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第五章　原子结构与元素周期律
第一节　原子结构
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1．了解元素、核素和同位素的含义。
2．了解原子构成。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。
一、原子的构成
1．构成原子的微粒及作用
(2)下列核素符号(X)周围5个位置数字的含义
(3)微粒之间的关系
①质子数(Z)＝核电荷数＝__________；
②质量数(A)＝______(Z)＋______(N)；
③阳离子的核外电子数＝质子数－________________；
④阴离子的核外电子数＝质子数＋______________。
特别提示：(1)不是所有原子核都由质子和中子组成，H无中子；
(2)质量数＝质子数＋中子数，但质子数和中子数不一定相等；
(3)质子数相同的微粒不一定属于同一种元素，如Ne和H2O；
(4)任何微粒都有质子，但不一定有中子，也不一定有核外电子，如H＋，只有质子，没有中子和电子。
2．元素、核素、同位素
(1)概念
①元素：具有相同________(即______)的同一类原子的总称。
②核素：具有一定数目的____和一定数目的____的一种原子。
③同位素：______相同而______不同的同一元素的不同____互称为同位素。
(2)三者的关系：
(3)同位素的特征：
①同一元素的各种同位素的________几乎完全相同，物理性质差异较大。
②在天然存在的某种元素里各种同位素所占的百分数一般是不变的。
(4)几种重要的核素
H H
重要用途 用于考古断代 用于制造____ —
3．质子数和核外电子数分别相等的两种微粒关系
(1)两种原子(同位素)如：H、H、H。
(2)两种分子如：CH4、NH3、H2O、HF、Ne。
(3)两种带电荷数相同的阳离子，如：NH、H3O＋。
(4)两种带电荷数相同的阴离子，如：OH－、F－。
特别提示：(1)一种元素可以有多种核素，也可能只有一种核素。
(2)有多少种核素就有多少种原子。
(3)同位素：“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。
(4)不同的核素可能具有相同的质子数，如H与H；也可能具有相同的中子数，如与；也可能具有相同的质量数，如与；也可能质子数、中子数、质量数均不相同，如H与。
(5)因许多元素存在同位素，故原子的种数多于元素的种数。但也并非所有元素都有同位素，如Na、F、Al等就没有同位素。
(6)同位素分为稳定同位素和放射性同位素。
即时训练1据国家空间科学与深空探测领域首席专家叶培建院士透露：“嫦娥三号”将于2013年发射，这是我国为实现奔月梦想所做的又一重大决定。科学研究表明，月球上有丰富的He资源，可开发利用作未来的新型能源。
(1)He的中子数是______，He与He互称为______。
(2)α粒子是带有2个单位正电荷、质量数为4的原子核，由此推断α粒子含有______个质子和______个中子。
(3)在He、He两种核素中，原子核内的中子数相差为______，与α粒子有相同质子数和中子数的是______。
即时训练2判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)14C可用于文物的年代鉴定，14C与12C互为同素异形体(　　)
(2)S2－的结构示意图：(　　)
(3)质子数为53、中子数为78的碘原子：(　　)
(4)N2的电子式：N N(　　)
(5)Cl－的结构示意图为(　　)
(6)在氮原子中，质子数为7而中子数不一定为7(　　)
(7)中，质量数之和是质子数之和的两倍(　　)
(8)第ⅠA族元素铯的两种同位素137Cs比133Cs多4个质子(　　)
二、核外电子排布规律
1．电子层的表示方法及能量变化
