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第3课时　原子结构与元素的性质
第四章
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.通过对碱金属元素、卤素性质的相似性与递变性的了解,培养学生宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过对原子结构与元素性质的关系的学习,学会从物质及其变化的事实中提取有用信息,以提升证据推理与模型认知的化学核心素养。
课前篇 素养初探
【知识铺垫】
1.碱金属元素包括Li、Na、K、Rb、Cs(填写元素符号)等元素,它们都处于元素周期表中第ⅠA族;卤族元素包括F、Cl、Br、I(填写元素符号)等元素,它们都处于元素周期表中第ⅦA族。
2.钠与水反应的离子方程式为2Na+2H2O === 2Na++2OH-+H2↑。钠与氧气在常温和加热条件下反应得到的产物分别为Na2O、Na2O2。
3.氯气与氢气反应的条件是点燃或光照。
【必备知识】
一、元素的性质
二、碱金属元素
1.原子结构特点
2.单质的化学性质
(1)钾、钠与氧气和水的反应
(2)化学性质特点
(3)写出下列反应的化学方程式。
①Li与O2(加热):4Li+O2 2Li2O。
②Na与O2(加热):2Na+O2 Na2O2。
③Na与H2O:2Na+2H2O === 2NaOH+H2↑。
④K与H2O:2K+2H2O === 2KOH+H2↑。
【微思考1】(1)我们已经知道实验室中钠单质保存在煤油或石蜡油中,那么钾单质如何保存
提示 钾的密度小于钠,大于煤油或石蜡油,故也可以保存在煤油或石蜡油中。
(2)根据钠和钾性质的差异,分析Li与氧气、水反应的剧烈程度大于还是小于Na
提示 由钾、钠性质实验探究知碱金属的性质随原子序数的递增,金属性逐渐增强,故Li与氧气、水反应的剧烈程度小于Na。
3.单质的物理性质(从锂→铯)
【微思考2】对碱金属的单质来说,若对应元素的原子序数越大,其单质的密度是否一定越大
提示 不一定,原子序数:K>Na,但密度:K三、卤族元素
1.原子结构特点
2.单质的物理性质
3.单质的化学性质
(1)与H2的反应
(2)单质间的置换反应
写出下列反应的化学方程式:
①Cl2与NaBr溶液反应:Cl2+2NaBr === 2NaCl+Br2。
②Cl2与KI溶液反应:Cl2+2KI === 2KCl+I2。
③Br2与KI溶液反应:Br2+2KI === 2KBr+I2。
Cl2、Br2、I2的氧化性由强到弱的顺序为Cl2>Br2>I2。
【情境链接】氟具有很强的非金属性,氟是一种反应性能极高的元素,被称为“化学界顽童”。但氟一旦与其他元素结合,就会成为耐热、难以被药品和溶剂侵蚀的具有“高度安全性能”的化合物。
(1)卤素单质中氧化性最强的是哪种单质 F在化合物中有无正价
提示 F2。F在化合物中只显示-1价,无正价。
(2)将F2通入NaBr溶液中,产生无色气体,并未产生预期的橙黄色溶液,试解释原因。
提示 F2具有亲水性,将F2通入NaBr溶液中,发生反应2F2+2H2O === 4HF+O2,故不能与NaBr发生置换反应生成Br2。
四、同主族元素性质的递变规律(从上到下)
【自我小测】
1.判断正误:
(1)HF、HCl、HBr、HI的热稳定性和还原性均依次减弱。(　　)
(2)第三周期非金属元素含氧酸的酸性从左到右依次增强。(　　)
(3)Li、Na、K元素的原子核外电子层数随着核电荷数的增加而增多。(　　)
(4)因为Na比K容易失去电子,所以Na比K的还原性强。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)√　(4)×
2.第ⅠA族元素具有相似的化学性质,是由于它们的原子具有相同的(　　)
A.原子半径 B.电子层数
C.核外电子数 D.最外层电子数
答案 D
解析 第ⅠA族元素具有相似的化学性质,是由于它们的原子具有相同的最外层电子数。
