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第四章　物质结构元素周期律
第一节　原子结构与元素周期表
第3课时　原子结构与元素的性质
课程标准 核心素养目标
1.认识原子结构、元素性质与元素在元素周期表中位置的关系。
2．以碱金属和卤族元素为例，了解同主族元素性质的递变规律。
3．能用原子结构解释元素性质及其递变规律，并能结合实验及事实进行说明。 1.科学探究与创新意识：以第ⅠA、ⅦA族元素为例，通过探究认识同主族元素性质的递变规律，并能从原子结构理论初步加以解释。
2．证据推理与模型认知：通过探究第ⅠA、ⅦA族元素性质的递变规律，构建认识原子结构与元素性质的关系的认知模型。
一、碱金属元素
1．碱金属的原子结构
元素 锂 钠 钾 铷 铯
元素符号 Li Na K Rb Cs
核电荷数 3 11 19 . .
37
55
原子结构
示意图
最外层
电子数 1 1 1 1 1
电子层数 2 3 4 5 6
原子
半径/nm 0.152 0.186 0.227 0.248 0.265
[微点归纳]　碱金属原子的结构特点可概括为“一同”“三增”。
“一同”：各元素原子的最外层电子数相同，均为1。
2．碱金属化学性质的比较(教材·探究)
(1)碱金属与氧气的反应
碱金属
单质 钠(Na) 钾(K)
实验
操作
实验
现象 钠先熔化成小球，后燃烧，剧烈反应，火焰呈 . 钾先熔化成小球，后燃烧，反应比钠更 ，火焰呈 (透过蓝色钴玻璃观察)
黄色
剧烈
紫色
结论 金属性：K (填“＞”或“＜”)Na
实验
原理
(反应放热) K＋O2 KO2(超氧化钾)(反应放热)
△
＞
(2)碱金属与水的反应
碱金属单质 钠(Na) 钾(K)
实验操作
实验
现象 ①相同点：钠(或钾)浮在水面上，熔化成闪亮的小球，四处游动，发出嘶嘶声，溶液变成 ；
②不同点：钾与水反应更 ，轻微爆炸并着火燃烧
结论 ①与水反应的剧烈程度：K (填“＞”或“＜”，下同)Na；
②金属性：K Na
实验
原理
2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
2K＋2H2O===2KOH＋H2↑
红色
剧烈
＞
＞
3.碱金属单质的物理性质
元素 Li、Na、K、Rb、Cs(原子序数增大)
相似性 除铯外，其余都呈 色，它们都比较柔软，有延展性，密度都比较 ，熔点较 ，导电性、导热性强
递变
规律 密度 逐渐 (钠、钾反常)
熔点 逐渐 .
沸点 逐渐降低
个性特点 ①铯略带金色光泽；②锂的密度比煤油的小；③钠的密度比钾大
银白
小
低
增大
降低
二、卤族元素
1．卤素单质的物理性质
卤素单质 F2 Cl2 Br2 I2
颜色、状态 淡黄绿色
气体 黄绿色
气体 色
液体 色
固体
密度 从F2到I2，密度逐渐 .
熔点、沸点 从F2到I2，熔点、沸点逐渐 .
深红棕
紫黑
增大
升高
2.卤素元素的原子结构
卤素元素 F Cl Br I
原子结构
示意图
结构
特点 相同点 原子最外层都有 个电子
递变性 从F到I，随着核电荷数的增多，电子层数逐渐 ，原子半径逐渐 .
7
增多
增大
3.卤素单质的化学性质
(1)卤素单质与H2的反应
卤素单质 反应条件 化学方程式 产物稳定性
F2 暗处 很稳定
Cl2 光照或点燃 较稳定
H2＋F2===2HF
卤素单质 反应条件 化学方程式 产物稳定性
Br2 加热 不如氯化氢稳定
I2 不断加热 不稳定
结论 从F2到I2，与H2反应所需要的条件逐渐 ，反应剧烈程度依次减弱，生成气态氢化物的稳定性依次 .