电子层数 由内向外
数字表示法 1 2 3 4 5 6 7
字母表示法 K L M N O P Q
离核远近
电子能量
2．原子核外电子排布规律
(1)核外电子一般总是尽先排布在________的电子层里。
(2)每个电子层最多容纳的电子数为____个。
①最外层最多容纳电子数不超过____个(K层为最外层时不超过____个)。
②次外层最多容纳的电子数不超过____个，倒数第三层电子数最多不超过____个。
(3)当电子进入电子层时总是尽先排布在能量____的电子层上，然后依次排在能量较高的电子层上。
3．表示微粒结构的图示——原子结构示意图
(1)原子(如Na、Cl、Ar)：____________、____________、______________。
(2)离子(如Mg2＋、S2－)：____________、____________。
4．原子结构与元素性质的关系
一般规律：
最外层电子数 得、失电子趋势 主要化合价 构成简单离子
金属元素 易失电子 ＋1，＋2，＋3 Mn＋
非金属元素 易得电子 Rn－
稀有气体元素 8(He最外层有2个电子) 不易得、失电子 — 不能形成简单离子
特别提示：核外电子排布相同的微粒，有时化学性质差异较大。如F－、O2－、N3－、Na＋、Mg2＋、Al3＋核外电子排布相同，而化学性质差异较大。
即时训练3现有bXn－和aYm＋两种离子，它们的电子层结构相同，则a与下列式子有相等关系的是(　　)。
A．b－m－n B．b＋m＋n
C．b－m＋n D．b＋m－n
即时训练4下列说法正确的是(　　)。
A．某粒子核外电子排布为2、8、8结构，则该粒子一定是氩原子
B．Na＋的半径大于F－的半径
C．F－、Na＋、Mg2＋、Al3＋是与He原子具有相同电子层结构的离子
D．NH与H3O＋具有相同的质子数和电子数
一、“三素”比较及具有特殊原子结构的元素
1．“三素”(元素、核素、同位素)比较
元素 核素 同位素
概念 具有相同核电荷数(质子数)的同一类原子的总称，与核外电子数无关 具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子 质子数相同而中子数不同的同一元素的不同种原子或同一元素的不同核素
范围 宏观概念、对同类原子而言，既有游离态又有化合态 微观概念，对某种元素的一种原子而言 微观概念，对某种元素的原子而言。因同位素的存在而使原子种类多于元素种类
特性 主要通过形成的单质或化合物来体现 不同的核素可能质子数相同，或中子数相同，或质量数相同，或各类微粒个数均不相同 同位素质量数和中子数不同，化学性质相同；天然同位素所占原子百分比一般不变；同位素构成的化合物如H2O、D2O、T2O，物理性质不同，但化学性质相同
实例 H、O H、H、、、Mg是不同的核素 H、H、H互为同位素
(1)单原子核且具有相同质子数的微粒属于同一种元素，如F－和F都是氟元素。
(2)核素就是一种具体的原子，表示为X。
(3)质子数相同，中子数不同的核素互称为同位素。
2．四“量”比较
原子质量 原子的相对原子质量 元素的相对原子质量 质量数
定义 指某元素某种核素的一个原子的真实质量 一个原子的真实质量与一个原子质量的的比值 该元素各种核素原子的相对原子质量与其在自然界中所占原子个数百分比的乘积之和 一个原子核内质子数与中子数的和
实例 一个原子的质量是2.657×10－26 kg 的相对原子质量约为16 M＝M1a%＋M2b%＋…(其中a%＋b%＋…＝1) 的质量数为18
特别提示：(1)同种元素可以有若干种不同的核素，也可以只有一种核素，有多少种核素就有多少种原子。
(2)同种元素是质子数相同的所有核素的总称，同位素是同一元素不同核素之间的互称。
(3)元素周期表中展示的相对质量是元素的相对质量，是元素的不同同位素原子的相对质量与百分数乘积之和，而不是原子的相对原子质量。
3．1～20号元素的特殊原子结构
(1)最外层电子数为1的原子有：H、Li、Na、K；
(2)最外层电子数为2的原子有：He、Be、Mg、Ca；
