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第1课时　原子结构与元素周期表
素养 目标定位
目标素养
1.能从原子价层电子数目和价层电子排布的角度解释元素周期表的分区、周期和族的划分。形成宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学学科核心素养
2.认识元素的原子半径、第一电离能、电负性等元素性质的周期性变化,知道原子核外电子排布呈周期性变化是导致元素性质周期性变化的原因。形成证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的化学学科核心素养
3.了解元素周期表、元素周期律的应用价值
知识概览
课前 基础认知
一、元素周期律、元素周期系和元素周期表
1.元素周期律:元素性质随 原子序数 递增而呈周期性变化的规律。
2.元素周期系:元素按其 原子序数 (即原子核电荷数)递增排列的序列。
3.元素周期表:呈现元素周期系的表格。
微提醒 元素周期系只有一个,元素周期表多种多样。阅读教材中的“科学史话”,了解三张有重要历史意义的周期表:门捷列夫周期表、维尔纳的特长式周期表、玻尔元素周期表。
二、构造原理与元素周期表
1.核外电子排布与周期的划分。
(1)核外电子排布与周期划分的本质联系:
第一周期从　1s1　开始,以　1s2　结束,其余各周期总是从　ns　开始,以　np　结束。
(2)规律:本周期的元素数=对应能级组最多能容纳的电子数。
微思考1教材书末的元素周期表共有几个周期 写出每个周期开始元素和结尾元素的最外层电子的排布通式。思考为什么第一周期结尾元素的电子排布跟其他周期不同
提示:现行元素周期表包含118种元素,共有7个周期。每个周期的开始元素基态原子最外层电子的排布通式为ns1,结尾元素的最外层电子的排布通式为ns2np6(第一周期为1s2)。因为第一周期只有1s一个能级,最多可容纳2个电子,而其他周期元素的最外层有ns、np两个能级,最多可排8个电子,所以第一周期结尾元素的电子排布跟其他周期不同。
2.核外电子排布与族的划分。
(1)族的划分依据:取决于基态原子的价层电子数目和价层电子排布。
(2)特点:在教材书末的元素周期表中,同族元素价层电子数相同,这是同族元素性质相似的结构基础。
第ⅠA族元素的基态原子价层电子排布式为 ns1 ;稀有气体元素的基态原子价层电子排布式为 ns2np6 (He为1s2)。
微训练1 1.某化学学习小组在学习元素周期表和周期的划分时提出了以下观点:①元素周期表的形成是由原子的结构决定的;②元素周期表中第ⅠA族元素统称为碱金属元素;③每一周期元素原子的价层电子排布均是从ns1开始至ns2np6结束;④元素周期表中每一周期元素的种类均相等;⑤基态原子核外电子排布为1s22s22p3和1s22s22p63s23p3的两元素的原子位于同一周期;⑥周期序数越大,该周期所含金属元素一般越多。其中正确的有　　(填序号)。
A.①⑥ B.①②③⑤⑥ C.①④⑥ D.②③⑤
答案:①⑥
2.具有以下结构的原子,一定属于主族元素的是(　　)。
A.最外层有一个电子的原子
B.最外层电子排布式为ns2的原子
C.最外层有3个未成对电子的原子
D.次外层无未成对电子的原子
答案:C
3.根据元素的金属性和非金属性分区。
元素周期表中的非金属三角区
在元素周期表中,大多数金属元素基态原子的最外层电子数比较少,一般不超过2个,占据周期表左下和中间的大部分区域,而非金属元素主要集中在周期表右上角三角区内。
微思考2为什么在元素周期表中非金属主要集中在右上角三角区内 为什么处于金属与非金属分界线附近的元素常被称为半金属或类金属
提示:这是由元素原子的价电子层结构和元素周期表中元素性质的递变规律决定的。在元素周期表中,同周期主族元素从左到右非金属性逐渐增强,金属性逐渐减弱;同主族元素从上到下非金属性逐渐减弱,金属性逐渐增强,结果使元素周期表左下方区域内的元素主要表现出金属性,右上角三角区域内的元素主要表现出非金属性。处于金属与非金属分界线附近的元素既能表现出一定的金属性,又能表现出一定的非金属性,故称为半金属或类金属。
