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专题5 物质结构与性质
第一单元元素周期律
第1讲原子结构、核外电子排布与元素性质
一、课程标准要求
1．了解元素、核素和同位素的含义。
2．了解原子的构成。了解原子序数、核电荷数、质子数、中子数、核外电子数以及它们之间的相互关系。
3．了解原子核外电子排布规律。
4．能从元素和原子、分子水平认识物质的组成、结构、性质和变化，形成“结构决定性质”的观念；发现和提出有探究价值的原子结构及核外电子排布规律；在探究同周期、同主族元素性质递变性的实验中设计实验方案并进行实践实施。
二、在高中化学教材体系中的地位
从课程模块层面看，原子结构、核外电子排布与元素性质位于必修课程内容，是普通高中学生发展的共同基础；研究原子结构、核外电子排布是研究元素的基本思路。通过原子结构、核外电子排布的学习，形成元素“位-构-性”的认知模型，明确元素性质的递变规律与原子结构的关系。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 原子结构、核外电子排布与元素性质(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
(一)原子结构
1．原子的构成
(1)原子的定义：原子是中的最小微粒。
(2)构成微粒及作用
(3)微粒等量关系
质量数(A)＝________＋________；
质子数＝________＝________＝________；
阳离子：质子数＝核外电子数________电荷数；
阴离子：质子数＝核外电子数________电荷数。
(4)微粒符号及其意义
[注意]　①有质子的微粒不一定有中子，如1H；有质子的微粒不一定有电子，如H＋。
②质子数相同的微粒不一定属于同一种元素，如F与OH－；核外电子数相同的微粒，其质子数不一定相同，如Al3＋和Na＋。
2．元素、核素、同位素
(1)元素、核素、同位素的关系
(2)同位素的理解
①同位素的两大特征
特征一：相同存在形态的同位素，化学性质几乎完全相同，物理性质不同。
特征二：天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数(丰度)一般不变。
②同位素的“六同三不同”
(3)重要核素的应用
核素 U C H(D) H(T) O
用途 核燃料 用于考古断代 制氢弹 示踪原子
[注意]　①由于同位素的存在，核素的种数远多于元素的种类。
②同位素之间的转化，既不是物理变化也不是化学变化，是核反应。
③“三同”区分抓“对象”：同位素——原子，同素异形体——单质，同分异构体——化合物(多为有机物)。
(4)核素和元素的相对原子质量
①原子(即核素)的相对原子质量：一个原子(即核素)的质量与12C质量的的比值。一种元素有几种同位素，就有几种不同核素的相对原子质量。
②元素的相对原子质量：是按该元素各种天然同位素原子所占的原子百分比算出的平均值。如：Ar(Cl)＝Ar(35Cl)×a%＋Ar(37Cl)×b%。
(二)核外电子排布
1．核外电子排布
(1)核外电子排布规律
(2)核外电子排布的表示形式：原子结构示意图
(3)核外电子排布在元素推断中的应用
原子核中无中子的原子 H
最外层有1个电子的元素 H、Li、Na
最外层有2个电子的元素 Be、Mg、He
最外层电子数等于次外层电子数的元素 Be、Ar
最外层电子数是次外层电子数2倍的元素 C
最外层电子数是次外层电子数3倍的元素 O
最外层电子数是次外层电子数4倍的元素 Ne
电子层数与最外层电子数相等的元素 H、Be、Al
电子总数为最外层电子数2倍的元素 Be
次外层电子数是最外层电子数2倍的元素 Li、Si
内层电子总数是最外层电子数2倍的元素 Li、P
2．等电子微粒
(1)“10电子”微粒
(2)“18电子”微粒
(3)“14电子”微粒：Si、N2、CO、C2H2、C。
(4)“16电子”微粒：S、O2、C2H4、HCHO。
活动二：重难点突破
[典型题例]1．(2019·江苏高考)反应NH4Cl＋NaNO2===NaCl＋N2↑＋2H2O放热且产生气体，可用于冬天石油开采。下列表示反应中相关微粒的化学用语正确的是(　　)
A．中子数为18的氯原子：Cl
B．N2的结构式：N===N
C．Na＋的结构示意图：
D．H2O的电子式：H??H
[解析]：选D　A错：中子数为18的氯原子为Cl。B错：N2的结构式为NN。C错：Na＋的结构示意图为。
2．(2020·吉林省实验中学期中)下列化学用语表达正确的是(　　)
A．× Mg×＋2?―→Mg2＋[?]－[?]－
B．质子数为17、中子数为20的氯原子为Cl
C．HClO的结构式为H—O—Cl
D．NH4Cl的电子式为
[解析]：选C　用电子式表示MgF2的形成过程为，A错误；质子数为17、中子数为20的氯原子为Cl，B错误；没有表示出Cl－的最外层电子，正确的电子式是，D错误。
3．下列表达正确的是(　　)
A．HClO的电子式为H???