(3)最外层电子数与次外层电子数相等的原子有：Be、Ar；
(4)最外层电子数是次外层电子数2倍的原子是C；
(5)最外层电子数是次外层电子数3倍的原子是O；
(6)电子层数与最外层电子数相等的原子有：H、Be、Al；
(7)电子层数是最外层电子数2倍的原子有：Li、Ca；
(8)最外层电子数是电子层数2倍的原子有：He、C、S；
(9)最外层电子数是电子层数3倍的原子是：O；
(10)核外电子数等于核外电子层数的原子是：H；
(11)核内无中子的原子是：H。
4．核外电子数相等的微粒
(1)“10电子微粒”有：分子：CH4、NH3、H2O、HF、Ne；
阳离子：NH、H3O＋、Na＋、Mg2＋、Al3＋等；
阴离子：OH－、O2－、F－。
(2)“18电子”的微粒
分子 离子
一核18电子 Ar K＋、Ca2＋、Cl－、S2－
二核18电子 F2、HCl O、HS－
三核18电子 H2S
四核18电子 PH3、H2O2
五核18电子 SiH4、CH3F、NH2OH
六核18电子 N2H4、CH3OH
其他微粒 C2H6、CH3NH2 N2H、N2H
特别提示：稀有气体原子的电子层结构与同周期的非金属元素形成的阴离子、下一周期的金属元素形成的阳离子的电子层结构相同，如F－、Ne和Na＋的电子层结构相同。
【例1－1】现有部分元素的原子结构特点如表：
X L层电子数是K层电子数的3倍
Y 核外电子层数等于原子序数
Z L层电子数是K层和M层电子数之和
W 共用三对电子形成双原子分子，常温下为气体单质
(1)画出W原子结构示意图__________________________________________________。
(2)元素X与元素Z相比，非金属性较强的是______，写出一个能表示X、Z非金属性强弱关系的化学反应方程式________________________________________________________。
(3)X、Y、Z、W四种元素形成的一种离子化合物，其水溶液显强酸性，该化合物的化学式为______。
(4)元素X和元素Y以原子个数比1∶1化合形成的化合物Q，元素W和元素Y化合形成的化合物M，Q和M的电子总数相等。以M为燃料，Q为氧化剂，可作火箭推进剂，最终生成无毒的且在自然界中稳定存在的物质，写出该反应的化学方程式________________________________________________________________________。
【例1－2】通常情况下，微粒A和B为分子，C和E为阳离子，D为阴离子，它们都含有10个电子；B溶于A后所得的物质可电离出C和D；A、B、E三种微粒反应后可得C和一种白色沉淀。请回答：
(1)用化学符号表示下列4种微粒：
A：______；B：______；C：______；D______。
(2)写出A、B、E三种微粒反应的离子方程式：____________________________________
________________________________________________________________________。
二、构成原子的粒子间的关系及计算
1．有关粒子间的关系
(1)质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)；
(2)质子数＝核电荷数＝中性原子的核外电子数；
(3)阳离子：质子数＝核外电子数＋离子所带电荷数；
(4)阴离子：质子数＝核外电子数－离子所带电荷数。
特别提示：(1)任何微粒中，质量数＝质子数＋中子数，但质子数与电子数不一定相等。
(2)有质子的微粒不一定有中子，如H，有质子的微粒不一定有电子，如H＋。
(3)质子数相同的微粒不一定属于同一种元素，如Ne和H2O。
(4)同种元素的微粒质子数一定相同，中子数不一定相同，电子数不一定相同，质量数不一定相同。
2．有关相对原子质量的计算
