子数，可推出该元素并不是第二周期元素，应为第四周期元素，价电子排布式为3d34s2，故为23号元素V，位于d区。
5．（2018·江西玉山测试）长式周期表共有18个纵行，从左到右排为1－18列，即碱金属为第一列，稀有气体元素为第18列。
按这种规定，下列说法正确的是（ C ）
A．第9列元素中有非金属元素
B．只有第二列的元素原子最外层电子排布为ns2
C．第四周期第8列元素是铁元素
D．第15列元素原子的最外层电子排布为ns2np5
解析：
A、第9列属于第Ⅷ族，都是金属元素，没有非金属元素，A错误；B、第2列是第ⅡA族，最外层电子排布为ns2，He处于零族，He原子的核外电子排布为1s2，一些过渡元素的最外层电子排布为ns2，B错误；C、第四周期第8列元素是第Ⅷ族的第一种元素，原子序数为26，是铁元素，C正确；D、第15列为第ⅤA族，属于p区，最外层电子数为5，最外层电子排布为ns2np3，D错误；答案选C。
6．
（1）在下面元素周期表中全部是金属元素的区域为（ B ）
A．A B．B
C．C D．D
（2）有人认为形成化合物最多的元素不是ⅣA族的碳元素，而是另一种短周期元素，请你根据学过的化学知识判断这一元素是__H____。
（3）现有甲、乙两种短周期元素，室温下，甲元素单质在冷的浓硫酸或空气中，表面都生成致密的氧化膜，乙元素原子核外M电子层与K电子层上的电子数相等。
①用元素符号将甲、乙两元素填写在上面元素周期表中对应的位置。
如下表
②甲、乙两元素相比较，金属性较强的是__Mg____（填元素符号），可以验证该结论的实验是__bc____。
a．将在空气中放置已久的这两种元素的块状单质分别放入热水中
B．将这两种元素的单质粉末分别和同浓度的盐酸反应
C．将这两种元素的单质粉末分别和热水作用，并滴入酚酞溶液
D．比较这两种元素的气态氢化物的稳定性
解析：
（1）根据元素周期表中金属元素、非金属元素的分布情况，元素周期表中的A区为金属和非金属（H）共存区，B区为过渡元素全部是金属元素，C区为金属元素和非金属元素共存区，D区为零族元素，所以选B；
（2）碳氢均为可以形成无机物和有机物的元素，C、H是形成有机化合物的主要元素，而无机物中碳形成的化合物不如氢形成的化合物多，所以应为H元素；（3）根据第②问中的信息结合元素化合物的知识可知甲为Al，乙为Mg，同周期元素金属性逐渐减弱，说明Mg的金属性较强，验证该结论的实验依据是金属性强弱判断规律，金属单质与水或酸反应放出氢气的难易程度可知正确选项应为b、c。
本题考查了周期表中的元素分布，如全部是金属区的，应注意H元素在周期表中位置的特殊性。
常温下能在浓硫酸中形成致密氧化膜的有铁和铝，但是常温下铁不能在空气中形成致密的氧化膜，而发生腐蚀生成铁锈。
由于铝在表面能形成致密的氧化膜，从而阻止了反应的进一步发生，所以铝虽然是活泼金属，但是耐腐蚀。
基础巩固
一、选择题
1．已知元素的原子序数，可以推断元素原子（ B ）
①质子数 ②中子数 ③质量数 ④核电荷数 ⑤核外电子数
A．①②③ B．①④⑤
C．②③④ D．③④⑤
解析：
在原子中，原子序数＝核电荷数＝核外电子数。
2．闪烁着银白色光泽的金属钛（22Ti）因具有密度小、强度大、无磁性等优良的机械性能，被广泛地应用于军事、医学等领域，号称“崛起的第三金属”。
已知钛有48Ti、49Ti、50Ti等同位素，下列关于金属钛的叙述中不正确的是（ C ）
A．上述钛原子中，中子数不可能为22
B．钛元素在周期表中处于第四周期
C．钛的不同同位素在周期表中处于不同的位置
D．钛元素是d区的过渡元素
解析：
钛是第四周期的ⅣB族元素，其质子数为22、同位素指的是具有相同的核电荷数而中子数不同的同一类原子的总称，它们在周期表中位于同一位置。
3．元素在周期表中的位置，反映了元素的原子结构和元素的性质，下列说法正确的是（ B ）
A．同一元素不可能既表现金属性，又表现非金属性
B．第三周期元素的最高正化合价等于它所处的主族序数
