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1.3 课时2　研究同主族元素的性质
【学习目标】
1.能以ⅠA族元素、ⅦA族元素为例,掌握同主族元素性质的相似性和递变性。
2.能运用原子结构理论解释同主族元素性质的递变规律。
3.能根据同主族中最熟悉元素的性质特点预测不熟悉元素的性质。
4.了解元素周期表中各个区域元素的应用。
【自主预习】
一、元素的性质
1.原子失电子能力
金属元素的原子最外层电子一般少于　　　　个,在化学反应中容易失去电子。
2.原子得电子能力
非金属元素的原子最外层电子一般多于　　　　个,在化学反应中容易得到电子。
二、碱金属元素
1.碱金属元素的原子结构
元素 名称 元素 符号 核电 荷数 原子结构 示意图 最外层 电子数 电子 层数 原子半 径(nm)
锂 Li 3 1 2 0.152
钠 Na 11 1 3 0.186
钾 K 19 1 4 0.227
铷 Rb 37 1 5 0.248
铯 Cs 55 1 6 0.265
结论:(1)碱金属元素原子结构的共同点是最外层电子数均为　　　　;
(2)随着核电荷数的增加,电子层数逐渐　　　　,原子半径逐渐　　　　。
2.碱金属的性质
物理 性质 相似性 除铯外,其余都呈银白色,它们都比较软,有延展性,密度较小,熔点较低,导电、导热性强
递变性 密度呈　　　　趋势(钠、钾反常),熔、沸点逐渐　　　　
化学 性质 相似性 化学性质很活泼,表现出较强的还原性,在自然界以化合态形式存在。K与水反应的化学方程式为2K+2H2O　　　　
递变性 从Li→Cs,原子半径逐渐　　　　,失电子能力逐渐　　　　,单质的还原性逐渐增强。K与水反应的激烈程度　　　　Na与水反应的激烈程度
三、卤族元素
1.卤素的原子结构特点
相同点 ①卤族元素位于元素周期表　　　　族; ②最外层上都有　　　　个电子
递变性 从F→I,核电荷数依次增大,电子层数依次　　　,原子半径依次　　　　
2.卤素单质的物理性质
F2 Cl2 Br2 I2
颜色、状态 淡黄绿色气体 黄绿色气体 深红棕色液体 紫黑色固体
密度 逐渐　　　
熔、沸点 逐渐　　　
3.卤素的化学性质
相似性 单质的化学性质很活泼,表现出较强的　　　　性,在自然界以　　　　态形式存在
递变性 从F→I,原子得电子能力逐渐　　　　,单质氧化性逐渐　　　　,对应阴离子还原性逐渐　　　　　　　　
【答案】一、1.4
2.4
二、1.1　增多　增大
2.增大　降低　2KOH+H2↑　增大　增强　大于
三、1.ⅦA　7　增多　增大
2.增大　升高
3.氧化　化合　减弱　减弱　增强
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)碱金属元素即ⅠA族元素。 (　　)
(2)碱金属元素原子的次外层电子数都是8。 (　　)
(3)卤素单质从F2→I2的颜色随相对分子质量的增大而加深。 (　　)
(4)从上到下,碱金属单质密度依次增大,熔、沸点依次降低。 (　　)
(5)K比Na活泼,故K可以从钠盐溶液中置换出Na。 (　　)
(6)随核电荷数增加,卤族元素对应气态氢化物的稳定性逐渐增强。 (　　)
(7)随核电荷数增加,卤素单质的熔、沸点逐渐降低。 (　　)
(8)随核电荷数增加,卤素单质的氧化性逐渐增强。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×　(8)×
2.钾失火,应采取什么方法灭火 钾燃烧时为什么看到的是黄色火焰而不是紫色火焰
【答案】用沙土、石棉等覆盖;所用钾不纯,其中可能含有钠元素,钠元素的焰色为黄色,黄色会掩盖紫色。
【合作探究】
任务1　碱金属元素性质的递变规律
【实验探究】
探究1　碱金属与氧气反应
钠、钾与氧气的反应:将一小块Na和K分别投入热坩埚中,观察现象
【答案】黄　紫　钾　K>Na
探究2　碱金属与水反应
碱金属 钾 钠