(1)元素相对原子质量的理解：质量数是对原子而言的，元素没有质量数，元素的相对原子质量是对各种同位素的原子而言。
(2)原子的质量、同位素的相对原子质量、同位素的质量数与(元素的)相对原子质量、(元素的)近似相对原子质量间存在如下关系：
原子的相对原子质量
↓用质量数代替M
原子的近似相对原子质量
M′＝质量数＝A
元素的(平均)相对原子质量
＝M1·a1%＋M2·a2%＋…
↓用原子的近似相对原子质量代替原子的相对原子质量
元素的近似(平均)相对原子质量
＝M1′·a1%＋M2′·a2%＋…
【例2】(2011海南化学)是常规核裂变产物之一，可以通过测定大气或水中的含量变化来监测核电站是否发生放射性物质泄漏。下列有关的叙述中错误的是(　　)。
A．的化学性质与相同
B．的原子序数为53
C．的原子核外电子数为78
D．的原子核内中子数多于质子数
体验原子组成秘密的揭开过程
【实验典例】课堂上老师通过投影，展示了原子结构模型先后经历的道尔顿的实心球结构，汤姆逊的葡萄干布丁模型，卢瑟福的核式模型，玻尔的电子分层排布模型和现代量子力学模型等几个阶段。着重指出了卢瑟福的α粒子散射实验：英国物理学家——卢瑟福把一束高速运动的α粒子(质量数为4的带2个正电荷的原子核)射向一片极薄的金箔，他惊奇地发现，过去一直认为原子是“实心球”，而由这种“实心球”紧密排列而成的金箔，竟让大多数α粒子畅通无阻地通过，就像金箔不在那儿似的，但也有极少量的α粒子发生偏转，或被笔直地弹回。然后让同学们讨论上述实验，学生做了积极的思考，并踊跃回答。
(1)总结以上实验现象得出关于金箔中金原子的结构的一些结论，试总结出其中的三点________________________________________________________________________。
(2)实验现象与当时的原子模型发生了矛盾，当你遇到这类问题时，应如何对待？________________________________________________________________________。
1．(2012浙江理综)X、Y、Z是原子序数依次递增的短周期元素，3种元素的原子核外电子数之和与Ca2＋的核外电子数相等，X、Z分别得到一个电子后均形成稀有气体原子的稳定电子层结构。下列说法正确的是(　　)。
A．原子半径：Z＞Y＞X
B．Z与X形成化合物的沸点高于Z的同族元素与X形成化合物的沸点
C．CaY2与水发生氧化还原反应时，CaY2只作氧化剂
D．CaX2、CaY2和CaZ2等3种化合物中，阳离子与阴离子个数比均为1∶2
2．(2012天津理综)下列叙述正确的是(　　)。
A．乙酸与丙二酸互为同系物
B．不同元素的原子构成的分子只含极性共价键
C．和是中子数不同质子数相同的同种核素
D．短周期第ⅣA与ⅦA族元素的原子间构成的分子，均满足原子最外层8电子结构3．(2012全国理综)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离子的半径。X元素为(　　)。
A．Al B．P C．Ar D．K
4．(2012江苏化学)下列有关化学用语表示正确的是(　　)。
A．乙酸的结构简式：C2H4O2
B．F－的结构示意图：
C．中子数为20的氯原子：Cl
D．NH3的电子式：
5．短周期元素W、X、Y和Z的原子序数依次增大。元素W是制备一种高效电池的重要材料，X原子的最外层电子数是内层电子数的2倍，元素Y是地壳中含量最丰富的金属元素，Z原子的最外层电子数是其电子层数的2倍。下列说法错误的是(　　)。
A．元素W、X的氯化物中，各原子均满足8电子的稳定结构
B．元素X与氢形成的原子比为1∶1的化合物有很多种
C．元素Y的单质与氢氧化钠溶液或盐酸反应均有氢气生成
D．元素Z可与元素X形成共价化合物XZ2
6．(2013山东济南质量检测)2012年3月新修订的《环境空气质量标准》增设了PM 2.5(直径小于或等于2.5微米的颗粒物)浓度限值、臭氧8小时平均浓度限值。下列有关说法正确的是(　　)。