升高
减弱
(2)卤素单质间的置换反应(实验4 1)
实验操作 实验现象 化学方程式
静置后，液体呈橙色
静置后，液体呈褐色
Cl2＋2KBr===Br2＋2KCl
Cl2＋2KI===I2＋2KCl
实验操作 实验现象 化学方程式
静置后，液体呈褐色
实验结论 ①从Cl2到I2，随着核电荷数的增加，卤素单质的氧化性逐渐 ，对应卤素离子的还原性逐渐 ；②卤素的非金属性： .
Br2＋2KI===I2＋2KBr
减弱
Cl＞Br＞I
增强
4.同主族元素性质的递变规律
在元素周期表中，同主族元素从上到下原子核外电子层数依次 ，原子半径逐渐 ，失电子能力逐渐 ，得电子能力逐渐
，故金属性逐渐 ，非金属性逐渐 。
增多
增大
增强
减弱
增强
减弱
◆名师点拨
金属性和非金属性
(1)金属性是指元素原子失去电子的性质(或能力)，非金属性是指元素原子得到电子的性质(或能力)。
(2)金属元素的原子最外层电子一般少于4个，在化学反应中易失去电子，具有金属性。
(3)非金属元素的原子最外层电子一般多于4个，在化学反应中易得到电子，具有非金属性。
(4)金属性和非金属性与元素得失电子的数目无关，与得失电子的难易程度有关。
◆名师点拨
碱金属与氧气的反应
(1)在碱金属中，Li与O2反应的产物只有Li2O。
(2)碱金属与O2反应的产物不相同，碱金属越活泼产物越复杂：
Na与O2在常温下生成Na2O，燃烧时生成Na2O2；K燃烧时生成KO2；Rb、Cs燃烧时生成更复杂的氧化物。
◆名师点拨
碱金属与水的反应
(1)碱金属均能与H2O反应生成相应的碱和H2：2R＋2H2O===2ROH＋H2↑(R＝碱金属)。
(2)从Li到Cs，与水反应越来越剧烈，Rb、Cs遇水甚至发生爆炸。
(3)碱金属都不能从盐溶液中置换出金属来。
(4)碱金属的最高价氧化物的水化物中，只有LiOH微溶，其他均为易溶于水的强碱。
◆温馨提示
(1)单质Na、K通常保存在煤油或石蜡油中，Li通常用固体石蜡密封。
(2)从Li到Cs，碱金属单质的密度呈增大趋势，Na、K出现反常。
◆拓展延伸
(1)Cl2易液化，液溴易挥发，碘易升华。
(2)Cl2、Br2、I2都易溶于苯、CCl4等有机溶剂中。
(3)淀粉遇I2显蓝色，故可用淀粉溶液检验I2的存在。
(4)保存液溴时，要盛放在棕色细口瓶中，并加水水封，于暗处避光保存。
◆名师点拨
(1)常温下，卤素单质与水反应生成氢卤酸和次卤酸X2＋H2O HX＋HXO(X＝Cl、Br、I)，但F2与H2O发生反应：2F2＋2H2O===4HF＋O2。
(2)变价金属(Fe、Cu)与卤素单质反应生成高价态金属卤化物2Fe＋3X2===2FeX3(X＝F、Cl、Br)，但I2的氧化性较弱，与Fe反应生成FeI2。
(3)卤素单质之间可以发生置换反应，较活泼的卤素单质可以将较不活泼的卤素单质从其盐溶液中置换出来，但F2除外。
(4)HF是弱酸，HCl、HBr、HI都是强酸，且酸性：HF＜HCl＜HBr＜HI。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)碱金属元素的单质与氧气反应的产物都属于碱性氧化物(　　　)
(2)随核电荷数增多，碱金属元素单质与水反应越来越剧烈(　　　)
(3)从氟到碘，卤族元素单质的氧化性减弱，对应阴离子的还原性增强
(　　　)
(4)F2的氧化性强于Cl2，故将F2通入NaCl溶液中可得到Cl2(　　　)
×　
√　
√　
×　
探究一 碱金属元素性质的相似性和递变性
北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制的全球卫