实验操作
实验现象
结论 与水反应的剧烈程度:　　　 金属活泼性:　　　
实验 原理
【答案】浮于水面,熔成小球,四处游动,有轻微爆炸声,反应后的溶液加酚酞变红　浮于水面,熔成小球,四处游动,有“咝咝”的响声,反应后的溶液加酚酞变红　K>Na　K>Na　2K+2H2O2KOH+H2↑　2Na+2H2O2NaOH+H2↑
【核心归纳】
1.碱金属单质性质的相似性(用R表示碱金属单质)
2.碱金属单质性质的递变性
具体情况如下:
物质的性质 递变规律(Li→Cs)
单质 与氧气反应 反应越来越剧烈,产物越来越复杂,Li只能生成Li2O;Na能生成Na2O和Na2O2;K能生成K2O、K2O2和KO2等
与水反应 反应越来越剧烈,Na与水剧烈反应,K与水反应比Na与水反应更剧烈,Rb、Cs遇水发生剧烈爆炸
最高价氧化物对应水化物的碱性 碱性:LiOH3.碱金属元素的原子结构与化学性质的关系
4.原子失电子能力强弱的判断依据
(1)金属元素的单质与水或酸置换出氢气的反应越容易进行,则其原子失电子能力越强。
(2)金属元素的最高价氧化物对应水化物的碱性越强,则其原子失电子能力越强。
(3)金属元素的单质与盐在水溶液中进行置换反应,若A能置换出B,则A的原子失电子能力强于B。
(4)金属活动性顺序表中元素的原子失电子能力从左到右逐渐减弱。
(5)元素周期表中同周期原子失电子能力左强右弱,同主族下强上弱。
【典型例题】
【例1】　下列关于碱金属元素性质的说法不正确的是(　　)。
A.锂与水反应不如钠与水反应剧烈
B.还原性:K>Na>Li,故K可以从NaCl溶液中置换出金属钠
C.熔、沸点:Li>Na>K
D.碱性:LiOH【答案】B
【解析】锂的活泼性比钠弱,与水反应不如钠剧烈,A项正确。还原性K>Na>Li,但K不能从NaCl溶液中置换出Na,因为K先与H2O反应,B项错误。碱金属元素从Li到Cs,熔、沸点逐渐降低,C项正确。从Li到Cs,碱金属元素的原子失电子能力逐渐增强,最高价氧化物对应水化物的碱性依次增强,即碱性LiOH【例2】　第119号未知元素,有人称为“类钫”。根据元素周期表的结构及元素性质的变化趋势判断,下列有关“类钫”的说法中错误的是(　　)。
A.单质有较高的熔点
B.“类钫”在自然界中没有单质,在化合物中呈+1价
C.“类钫”具有放射性
D.“类钫”单质的密度大于1 g·cm-3
【答案】A
【解析】第119号元素在周期表中位于第8周期ⅠA族,所以性质与钫相似,具有“软、轻、低(熔、沸点)”的特点,A项错误,B项正确;第84号元素Po及其后面的元素都是放射性元素,C项正确;碱金属虽然都是轻金属,但碱金属元素的单质从上到下密度呈增大趋势(密度:Na>K),Li、Na、K的密度比水小,Rb、Cs、Fr的密度比水大,D项正确。
任务2　卤族元素性质的递变规律
【实验探究】
探究3　卤素单质与H2反应
卤素 单质 反应条件 化学方程式 产物稳定性
F2 暗处 H2+F22HF 很稳定
Cl2 光照或点燃 H2+Cl22HCl 较稳定
Br2 加热 H2+Br22HBr 不如氯化 氢稳定
I2 不断加热 H2+I22HI 不稳定
结论 a.与H2反应的难易程度:　　　　　　; b.气态氢化物的稳定性:　　　　　; c.与H2反应所需要的条件:逐渐升高; d.与H2反应的剧烈程度:逐渐减弱; e.卤素的原子得电子能力强弱:　　　　　　　
　　【答案】越来越困难　依次减弱　F>Cl>Br>I
探究4　卤素单质间的置换反应
实验 操作
实验 现象 静置后,溶液呈　　　色 静置后,溶液呈　　　色 静置后,溶液呈　　　色
化学方 程式 Cl2+2KBrBr2+2KCl
结论 氧化性:Cl2　　　　Br2　　　　 I2 还原性:Cl-　　　　Br-　　　 I-
　　【答案】橙　黄　棕褐　Cl2+2KII2+2KCl　Br2+2KII2+2KBr　>　>　<　<
【核心归纳】
1.卤族元素的原子结构与化学性质的关系
2.卤素单质的相似性和递变性