B．H2S的电子式可表示为H＋[??]H＋
C．用电子式表示Na2O的形成过程为
2Na×＋―→2Na＋[]2－
D．BaCl2的电子式为[??]－Ba2＋[??]－
[解析]：选D　A项，HClO的电子式应为H???；B项，H2S为共价化合物，电子式应为H??H；C项，两个钠离子不能合并，正确的形成过程为。
4．我国限制稀有金属对外出口，此举对我国战略安全具有重要意义，稀土元素钕(Nd)是制造导弹合金材料的重要元素。下列说法中正确的是(　　)
A．Nd和Nd是同一核素
B．一个Nd原子的质量约为 g(NA表示阿伏加德罗常数的值)
C．Nd原子的中子数与质子数之差为80
D．14 g钕元素含有6 mol电子
[解析]：选B　Nd和Nd是不同核素，A项错误；1 molNd原子的质量约为140 g，一个原子的质量约为 g，B项正确；Nd原子的中子数为80、质子数为60，二者之差为20，C项错误；元素的相对原子质量是该元素的各种天然同位素的相对原子质量和所占的物质的量分数算出的平均值，因此14 g钕元素对应的钕原子的物质的量并非0.1 mol，含有的电子也不是6 mol，D项错误。
活动三：巩固提升
1．X和Y均为短周期元素，X原子的最外层电子数是次外层电子数的2.5倍，Y位于X的前一周期，且最外层只有一个电子，则X和Y形成的化合物的分子式可表示为(　　)
A．XY B．XY2C．XY3 D．XY4
2．原子序数依次增大的元素a、b、c、d，它们的最外层电子数分别为1、6、7、1。a－的电子层结构与氦相同，b和c的次外层有8个电子，c－和d＋的电子层结构相同。下列叙述错误的是(　　)
A．元素的非金属性次序为c>b>a
B．a和其他3种元素均能形成共价化合物
C．d和其他3种元素均能形成离子化合物
D．元素a、b、c各自最高和最低化合价的代数和分别为0、4、6
3．化合物甲是一种常见无机物，其结构如图所示(图中的“—”为单键或双键)，其中W、X、Y、Z为元素周期表中的短周期主族元素，且原子序数依次增大，W和Y、X和Z分别为同主族元素，且四种元素原子的最外层电子数之和为14。下列叙述正确的是()
A．W分别与X、Z形成的简单分子均为10电子微粒
B．X、Y形成的离子化合物只含离子键
C．X、Y、Z三种元素的简单离子半径大小顺序为Z>X>Y
D．等物质的量的Y和Z的最高价氧化物对应的水化物反应生成甲
[参考答案]
1．C
解析：　由题意知X是N，Y是H，C正确。
2．B
解析：　a－的电子层结构与氦相同，则a为氢元素；b和c的次外层有8个电子，且最外层电子数分别为6、7，则b为硫元素，c为氯元素；d的最外层电子数为1，且c－和d＋的电子层结构相同，则d为钾元素。A项，元素的非金属性次序为Cl>S>H，正确；H2S和HCl是共价化合物，KH、K2S和KCl是离子化合物，B项错误，C项正确；D项，氢、硫、氯三种元素的最高和最低化合价分别为＋1和－1、＋6和－2、＋7和－1，因此它们各自最高和最低化合价的代数和分别为0、4、6，正确。
3．D
解析： W为氢，X为氧，Y为Na元素，所以选D
二、教学建议
1．本节课内容相对简单，建议教师让学生自主复习，通过归纳、分析、对比，掌握相关知识。
2．此处可以结合选修三部分相关内容，加强学生核外电子排布式的书写训练。
3．教师在教学中以引导和提领要点重点为主，切实转变教与学的方式。
三、情境素材
1．玻尔模型
尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔Niels Henrik David Bohr，1885-1962),在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。
玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由E=hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。
玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索末菲(Arnold Sommerfeld，1868-1951)把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。
1916年，爱因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
查德威克模型
1935年，英国物理学家詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick 1891～1974)1891年生于英国。曼彻斯大学毕业后，专攻放射性现象的研究。后到剑桥大学，在卢瑟福教授的指导下，取得许多成绩。 1935年因发现中子获诺贝尔物理学奖。第二次世界大战中，曾到美国从事核武器研究。1974年逝世。
他发现，中子和质子质量相同，但是他不带电。中子的存在解释了为什么原子的质量要比质子和电子的总质量大，他也因发现中子而获1935年度诺贝尔奖。
原子是由带正电荷的原子核和围绕原子核运转的带负电荷的电子构成。原子的质量几乎全部集中在原子核上。起初，人们认为原子核的质量(按照卢瑟福和玻尔的原子模型理论)应该等于它含有的带正电荷的质子数。可是，一些科学家在研究中发现，原子核的正电荷数与它的质量居然不相等！也就是说，原子核除去含有带正电荷的质子外，还应该含有其他的粒子。那么，那种“其他的粒子”是什么呢？
1930年，科学家玻特和贝克用α粒子轰击铍时，发现有一种穿透力很强的射线，他们以为是γ射线，未加理会。韦伯斯特甚至对这种辐射做过仔细鉴定、看到了它的中性性质，但对这种现象难于解释，因而未再继续深入研究。居里夫人的女儿艾伦娜·居里和她的丈夫也曾在“铍射线”的边缘徘徊，最终还是与中子失之交臂。
1931年，约里奥·居里夫妇——居里夫人的女儿和女婿公布了他们关于石蜡在“铍射线”照射下产生大量质子的新发现。查德威克立刻意识到，这种射线很可能就是由中性粒子组成的，这种中性粒子就是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜的钥匙！
查德威克立刻着手研究约里奥·居里夫妇做过的实验，用云室测定这种粒子的质量，结果发现，这种粒子的质量和质子一样，而且不带电荷。他称这种粒子为“中子”。
中子就这样被他发现了。他解决了理论物理学家在原子研究中遇到的难题，完成了原子物理研究上的一项突破性进展。后来，意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。查德威克因发现中子的杰出贡献，获得1935年诺贝尔物理学奖。

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