3.下列对卤素的说法不符合递变规律的是(　　)
A.F2、Cl2、Br2、I2的氧化性逐渐减弱
B.HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱
C.F-、Cl-、Br-、I-的还原性逐渐增强
D.卤素单质按F2、Cl2、Br2、I2的顺序,颜色逐渐变浅,密度逐渐增大
答案 D
解析 从F→I,原子半径依次增大,单质氧化性逐渐减弱,则阴离子的还原性逐渐增强,氢化物的稳定性逐渐减弱,卤素单质按F2、Cl2、Br2、I2的顺序,颜色逐渐变深,密度逐渐增大。
课堂篇 素养提升
探究一
碱金属元素的性质递变规律
【问题探究】
【实验探究1】碱金属单质与氧气的反应
Li、Na、K在空气中燃烧分别生成Li2O、Na2O2、KO2(超氧化钾),这说明什么问题
提示 说明Li、Na、K的金属活动性依次增强。
【实验探究2】钠、钾与水的反应
碱金属 钾 钠
实验操作
实验现象 共同点 a.金属浮在水面上;b.金属熔化成闪亮的小球;c.小球四处游动; d.发出响声;e.反应后的溶液呈红色 不同点 　　与水反应更剧烈 K
碱金属 钾 钠
化学方程式 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　
实验结论 与水反应的剧烈程度:K　　Na,金属性:K　　Na 递变规律 同主族元素从上到下,金属性逐渐　　　 2K+2H2O === 2KOH+H2↑
2Na+2H2O === 2NaOH+H2↑
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增强
【思维探究3】
“铷原材料与应用产品关键技术及产业化创新成果”荣获第十二届“中国产学研合作创新成果一等奖”。铷是一种稀有、分散的碱金属元素,活性大,熔点低,是地球上发现的所有元素中较高正电性和最大光电效应的元素。试推测金属Rb与水反应的现象。Rb在空气中燃烧的产物会是Rb2O吗
提示 Rb比K活泼,Rb与水反应比K更剧烈,故反应现象为Rb沉在水底,与水剧烈反应,会发生爆炸。Rb比K活泼,Rb在空气中燃烧的产物更复杂,不会生成Rb2O。
【深化拓展】
1.碱金属元素性质的相似性(用R表示碱金属)
2.碱金属元素性质的递变性
(1)单质的还原性与离子的氧化性递变规律
(2)具体表现
碱金属元素 Li Na K Rb Cs
单质 与氧气 反应越来越剧烈,产物越来越复杂 Li2O Na2O、 Na2O2 K2O、 K2O2、KO2 更复杂 氧化物 与水 反应越来越剧烈 反应缓慢 剧烈反应 轻微爆炸 剧烈爆炸 化合物 碱性强弱:LiOH典例1(2020北京师大附中高一期中)元素钫(Fr)具有放射性,它是碱金属元素中最重的元素。下列对其性质的预言中,不正确的是(　　)
A.它的金属性比Na强,跟水反应更剧烈
B.它的原子半径比Na大,离子半径也比Na+大
C.它的单质与硫酸铜溶液发生置换反应得到金属铜
D.它的氢氧化物(FrOH)是一种强碱,能使酚酞溶液变红
答案 C
解析 同主族从上到下元素金属性增强,故Fr的金属性比钠强,跟水反应会更剧烈,故A正确;同主族元素从上到下原子半径依次增大,则Fr的原子半径比钠大,离子核外电子层数越多,离子半径越大,则钫的离子半径比钠离子半径大,故B正确;同主族从上到下元素金属性增强,Fr失电子能力比钠强,则跟水反应会更剧烈,所以Fr与硫酸铜溶液反应,先与水反应,不能得到金属铜,故C错误;Fr处于第ⅠA族,最外层电子数为1,最高正化合价为+1价,它的氢氧化物化学式为FrOH,同主族从上到下元素金属性增强,故FrOH的碱性比KOH强,是一种强碱,能使酚酞溶液变红,故D正确。
变式训练1铷元素广泛用于特种玻璃、医学、能源等领域。其中在高科技领域显示了广阔的应用前景。锂云母是提取铷的重要原料。我国的锂云母主要分布于江西宜春、湖南正冲、广西栗木等地。
已知铷是37号元素。根据相关知识回答下列问题:
(1)铷(Rb)位于元素周期表的第　　　周期第　　　族。