(1)相似性
①与H2反应:X2+H22HX(H2+I22HI)
②与活泼金属(如Na)反应:2Na+X22NaX
③与H2O反应:X2+H2OHX+HXO(X=Cl、Br)
(2)递变性
具体情况如下:
物质的性质 递变规律(F2→I2)
单质与氢气反应 越来越难
氢化物 稳定性 逐渐减弱
还原性 逐渐增强
最高价氧化物对应水化物的酸性 逐渐减弱(氟除外)
3.卤素单质的特殊性
(1)氟无正价,无含氧酸,而Cl、Br、I都有正化合价和含氧酸。
(2)Cl2易液化,Br2易挥发,I2易升华。
(3)常温下呈液态的非金属单质是Br2,淀粉遇I2变蓝色。
(4)活泼的卤素单质能置换较不活泼的卤素单质,但F2不能从NaCl溶液中置换出Cl2,原因是2F2+2H2O4HF+O2。
4.非金属性强弱的判断依据
(1)非金属元素的单质与氢气化合生成气态氢化物的反应越容易进行,则其原子得电子能力越强。
(2)非金属元素的气态氢化物的稳定性越强,则其原子得电子能力越强。
(3)非金属元素的最高价氧化物对应水化物的酸性越强,则其原子得电子能力越强。
(4)非金属元素的单质与盐在水溶液中进行置换反应,若A能置换出B,并且A表现出氧化性,则A的原子得电子能力强于B。
(5)元素周期表中同周期原子得电子能力右强左弱,同主族上强下弱。
【典型例题】
【例3】　下列关于卤素(用X表示)的叙述正确的是(　　)。
A.卤素单质与水的反应均可用X2+H2OHXO+HX表示
B.HX都极易溶于水,它们的热稳定性随X的核电荷数的增加而增强
C.卤素单质的颜色从F2→I2随相对分子质量的增大而加深
D.X-的还原性强弱依次为F-【答案】C
【解析】A项,F2与H2O的反应为2F2+2H2O4HF+O2,不可用X2+H2OHXO+HX表示;B项,HX的热稳定性随核电荷数的增加而减弱;D项,F2性质极为活泼,遇盐溶液先和水反应,故不能将相对分子质量比其大的卤素单质从它的盐溶液里置换出来。
【例4】　下列说法正确的是(　　)。
A.还原性:HF>HCl>HBr>HI
B.稳定性:HFC.与水反应由易到难的顺序:Cl2、Br2、I2、F2
D.氧化性:F2>Cl2>Br2>I2
【答案】D
【解析】A项应为HI>HBr>HCl>HF;B项应为HF>HCl>HBr>HI;C项应为F2、Cl2、Br2、I2。
【随堂检测】
1.下列关于碱金属单质性质的叙述正确的是(　　)。
A.在空气中加热反应的生成物都是过氧化物
B.与水反应都能生成碱和氢气
C.熔、沸点随原子序数增加而升高
D.还原性随原子电子层数增加而减弱
【答案】B
【解析】碱金属单质在空气中加热反应的生成物是有区别的,如Li生成Li2O,Na生成Na2O2,A项错误;随核电荷数的增大,碱金属单质的熔、沸点逐渐降低,还原性逐渐增强,C、D两项错误。
2.随着卤素原子半径的增大,下列递变规律正确的是(　　)。
A.单质的熔沸点逐渐降低
B.卤素简单阴离子的还原性逐渐增强
C.气态氢化物的稳定性逐渐增强
D.单质与氢气化合的能力逐渐增强
【答案】B
【解析】卤素从上到下对应的单质的状态:气→气→液→固,故卤素单质的熔点逐渐升高,A项错误;卤素单质从上到下,氧化性逐渐减弱,卤素离子还原性逐渐增强,B项正确;卤素原子从上到下,气态氢化物的稳定性逐渐减弱,C项错误;卤素单质从上到下,与氢气反应的条件越来越高,故与氢气化合的能力逐渐减弱,D项错误。
3.下列关于铯及其化合物的说法中不正确的是(　　)。
A.氢氧化铯是一种强碱,比KOH的碱性强
B.铯与水或酸溶液反应剧烈,都生成氢气
C.Cs的还原性比Na强,故Na+的氧化性强于Cs+
D.Al的原子失电子能力强于Cs的原子失电子能力
【答案】D
【解析】Cs的最外层电子数是1,电子层数比K的多,故Cs的原子失电子能力比K强,CsOH的碱性比KOH强,A项正确;Cs与Na性质相似,与水或酸反应更剧烈,都生成H2,B项正确;Cs的还原性比Na强,所以Na+的得电子能力比Cs+强,C项正确;因为Cs的原子失电子能力强于Na,Na的原子失电子能力强于Al,所以Al的原子失电子能力弱于Cs,D项错误。