4.根据核外电子排布对元素周期表的分区。
(1)按核外电子排布,把元素周期表里的元素划分成5个区,即
s、p、d、f、ds 区。
(2)元素周期表共有 16 个族,其中s区包括ⅠA、ⅡA 族,p区包括 ⅢA~ⅦA、0 族,d区包括 ⅢB~ⅦB、Ⅷ 族(镧系、锕系除外),ds区包括 ⅠB、ⅡB 族,f区包括 镧系、锕系 元素。
微判断
(1)s区元素都是金属元素,p区元素都是非金属元素。(　　)
(2)当某元素的 时,该元素是金属元素。(　　)
×
×
×
(3)s区和p区的元素都是主族元素。(　　)
微训练2写出下列价层电子排布所对应的元素在元素周期表中的位置和所属的区,并指明该元素属于金属元素还是非金属元素。
答案:①第四周期第ⅦA族　②第五周期第ⅡB族　
③第五周期第ⅠA族　④第四周期第Ⅷ族　⑤p　⑥ds　⑦s　⑧d　⑨非金属　⑩金属　 金属　 金属
5. 对角线规则。
在元素周期表中,某些主族元素与右下方的主族元素(如图)的有些性质是相似的,被称为对角线规则。例如:
(1)锂和镁在过量氧气中燃烧都生成普通氧化物,产物的化学式分别为 Li2O 、MgO 。
(2)铍和铝的氧化物、氢氧化物都有两性。写出氢氧化铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式:
Al(OH)3+NaOH=== Na[Al(OH)4] 。
(3)硼和硅的最高价氧化物对应的水化物都是弱酸。
课堂 重难突破
问题探究
元素的存在与原子结构的稳定性有关,特别是与原子核的稳定性有关。人们发现,从钋(原子序数84)之后的元素都是放射性元素,从镅(原子序数95)之后的元素都是用人工方法合成的元素。物理学家根据原子核结构理论计算,认为周期系最后可能出现的元素是原子序数为175的元素。目前已完成第七周期(0族元素的原子序数为118),在未来的第八、第九周期中,原子中的电子依次填充新的能级5g和6g。依照已有的填充规律,可以推知g能级最多能容纳18个电子。
能级 s p d f g
电子数 2 6 10 14 18
(1)根据材料信息可以推测,第八、第九周期排满后将各有多少种元素
提示:第八、第九周期都排满后将比第七周期各增加18种元素,达到50种元素,是超长周期。
(2)在这两个周期里,“超锕系”和“新超锕系”各有多少种元素
提示:“超锕系”和“新超锕系”为5g~6f和6g~7f内过渡系,比锕系各增加18种元素,即各有33种元素。
(3)预测119号元素在元素周期表中的位置及其性质。
提示:119号元素位于第八周期第ⅠA族,属于碱金属元素,具有碱金属元素的通性,且金属性强于其他的碱金属元素。
归纳总结
1.元素周期系的形成。
2.核外电子排布与周期的划分。
根据构造原理,将能量相近的能级分为一组,按能量由低到高可分为七个能级组,同一能级组内,各能级能量相差较小,各能级组之间能量相差较大。
(1)每一个能级组对应一个周期。
(2)周期、能级组、元素数目的对应关系:
周期 对应能级组 对应能级组最多能容纳的电子数 周期中所含
元素的数目
一 1s 2 2
二 2s、2p 8 8
三 3s、3p 8 8
四 4s、3d、4p 18 18
五 5s、4d、5p 18 18
六 6s、4f、5d、6p 32 32
七 7s、5f、6d、7p 32 32
3.核外电子排布与族的划分。
(1)主族元素基态原子的最外层电子数=该元素在元素周期表中的主族序数。
族序数 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
最外层电
子排布式 ns1 ns2 ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5
列数 1 2 13 14 15 16 17