C．同一主族的元素的原子，最外层电子数相同，化学性质完全相同
D．元素周期表中位于金属和非金属分界线附近的元素属于过渡元素
解析：
处于元素周期表金属与非金属分界线附近的元素，既表现金属性，又表现非金属性，A错误；主族元素的最高正化合价等于它所处的主族序数，也等于其最外层电子数（O、F除外），B正确；同一主族元素的原子最外层电子数虽相同，但是核电荷数、原子半径不同，化学性质不完全相同，C错误；周期表中第三纵行到第十纵行的元素（包括7个副族和1个Ⅷ族）称为过渡元素，D错误。
4．下列各图为元素周期表的一部分，表中的数字为原子序数，其中M为37的是（ C ）
解析：
根据稀有气体元素的原子序数来确定37号元素在元素周期表中的位置。
36号元素为第四周期的Kr，故37号元素为第五周期ⅠA族的Rb，它的上一周期同主族元素为19K，故C项正确。
5．下列说法中正确的是（ C ）
A．原子及其离子的核外电子层数等于该元素所在的周期数
B．s区均为金属元素
C．除氦外的稀有气体原子的最外层电子数都是8
D．同一元素的各种同位素的物理性质、化学性质均相同
解析：
A项。
钠原子核外有3个电子层是第3周期元素。
但是钠离子的核外有2个电子层，与题目叙述不符，错误；B项，s区除氢外。
全是金属元素，错误；C项，稀有气体原子中只有氦原子最外层是2个电子，其他元素都是8电子稳定结构，正确；D项，同一元素可以有多种同位素，它们的质量数不同，化学性质相同，但物理性质不一定相同，错误。
6．长式周期表共有18个纵列，从左到右排为1～18列，即碱金属为第1列，稀有气体元素为第18列。
按这种规定，下列说法正确的是（ C ）
A．第14列元素中未成对电子数是同周期元素中最多的
B．只有第2列的元素原子最外层电子排布为ns2
C．第四周期第8列元素是铁元素
D．第15列元素原子的价电子排布为ns2np5
解析：
A中，第14列是碳族元素，价电子排布为ns2np2，未成对电子数为2，不如第15列（氮族元素）未成对电子数多。
B中，周期表中第12列（即第ⅡB族）最外层电子排布也为ns2。
D中，第15列元素原子价电子排布为ns2np3。
7．已知某元素原子的价电子排布式为（n－1）dansb，则下列说法正确的（ A ）
A．该元素是金属元素
B．该元素位于周期表中d区
C．该元素的族序数为a＋b
D．该元素位于周期表中第四周期
解析：
由题意可知，该元素应为过渡金属元素，可能位于周期表的d区或ds区，其族序数不一定是a＋b（如Cu），可能位于周期表中的第四、五或六周期。
8．某元素M的单质1.8g在过量的O2中充分燃烧，得到M2O33.4g，已知M原子核外电子数比核内中子数少1。
该元素在周期表中的位置（ D ）
A．第2周期ⅢA族 B．第2周期ⅥA族
C．第3周期ⅤA族 D．第3周期ⅢA族
解析：
设金属M的相对原子质量是x，
根据化学方程式：
4M＋3O2
2M2O3
4x 2（2x＋48）
1.8g3.4g
＝
，解得x＝27，所以M是金属Al，在周期表中的位置是第3周期ⅢA族，故选D。
9．肯定属于同族元素且性质相似的是（ D ）
A．原子电子排布式，A为1s22s2，B为1s2
B．结构示意图：
A为
，B为
C．A原子基态时2p能级上有1个未成对电子，B原子基态时3p能级上也有1个未成对电子
D．A原子基态时2p能级上有一对成对电子，B原子基态时3p能级上也有一对成对电子
解析：
A项中，A为ⅡA族元素Be，B为0族元素He，显然，二者不属于同族元素，性质也不相似；B项中，A为0族元素Ne，B为碱金属离子Na＋，不符合题意；C项中，由于p能级有三个空轨道，若有一个未成对电子，意味着p能级有两种电子排布情况：
即np5
或np1
，所以A、B两元素不一定属于同一族元素；D项中，对于p能级上有一对成对电子，根据泡利原理和洪特规则，该能级只能有一种电子排布式，即np4
，所以A
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