4.下表为元素周期表的一部分。
　　　族 周期　 　 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
一 ①
二 ② ⑤
三 ③ ⑥
四 ④ ⑦
(1)表中元素　　　　的原子得电子能力最强;元素　　　　的原子失电子能力最强;元素　　　　的单质在室温下呈液态。(填元素符号)
(2)表中元素③的原子结构示意图是　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)表中元素⑥⑦气态氢化物的稳定性顺序为　　　　　(填化学式,下同)>　　　　　。
(4)表中元素最高价氧化物对应水化物酸性最强的是　　。
【答案】(1)F　K　Br
(2)
(3)HCl　HBr
(4)HClO4
【解析】(1)根据元素周期表中同主族元素性质递变规律可知F的原子得电子能力最强,K的原子失电子能力最强,单质在室温下呈液态的是Br2。(2)元素③为Na,原子结构示意图为。(3)元素⑥⑦分别为Cl、Br,其原子得电子能力Cl>Br,所以气态氢化物稳定性HCl>HBr。(4)F无正化合价,最高价氧化物对应水化物酸性最强的是HClO4。
5.某同学做同主族元素性质相似性、递变性实验时,自己设计了一套实验方案,并记录了有关实验现象(表中的“实验方案”与“实验现象”前后不一定是对应关系)。
实验方案 实验现象
①将氯水滴加到NaBr溶液中,振荡,静置 A.浮在水面上,熔成小球,不定向移动,随之消失
②将一小块金属钠放入冷水中 B.溶液呈浅棕色
③将溴水滴加到NaI溶液中,振荡,静置 C.浮在水面上,熔成小球,不定向移动,并伴有轻微的爆炸声,很快消失
④将一小块金属钾放入冷水中 D.溶液呈橙色
请你帮助该同学整理并完成实验报告。
(1)实验目的:　。
(2)实验用品
①试剂:金属钠、金属钾、新制氯水、溴水、0.1 mol·L-1 NaBr溶液、0.1 mol·L-1 NaI溶液等。
②仪器:　　　　　、　　　　　、　　　　、镊子、小刀、玻璃片等。
(3)实验内容(填写与实验方案对应的实验现象的标号和化学方程式)
实验方案 实验现象 化学方程式
①
②
③
④
(4)实验结论:　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)探究同主族元素性质的相似性和递变性
(2)试管　胶头滴管　烧杯(培养皿)
(3)
实验方案 实验现象 化学方程式
① D Cl2+2NaBr2NaCl+Br2
② A 2Na+2H2O2NaOH+H2↑
③ B Br2+2NaI2NaBr+I2
④ C 2K+2H2O2KOH+H2↑
　　(4)同主族元素化学性质相似;同主族元素自上而下原子失电子能力增强,得电子能力减弱
6.氰(CN)2、硫氰(SCN)2的化学性质与卤素X2很相似,化学上称之为拟卤素。[如(SCN)2+H2OHSCN+HSCNO]。已知还原性Cl-(1)(CN)2与KOH溶液反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)向NaBr和KSCN的混合溶液中通入(CN)2,反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)(CN)2+2KOHKCN+KCNO+H2O
(2)(CN)2+2SCN-(SCN)2+2CN-
【解析】(2)由还原性Cl-Br2>(CN)2>(SCN)2>I2,当向NaBr和KSCN的混合溶液中通入(CN)2时,(CN)2只能氧化SCN-而不能氧化Br-,所以反应的离子方程式是(CN)2+2SCN-(SCN)2+2CN-。
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