最外层电子数目 1 2 3 4 5 6 7
同主族元素基态原子的最外层电子数完全相同,全部排布在ns或ns、np能级上。
(2)稀有气体元素基态原子的最外层电子排布为1s2或ns2np6。
(3)过渡元素(除镧系、锕系、第Ⅷ族元素外,以第四周期为例)。
副族元素 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 29Cu 30Zn
族序数 ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB ⅠB ⅡB
价层电子排
布式 3d14s2 3d24s2 3d34s2 3d54s1 3d54s2 3d104s1 3d104s2
价电子数目 3 4 5 6 7 — —
过渡元素(镧系、锕系除外)同一纵列原子的价层电子数相同,ⅢB~ⅦB族元素原子的价电子数与族序数相同,第ⅠB、ⅡB族和第Ⅷ族元素的价电子数与族序数不相同,但第ⅠB、ⅡB族元素基态原子的最外层电子数与族序数相同;第Ⅷ族元素的价电子数与其纵列序数相同。
(4)价层电子排布与元素的最高正化合价的关系。
①当主族元素原子失去(或偏离)全部价电子后,表现出该元素的最高化合价,最高正化合价=主族序数(O、F除外)。
②第ⅢB~ⅦB族元素的原子可失去ns和(n-1)d轨道上的全部电子,所以最高正化合价=族序数。
③第Ⅷ族元素原子可失去最外层的s电子和次外层的部分(n-1)d电子,所以最高正化合价一般低于族序数(8),只有Ru和Os可表现+8价。
④第ⅠB族元素原子可失去ns1电子和部分(n-1)d电子,所以第ⅠB族的族序数<最高正化合价,第ⅡB族元素原子只失去ns2电子,族序数=最高正化合价。
典型例题
【例1】 价层电子排布式为5s25p3的元素是(　　)。
A.第五周期第ⅢA族 B.51号元素
C.非金属元素 D.Te
答案:B
解析:5s25p3,5指的是能层数,即属于第五周期,价层电子一般指的是最外层电子数,主族元素所在族序数等于最外层电子数,即属于第ⅤA族元素,属于主族元素,又因为最后一个电子填充在p能级上,按照核外电子排布的规律,推出此元素是51号金属元素锑(Sb),B项正确。
【例2】 某元素的原子序数为29,请回答下列问题。
(1)此元素原子的电子总数是　　　。
(2)此元素基态原子有　　　个能层,有　　　个能级。
(3)此元素基态原子的价层电子排布式是　　　　　　　。
(4)此元素位于第　　　周期第　　族。
(5)此元素基态原子有　　个未成对电子。
答案:(1)29　(2)4　7　(3)3d104s1　(4)四　ⅠB　(5)1
解析:根据核外电子排布原理,该元素基态原子的电子排布式应为1s22s22p63s23p63d104s1,共有29个电子,故为Cu元素。从核外电子排布式中可以得出n=4,有4个能层,所以为第四周期元素,有7个能级,价层电子排布式为3d104s1,位于第ⅠB族。价层电子的轨道表示式为 ,有1个未成对电子。
规律总结
最外层电子排布与元素周期表的关系。
(1)原子的能层数=能级中最高能层的序数=周期序数(Pd除外)。 (2)主族元素基态原子的最外层电子数=主族序数。
问题探究
仔细观察元素周期表片段,回答下列问题。
(1)Fe位于元素周期表中的哪个区 写出Fe2+、Fe3+的电子排布式,并判断两种离子哪种更稳定。
提示:Fe位于d区。Fe2+、Fe3+的电子排布式分别为1s22s22p63s23p63d6、1s22s22p63s23p63d5。由离子的电子排布式可知Fe3+的3d轨道“半充满”,其稳定性强于Fe2+。
(2)Zn位于元素周期表中的哪个区 在化合物中Zn为什么只显示+2价
提示:Zn位于ds区,Zn的基态原子的价层电子排布为3d104s2,失去最外层的4s能级的2个电子后,形成稳定的全充满状态3d10,所以只表现+2价。
(3)为什么s区(除氢元素)、d区和ds区的元素都是金属元素