星导航系统，北斗卫星导航系统的发展离不开精准的
时间频率体系。目前，我国研制并正在使用的铯原子
喷泉钟，测量精度可以达到3 000万年不差1秒。
铯(Cs)属于碱金属元素，与Li、Na、K、Rb同处于第ⅠA族，位于Rb的下一周期。
[问题设计]
(1)根据Cs在元素周期表中位置推测，金属性：K________(填“＞”或“＜”，下同)Cs，单质的还原性：Na________Cs。
提示：＜　＜
类比Na和水的反应，试写出Cs与H2O反应的化学方程式：___________________________________________________。
提示：2Cs＋2H2O===2CsOH＋H2↑
(3)将金属Cs投入KCl溶液中能否置换出金属K？为什么？
提示：不能。Cs具有强还原性，与水剧烈反应生成CsOH和H2，不能与KCl发生置换反应。
碱金属元素的原子结构与性质的关系
[例1] 下列有关碱金属单质性质的说法错误的是　(　　)
A．Li与水反应不如Na与水反应剧烈
B．Rb比Na活泼，故Rb可以从NaCl溶液中置换出Na
C．熔、沸点：Li>Na>K
D．碱性：LiOHB
同主族元素从上到下金属性增强，金属性越强，金属与水反应越剧烈，金属性强弱顺序为Na>Li，因此Li与水反应不如Na与水反应剧烈，A正确；Rb比Na活泼，钠能与水剧烈反应，可知Rb与水反应更剧烈，Rb置于氯化钠溶液中与水先反应，因此不能置换出氯化钠溶液中的Na，B错误；同主族元素从上到下金属性增强，金属性越强，熔点、沸点越低，金属性强弱顺序为K>Na>Li，故熔点、沸点大小为Li>Na>K，C正确；金属性越强，元素最高价氧化物的水化物碱性越强，金属性强弱顺序为K>Na>Li，碱性强弱顺序为LiOH解析：
1．砹(At)的原子序数为85，与F、Cl、Br、I同族，推测砹或砹的化合物不可能具有的性质是(　　)
A．砹是有色固体
B．非金属性：At＜I
C．HAt非常稳定
D．I2能从砹的可溶性盐溶液中置换出At2
C
从上到下卤族元素的单质状态从气态、液态到固态逐渐变化，且颜色逐渐加深，则砹是有色固体，A正确；同一主族元素，其非金属性随着原子序数增大而逐渐减小，所以非金属性强弱为At解析：
探究二 卤族元素化学性质的相似性和递变性
1826年法国的一位青年科学家波拉德在研究怎样从海藻中提取碘。他把海藻烧成灰，用热水浸取，再向水里通入氯气，这时就得到紫黑色的固体——碘的晶体。在提取碘后的母液底部沉有一层深褐色的液体，这种液体具有刺鼻的臭味。后来科学家把这种新元素称为“溴”。
[问题设计]
(1)请你写出波拉德获得溴、碘单质的离子方程式。
提示：Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－，Cl2＋2I－===I2＋2Cl－。
(2)你能从原子结构角度解释Cl－、Br－、I－的还原性逐渐增强的原因吗？
提示：Cl－、Br－、I－的电子层数逐渐增多，离子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的引力逐渐减弱，失去电子的能力逐渐增强，故Cl－、Br－、I－的还原性逐渐增强。
卤素的原子结构与化学性质的关系
[例2] 下列关于卤素(用X表示)的叙述正确的是　(　　)
A．从F2到I2，卤素单质的颜色随着相对分子质量的增大而加深
B．HX都极易溶于水，它们的酸性随核电荷数增加而逐渐减弱
C．卤素单质与水反应均可用X2＋H2O===HXO＋HX表示
D．X－的还原性强弱为F－A