(2)关于铷的结构和性质判断正确的是　　　　(填序号)。
①与水反应比钠剧烈
②原子半径比钠小
③氧化物暴露在空气中易吸收CO2
④阳离子最外层电子数和镁原子相同
⑤是还原剂
(3)现有铷和另一种碱金属形成的合金50 g,当它与足量水反应时,放出标准状况下的氢气22.4 L,这种碱金属可能是　　　　(填字母)。
a.Li b.Na c.K d.Cs
答案 (1)五　ⅠA　(2)①③⑤　(3)ab
解析 (1)由Rb的原子序数是37可推知Rb位于第五周期第ⅠA族。(2)由Rb的原子结构示意图可知②④不正确;又因Na和Rb同主族,根据同主族元素性质的递变规律知,Rb的金属性比Na强,故①③⑤正确。(3)设该合金的平均相对原子质量为M,则根据得失电子守恒得 ×2,
M=25,因Mr(Rb)>25,则另一种碱金属的相对原子质量应小于25,可能为Li或Na。
实验操作 实验现象 离子方程式 结论
振荡后,溶液由无色变为　　　　色 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
探究二
卤族元素的性质递变规律
【问题探究】
卤素单质间的置换反应的实验分析
橙黄
Cl2+2Br- === 2Cl-+Br2
实验操作 实验现象 离子方程式 结论
振荡后,溶液由无色变为　　色 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 Cl2、Br2、I2的氧化性逐渐　　　　,Cl、Br、I元素的非金属性逐渐　　　　
振荡后,溶液由无色变为　　色 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 褐
Cl2+2I- === 2Cl-+I2
褐
Br2+2I- === 2Br-+I2
减弱
减弱
【深化拓展】
1.卤素性质的相似性
2.卤素性质的递变性
(1)卤素单质的氧化性及卤素离子的还原性递变规律
(2)具体表现
物质 性质
单质 与H2反应越来越难(从F→I)
与变价金属反应:F2、Cl2、Br2生成高价金属卤化物,I2生成低价金属碘化物
氢化物 稳定性:HF>HCl>HBr>HI
还原性:HF酸性:HF最高价氧化物的水化物 酸性:HClO4>HBrO4>HIO4(F没有最高价含氧酸)
3.卤素性质的特殊性
(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,I2能使淀粉溶液变蓝色。
(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+2H2O === 4HF+O2。
【素能应用】
典例2(2020浙江乐清乐成公立寄宿学校高一检测)卤素是最活泼的一族非金属元素,下列关于卤素的说法正确的是(　　)
A.卤素单质的最外层电子数都是7
B.从上到下,卤素原子的电子层数依次增多,原子半径依次减小
C.从F到I,原子核对最外层电子的吸引能力依次减弱,原子得电子能力依次减弱
D.卤素单质与H2化合由易到难的顺序为I2→Br2→Cl2→F2
答案 C
解析 A项,卤素原子的最外层电子数都是7,错误;B项,从上到下,卤素原子的电子层数依次增多,原子半径依次增大,错误;C项,从F到I,原子核对最外层电子的吸引能力依次减弱,原子得电子能力依次减弱,正确;D项,卤素单质与H2化合由易到难的顺序为F2→Cl2→Br2→I2,错误。
变式训练2(2020江苏常州高中高一检测)以下关于氟、氯、溴、碘的性质叙述错误的是(　　)
A.HF、HCl、HBr、HI稳定性逐渐减弱
B.单质F2、Cl2、Br2、I2中,氧化性最强的是F2
C.HF、HCl、HBr、HI中酸性最强的是HF
D.单质F2、Cl2、Br2、I2中,I2的沸点最高
答案 C
解析 A项,同主族元素从上到下非金属性逐渐减弱,其氢化物的稳定性逐渐减弱,正确;B项,F2、Cl2、Br2、I2中,氧化性最强的是F2,正确;C项,只有氢氟酸是弱酸,其余都为强酸,错误;D项,F2、Cl2、Br2、I2状态由气→液→固,沸点逐渐升高,正确。