A．PM 2.5所指颗粒物大小与胶体中分散质粒子大小相当
B．O2和O3互为同素异形体，两者的化学性质相同
C．O3转化为O2和O2转化为O3过程中均有能量变化
D．反应3O2===2O3有单质参加，属于氧化还原反应
7．Cl、Cl为不同的核素，NA为阿伏加德罗常数，下列说法正确的是(　　)。
A．常温下，4.48 L Cl2含有8NA个中子
B．Cl、Cl互为同位素，Cl2与Cl2互为同分异构体
C．通常情况下，氯气作氧化剂，但氯气也具有还原性
D．Cl2的摩尔质量是74
8．已知A、B、C、D四种物质分别是由短周期元素组成的微粒，它们之间有如图所示的转化关系，且A是一种含有18电子的微粒，C是一种含有10电子的微粒。请完成下列各题：
(1)若A、D分别是两种气态单质分子，写出A与B反应的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
(2)若B是一种四核含18个电子的分子，D是一种气态单质分子，则A的化学式为______，B的结构式为________________________________________________________________；
(3)若A、B均是含2个原子核的微粒，其中B中含有10个电子，D中含有18个电子，则A、B之间发生的离子反应方程式为_____________________________________________；
(4)若D是一种含有22个电子的分子，则符合如图关系的A的物质有__________(写化学式，如果是有机物则写相应的结构简式)。
参考答案
基础梳理整合
一、1．元素　原子　原子　原子　化学　(3)核外电子数　质子数　中子数　阳离子所带的电荷数　阴离子所带的电荷数
2．(1)核电荷数　质子数　质子　中子　质子数　中子数　原子　(3)化学性质　(4)核燃料　氢弹
即时训练1　答案：(1)1　同位素　(2)2　2　(3)1　He
即时训练2　答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√
(7)√　(8)×
二、1．近　远　低　高
2．(1)能量较低　(2)2n2　8　2　18　32　(3)最低
3．(1)Na 　Cl 　Ar
(2)Mg2＋ 　S2－
4．＜4　≥4　－n，＋(8－n)
即时训练3　B
即时训练4　D
核心归纳突破
【例1－1】答案：(1)
(2)X(或氧)　2H2S＋O2===2H2O＋2S↓
(3)NH4HSO4
(4)N2H4＋2H2O2N2＋4H2O
解析：L层电子数是K层电子数的3倍，即L层有6个电子，故X为氧元素；核外电子层数等于原子序数的元素只有氢，故Y为氢元素；Z元素的K、L层分别有2个和8个电子，则M层上有6个电子，故Z为硫元素；常温下为气态双原子分子，且原子间以叁键结合的只有N2，故W为氮元素。问题(2)中能说明氧比硫非金属性强的事实有很多，其中较为直观的是O2置换H2S中的S。问题(4)中H、O形成的原子个数比为1∶1的化合物是H2O2，N、H形成的化合物分子中电子数也为18的分子只能是N2H4。
【例1－2】答案：(1)H2O　NH3　NH　OH－
(2)Al3＋＋3NH3＋3H2O===Al(OH)3↓＋3NH或Mg2＋＋2NH3＋2H2O===Mg(OH)2↓＋2NH
解析：常见的10电子分子有H2O、NH3、CH4、HF等，常见的10电子阳离子有Na＋、Mg2＋、Al3＋、NH、H3O＋，常见的10电子阴离子有F－、OH－，根据“B溶于A后所得的物质可电离出C和D”，可推出A为H2O、B为NH3、C为NH、D为OH－，再根据A、B、E反应后可得C和一种白色沉淀，可推出E为Mg2＋或Al3＋，从而得出答案。
【例2】C　解析：A项，与互为同位素，二者核外电子排布相同，化学性质相同，正确；B项正确；核外电子数为53，C项不正确；的原子核内有78个中子，比质子数(53)多，D项正确。
实验探究拓展
实验典例