从上到下，卤素单质的相对分子质量逐渐增大，单质的颜色逐渐加深，由F2到I2依次是淡黄绿色、黄绿色、深红棕色、紫黑色，A正确；卤族元素的氢化物都易溶于水，且从上到下，卤素对应氢化物的酸性逐渐增强，B错误；卤素单质中，氟气和水反应生成HF和氧气，不能用X2＋H2O===HXO＋HX表示，C错误；从上到下，卤素单质的氧化性逐渐减弱，对应阴离子的还原性逐渐增强，即F－HBrO4>HIO4，D错误。
解析：
2．下列关于F、Cl、Br、I的比较不正确的是(　　)
A．随核电荷数的增加，氢化物的稳定性增强
B．随核电荷数的增加，元素非金属性减弱
C．随核电荷数的增加，单质的颜色加深
D．随核电荷数的增加，原子半径增大
A
按照F、Cl、Br、I的顺序，卤素核电核数逐渐增加，它们的非金属性减弱，对应氢化物的稳定性逐渐减弱，A错误、B正确；F2、Cl2、Br2、I2的颜色分别是浅黄绿色、黄绿色、深红棕色和紫黑色，即其颜色逐渐加深，C正确；F、Cl、Br、I的原子核外电子层数随核电荷数的增加而增多，原子半径增大，D正确。
解析：
探究三 认识同主族元素性质的相似性和递变性
中国天宫空间站采用的砷化镓(GaAs)太阳能电
池板，是我国自主独立研发的，我国在砷化镓太阳
能电池研究方面处于全球领先水平。砷化镓是当前
最热门的基础材料研发方向，是大国必争的一个高科技领域，未来三结砷化镓电池板必然会成为航天器的主要电源材料。Ga与B、Al是同主族元素，位于元素周期表的第四周期。
[问题设计]
(1)根据Ga和B、Al元素在元素周期表中的位置，推测三种元素的金属性强弱。
提示：金属性强弱为B＜Al＜Ga。
(2)镓和铝的化学性质相似，试写出镓单质与稀盐酸、NaOH溶液反应的化学方程式。
提示：2Ga＋6HCl===2GaCl3＋3H2↑、
2Ga＋2NaOH＋6H2O===2Na[Ga(OH)4]＋3H2↑。
1．同主族元素的性质与原子结构的关系
2．同主族元素的原子结构与元素性质的递变规律
原子结构或元素性质 递变规律(从上到下)
原子结构 电子层数 逐渐增多
原子半径 逐渐增大
元素性质 金属性 逐渐增强
非金属性 逐渐减弱
单质性质 还原性 逐渐增强
氧化性 逐渐减弱
原子结构或元素性质 递变规律(从上到下)
氢化物 稳定性 逐渐减弱
还原性 逐渐增强
最高价氧化物
的水化物 碱性 逐渐增强
酸性 逐渐减弱
[例3] 已知铍(Be)的原子序数为4，与镁处于同主族。下列对铍及其化合物的叙述正确的是(　　)
A．铍的原子半径大于镁的原子半径
B．与0.01 mol/L盐酸反应，镁比铍反应更剧烈
C．氢氧化铍的碱性比氢氧化钙的强
D．铍能从MgCl2溶液中置换出镁
B
Be和Mg处于同主族，Mg位于Be的下一周期，则Be的原子半径小于Mg，A错误；Mg的金属性强于Be，与0.01 mol/L盐酸反应，Mg反应更剧烈，B正确；Be的金属性比Ca弱，则氢氧化铍的碱性比氢氧化钙的弱，C错误；Be的活动性比Mg弱，不能与MgCl2发生置换反应，D错误。
解析：
3．科学家预测原子序数为114的元素具有相当稳定的同位素，它位于第七周期ⅣA族，称为“类铅”。下列关于它的性质预测错误的是(　　)
A．它的最外层有4个电子
B．它在化合物中可能为＋2价或＋4价
C．它的金属性比铅强
D．金属铜能从114号元素的硝酸盐溶液中置换出114号元素的单质
D
已知原子序数为114的元素具有相当稳定的同位素，它位于第七周期第ⅣA族，铅的金属性强于铜，而类铅的金属性强于铅，所以类铅更活泼。它位于第ⅣA族，其最外层有4个电子，A正确；它为“类铅”元素，在化合物中可能为＋2价和＋4价，B正确；同主族中，原子序数越大金属性越强，它的金属性比铅强，C正确；铅的金属性强于铜，金属铜不能从114号元素的硝酸盐溶液中置换出114号元素的单质，D错误。