探究三
元素金属性或非金属性强弱的判断方法
【问题探究】
1.上图所示实验可证明元素的非金属性强弱顺序为Cl>C>Si吗
提示 不能。比较元素非金属性的强弱通常用最高价氧化物的水化物的酸性判断。盐酸不是氯元素的最高价含氧酸,故不能根据此实验比较Cl、C、Si的非金属性。
2.可通过哪些事实说明Cl比Br的非金属性强 举例说明。
提示 ①Cl2的氧化性比Br2强;②与氢气化合时Cl2比Br2容易且反应更剧烈;③热稳定性:HCl>HBr;④还原性:HClHBrO4;⑥Cl2与NaBr溶液反应可生成Br2。
3.可通过哪些事实说明K的金属性比Na的强 举例说明。
提示 ①K的还原性比Na的强;②与水反应,K比Na剧烈;
③碱性:KOH>NaOH。
【深化拓展】
1.金属性强弱的判断
(1)根据元素周期表判断
同一主族,从上到下:元素的金属性逐渐增强。
(2)根据金属活动性顺序判断
金属单质的活动性减弱,元素的金属性也减弱。
(3)根据单质及其化合物的性质判断
①金属单质与水或酸反应置换出氢越容易,元素的金属性越强。
②最高价氧化物的水化物——氢氧化物的碱性越强,元素的金属性越强。
(4)根据金属单质间的置换反应判断
较活泼的金属将较不活泼的金属从其盐溶液中置换出来,如Zn+Cu2+ === Zn2++Cu,则金属性:Zn>Cu。
(5)根据离子的氧化性强弱判断
金属阳离子的氧化性越强,元素的金属性越弱,如氧化性:Cu2+>Fe2+,则金属性:Cu2.非金属性强弱的判断
(1)根据元素周期表判断。同一主族,从上到下:元素的非金属性逐渐减弱。
(2)根据非金属元素单质与H2化合的难易程度判断。若单质与H2越容易化合,则元素的非金属性就越强;反之,非金属性就越弱。
(3)根据非金属元素单质与H2化合形成气态氢化物的稳定性判断。若生成的气态氢化物越稳定,则元素的非金属性就越强;反之,非金属性就越弱。
(4)根据非金属元素最高价氧化物的水化物的酸性强弱判断。若最高价氧化物的水化物的酸性越强,则元素的非金属性就越强;反之,非金属性就越弱。
(5)根据气态氢化物(或阴离子)的还原性判断。气态氢化物(或阴离子)的还原性越强,非金属性越弱。
误区警示 (1)元素的非金属性强,其单质的活泼性不一定强。例如,N的非金属性强于P,但N2的活泼性没有P强。
(2)比较金属性、非金属性强弱不能根据其反应中得失电子的数目多少来判断,应该根据得失电子的难易程度判断。
【素能应用】
典例3(2020河南林州一中高一调研)下列金属性质的比较中,能说明甲的金属性比乙强的是(　　)
①甲与水反应比乙与水反应剧烈
②单质甲能从乙的盐溶液中置换出单质乙
③甲的最高价氧化物对应水化物的碱性比乙的最高价氧化物对应水化物的碱性强
④1 mol 甲单质在反应中失去的电子比1 mol乙失去的电子多
A.只有①④ B.只有②③
C.①②③④ D.只有①②③
答案 D
解析 元素金属性强弱的判断方法有:元素的金属性越强,其最高价氧化物的水化物碱性越强;活动性较强的金属能置换出较不活泼的金属;元素的金属性越强,其单质与酸或水反应越剧烈。①甲与水反应比乙与水反应剧烈,说明甲的金属性比乙强,故①正确;②甲单质能从乙的盐溶液中置换出单质乙,说明甲的金属性强于乙,故②正确;③甲的最高价氧化物对应水化物的碱性比乙的最高价氧化物对应水化物的碱性强,说明甲的金属性强于乙,故③正确;④元素金属性强弱与金属在反应中失去电子的难易有关,与失去电子的多少无关,故④错误。
变式训练3下列说法错误的是(　　)
A.钠和镁分别与冷水反应,可判断金属性强弱
B.将铁和钠分别投入CuSO4溶液中,根据是否能置换出铜,判断钠与铁的金属性强弱
C.酸性H2CO3D.Br2与I2分别与足量的H2反应,判断溴与碘的非金属性强弱
答案 B
解析 A项符合金属与水反应判断金属性强弱的依据;因Na的金属性太强,与CuSO4溶液反应时会先与H2O反应,故B项不能作为判断依据;C项中根据H2CO3、H2SO4都是C、S的最高价含氧酸,由它们的酸性强弱可以推知硫的非金属性比碳强;D项所述符合根据非金属单质与H2反应难易判断非金属性强弱的依据。