答案：(1)①原子中存在原子核，且原子核只占原子体积的很小一部分；②金原子核带正电荷，且电荷数远大于α粒子的电荷数，二者产生静电排斥作用；③金原子的质量远大于α粒子的质量(或其他答案)
(2)卢瑟福的α粒子散射实验给我们很多启示：对待学习要有严谨认真、一丝不苟的态度，绝不放过任何一个疑点，努力使自己成为敢于向权威挑战、具有创新意识和创新精神的现代中学生(或其他答案)
解析：极薄的金箔，竟让高速运动的大多数α粒子通过，证明原子不是实心的球体，内部有“广阔”的空间，极少数α粒子被笔直地弹回，证明了原子核的存在，但也说明原子核的体积很小；同时证明了金原子的质量远大于α粒子的质量，否则金原子核将有被α粒子弹出的可能；还证明金原子核所带的电荷种类与α粒子相同，否则二者就会相互吸引；又能证明金原子所带电荷数远大于α粒子。
演练巩固提升
1．B　解析：根据题意，推测X、Y、Z分别是H、O、F，则原子半径Y＞Z＞X，A错误；Z与X形成的化合物HF的沸点高于其他同族元素的氢化物，因为HF分子间存在氢键，B正确；CaO2与水反应时既作氧化剂又作还原剂，C错误；CaH2、CaO2和CaF2中阳离子和阴离子个数比分别为1∶2、1∶1、1∶2，D错误。
2．D　解析：乙酸分子中只含一个—COOH，而丙二酸分子中含有两个—COOH，二者结构不同且分子组成上也不相差n个“CH2”，因此二者不属于同系物，A项错误；由不同元素的原子构成的H2O2分子中含有非极性键，B项错误；与是质子数相同中子数不同的不同核素，二者互为同位素，C项错误；D项正确。
3．D　解析：本题考查微粒结构与大小比较。X形成的离子与钙离子核外电子排布相同，则与负二价硫离子的核外电子排布也相同，根据“核外电子排布相同的离子，质子数大的半径反而小”可知X的质子数大于硫的质子数，选项中只有K元素符合题意。
4．B　解析：本题考查化学用语。A项，给出的是乙酸的化学式，结构简式应为CH3COOH，错；B项正确；C项，原子左上角表示质量数，它等于质子数加上中子数，应为17＋20＝37，错；D项，NH3中的N缺少了一对孤对电子，错。
5．A　解析：根据题干所述，以X、Z原子特殊的原子结构特征为突破口，推出X为C元素、Z为S元素；另外根据W的用途和Y的含量分别推出W为Li元素、Y为Al元素。然后对照选项判断A项说法错误。
6．C　解析：PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，而胶体中分散质粒子直径介于1～100 nm之间，A错；O3的氧化性强于O2，因而两者的化学性质不同，B错；O3与O2间的转化是化学变化，一定发生能量变化，C对；反应3O2===2O3虽有单质参加，但无化合价变化，故不属于氧化还原反应，D错。
7．C　解析：常温下4.48 L的Cl2的物质的量不是0.2 mol，A错；Cl2与Cl2均为单质，同分异构体必须是化合物，B项不正确；Cl2的摩尔质量是74 g·mol－1，D错误。
8．答案：(1)2F2＋2H2O===4HF＋O2
(2)N2H4　H—O—O—H　(3)HS－＋OH－===S2－＋H2O
(4)CH3CH3、CH3OH(其他合理答案均可)
解析：本题把指定电子数目的有关微粒作为命题素材，着重考查考生的有序思维能力。寻找10电子、18电子、22电子微粒，必须从元素周期表出发，遵循由原子到分子，再到离子的思考途径，列出相应的微粒。如10电子微粒、18电子微粒，而对18电子微粒的推断，对有序思维的要求更高，技巧性更强，我们可以以推断10电子微粒的思路来进行分析，对数字18作一拆分，把18拆成9＋9，找出F2后会使18电子的微粒打开一个大“空间”，9电子的可以是F、—OH－、NH2、CH3等，对这些9电子微粒再进行重组可得，分子：F2、HO—OH、NH2—NH2、CH3—CH3、CH3—F、CH3—OH，阳离子：N2H、N2H，阴离子：O。列出相关微粒后，再结合各种微粒所对应的性质及题目的相关要求就可以顺利得到答案。
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