解析：
1．下列关于碱金属元素的原子结构和性质的叙述不正确的是
(　　 )
A．碱金属元素原子最外层都只有1个电子，在化学反应中容易失去最外层电子
B．都是强还原剂
C．都能在O2中燃烧生成过氧化物
D．都能与水反应生成强碱
C
解析：
2．借助碱金属和卤族元素的递变性分析下面的推断正确的是(　　)
A．已知Ca是第四周期第ⅡA族元素，故Ca(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性弱
B．已知As是第四周期第ⅤA族元素，故AsH3的稳定性比NH3的稳定性强
C．已知Cs的原子半径比Na的原子半径大，故Cs与水反应比Na与水反应剧烈
D．已知Cl的核电荷数比F的核电荷数多，故Cl的原子半径比F的原子半径小
C
解析：
由碱金属元素和卤族元素的递变性可知，同主族元素从上到下金属性递增，非金属性递减，对应的最高价氧化物的水化物的碱性逐渐增强，非金属气态氢化物的稳定性逐渐减弱，与水的反应更加剧烈，A、B错误，C正确；同主族元素随核电荷数增大，原子半径递增，D错误。
3．F、Cl和 Br 都是第ⅦA 族元素，下列关于这三种元素原子的说法正确的是(　　)
A．原子半径大小为F>Cl>Br
B．最外层电子数都相同
C．核外电子层数都相同
D．最外层电子数依次增多
B
电子层数越多，原子半径越大，则原子半径大小为F＜Cl＜Br，A错误；F、Cl和Br都是第ⅦA 族元素，原子最外层电子数均为7，B正确、D错误；F、Cl、Br的核外电子层数依次增多，原子半径逐渐增大，C错误。
解析：
4．已知：34Se(硒)与S为同族元素。下列说法不正确的是(　　)
A．硒元素位于周期表第四周期第ⅥA族
B．单质的沸点：Se>S
C．酸性：H2SeO4D．与氢气反应的剧烈程度：Se>S
D
S位于元素周期表第三周期第ⅥA族，34Se(硒)与S为同族元素，结合34Se的原子序数可知硒元素位于元素周期表第四周期第ⅥA族，A正确；同主族元素，随原子序数增大，单质的沸点依次升高，B正确；非金属性越强，其最高价氧化物对应水化物的酸性越强，非金属性S＞Se，酸性H2SeO4解析：
5．部分碱金属元素和卤族元素在元素周期表中的位置如下表所示。
周期 族
ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
1 ①
2 ② ⑤
3 ③ ⑥
4 ④ ⑦
结合以上信息回答下列问题。
(1)表中元素____________(填写元素符号，下同)的非金属性最强，元素__________的金属性最强，元素__________的单质在室温下呈液态。
(2)表中元素③的原子结构示意图是________________________。
(3)表中元素⑥、⑦氢化物的稳定性强弱为__________＞________(填写化学式，下同)。
(4)表中元素最高价氧化物的水化物酸性最强的酸的化学式为____________。
F
K
Br
HCl
HBr　
HClO4
(1)由元素周期表中同主族元素性质递变规律可知，表中F的非金属性最强，K的金属性最强，表中元素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⑥、⑦分别为Cl、Br，其非金属性的强弱为Cl＞Br，故氢化物的稳定性顺序为HCl＞HBr。
(4)F无正化合价，故表中元素最高价氧化物的水化物酸性最强的酸是HClO4。
解析：

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