素养脉络
随堂检测
1.(2020山东聊城高一检测)锂(Li)是一种银白色的金属元素,质软,是密度最小的金属。用于原子反应堆、制轻合金及电池等,锂电池或锂离子电池备受人们推崇。锂(Li)不可能具有的性质是(　　)
A.锂在空气中燃烧只会生成氧化锂
B.锂很软,用小刀可以切割
C.锂的熔点比金属铯高
D.金属锂可以保存在煤油或液体石蜡中
答案 D
解析 锂较其他碱金属活泼性差,燃烧不生成过氧化物,只会生成氧化锂,A正确;碱金属都很软,可用小刀切割,B正确;碱金属Li→Cs熔点逐渐降低,C正确;金属锂的密度比煤油小,所以不能保存在煤油中,D不正确。
2.(2020天津耀华中学高一期末)甲、乙两种非金属:①甲比乙容易与H2化合;②甲的单质能与乙的阴离子发生置换反应;③甲的最高价氧化物对应水化物的酸性比乙的最高价氧化物对应水化物的酸性强;④与某金属反应时,甲原子得电子数目比乙的多;⑤甲的单质熔、沸点比乙的低。能说明甲比乙的非金属性强的是(　　)
A.只有④ B.只有⑤
C.只有①②③ D.①②③④⑤
答案 C
解析 ①元素的非金属性越强,其单质与氢气化合就越容易,因此甲比乙容易与氢气化合能说明甲比乙的非金属性强;正确;②活动性较强的非金属单质能够把活动性弱的从化合物中置换出来,甲能与乙的阴离子发生置换反应,说明甲比乙的非金属性强;正确;③元素的非金属性越强,其最高价氧化物对应的水化物的酸性就越强,因此甲的最高价氧化物对应水化物的酸性比乙的最高价氧化物对应水化物的酸性强能够证明甲比乙的非金属性强;④不能根据非金属与某金属反应时得电子数目的多少来衡量元素非金属性的强弱,错误;⑤非金属元素的单质的熔、沸点与元素的非金属性强弱无关,因此不能根据单质熔、沸点的高低比较元素的非金属性的强弱,错误。因此正确的说法是①②③。
3.下列对碱金属的叙述,其中完全不正确的组合是(　　)
①K通常保存在煤油中,以隔绝与空气的接触
②碱金属单质常温下呈固态,取用时可直接用手拿
③碱金属单质中还原性最强的是钾
④碱金属元素的阳离子中氧化性最强的是Li+
⑤碱金属元素的原子半径和离子半径都随核电荷数的增大而增大
⑥从Li到Cs,碱金属单质的密度越来越大,熔、沸点越来越高
A.②③⑥ B.②③④
C.④⑤⑥ D.①③⑤
答案 A
解析 ②碱金属单质不可直接用手拿,否则会和手上的汗水反应生成强碱而腐蚀皮肤;③碱金属单质中还原性最强的不是钾,而是铯;⑥从Li到Cs,碱金属单质的密度呈增大趋势,但K的密度小于Na的,熔、沸点越来越低。所以②③⑥错误。
4.据报道,我国科学家通过与多个国家进行科技合作,成功研发出铯(Cs)原子喷泉钟,使我国时间频率基准的精度从30万年不差1 s提高到600万年不差1 s,标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列。已知铯位于元素周期表中第六周期第ⅠA族,根据铯在元素周期表中的位置,推断下列内容:
(1)铯的原子核外共有　　　个电子层,最外层电子数为　　　　,铯的原子序数为　　　　。
(2)铯单质与水剧烈反应,放出　　　色气体,同时使紫色石蕊溶液显　　　　　色,因为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写出化学方程式)。
(3)预测铯单质的还原性比钠单质的还原性　　(填“弱”或“强”)。
答案 (1)6　1　55
(2)无　蓝　2Cs+2H2O === 2CsOH+H2↑
(3)强
解析 根据原子核外电子排布规律,结合铯在元素周期表中的位置知,铯原子核外电子分6层排布,每层填充的电子数分别是2、8、18、18、8、1,原子序数是55,最外层只有1个电子。铯与钠同主族,具有极强的金属性,与水反应生成氢气和氢氧化铯:2Cs+2H2O === 2CsOH+H2↑,氢氧化铯是强碱,使紫色石蕊溶液变蓝色。

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