提示:s区(除氢元素)、d区和ds区的元素原子最外层电子数为1~2个(Pd除外),在反应中易失去电子,故都是金属元素。
归纳总结
1.根据核外电子的排布分区。
按照核外电子排布,可把元素周期表划分为5个区,一般来说,按构造原理最后填入电子的能级符号来命名s、p、d、f 4个区,而第ⅠB族、第ⅡB族这两个纵列元素的核外电子可理解为先填满了(n-1)d能级而后再填充ns能级而得名ds区。5个区的位置关系如下图所示:
元素周期表的分区
2.元素周期表中族和分区的关系。
(1)主族:s区和p区。(ns+np)的电子数=族序数。
(2)0族:p区。(ns+np)的电子数=8(He为2)。
(3)副族:d区、ds区和f区。
①d区(第Ⅷ族除外)中[(n-1)d+ns]的电子数=族序数。
②ds区中(n-1)d的电子数为10,ns的电子数=族序数。
3.各区元素的位置、价层电子排布、元素种类及性质特点之间的关系。
分区 元素的位置 价层电子排布 元素种类及性质特点
s区 ⅠA族、
ⅡA族 ns1~2 价层电子最后排布在ns能级上,属于活泼金属
(氢除外)
p区 ⅢA~ⅦA族及0族元素 ns2np1~6(He为1s2) 价层电子最后排布在np能级上,为非金属元素、稀有气体元素或金属元素(少数)
分区 元素的位置 价层电子排布 元素种类及性质特点
d区 ⅢB~ⅦB族(镧系、锕系除外)、Ⅷ族 (n-1)d1~9ns1~2 (Pd为4d10) 价层电子最后排布在
(n-1)d能级上,为过渡金属元素
ds区 ⅠB族、ⅡB族 (n-1)d10ns1~2 可理解为价层电子先填满(n-1)d能级,而后再填充ns能级,为过渡金属元素
f区 镧系和锕系元素 (n-2)f0~14(n-1) d0~2ns2 镧系元素化学性质相近;锕系元素化学性质相近
典型例题
【例3】 已知某基态原子的电子排布式为
1s22s22p63s23p63d84s2,该元素在元素周期表中的位置和区分别是(　　)。
A.第四周期第ⅡB族,s区
B.第四周期第ⅧB族,d区
C.第四周期第Ⅷ族,d区
D.第四周期第Ⅷ族,ds区
答案:C
解析:由原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2可知共有4个电子层,为第四周期元素,价层电子排布式为3d84s2,为d区元素,位于第四周期第Ⅷ族,故选C。
【例4】已知某些元素在元素周期表中的位置如图所示:
答案:D
下列说法正确的是(　　)。
A.表中五种元素位于5个不同的区
B.元素4的基态原子的价层电子排布式为3d104s2,与它具有相同最外层电子数的元素只可能处于ds区
C.元素1、2、3的基态原子中,未成对电子数之比为1∶3∶5
D.元素5的原子结构示意图为 ,其属于半金属
解析:元素2和元素5均位于p区,A项错误。元素4为Zn,其基态原子的价层电子排布式为3d104s2,最外层电子数为2的元素还包括s区的Be、Mg等,d区的Ti、Mn、Fe等,p区的He,B项错误。元素1、2、3分别是H、O、Mn,它们的基态原子的价层电子排布式分别为1s1、2s22p4、3d54s2,故其未成对电子数之比为1∶2∶5,C项错误。元素5位于第四周期第ⅣA族,原子结构示意图正确,由于其周期序数等于主族序数,故为半金属,D项正确。
易错提醒

(1)He最后填入的是s电子,但He位于p区。 (2)过渡元素包括位于d区、ds区和f区的所有元素,都属于金属元素。 (3)元素周期表中,d区元素基态原子的价电子数与其族序数相等(第Ⅷ族元素基态原子的价电子数与对应纵列序数相同);ds区元素基态原子的最外层电子数与其族序数相等。
成果验收站
1.已知某元素+2价离子的电子排布式为1s22s22p63s23p6,该元素在元素周期表中位于(　　)。　　
A.第ⅤB族 B.第ⅡB族
C.第Ⅷ族 D.第ⅡA族
答案:D
2.下列说法不正确的是(　　)。
A.元素原子的核外电子排布呈现周期性变化是形成元素周期系的根本原因
B.周期序数越大,该周期所含金属元素越多
C.所有区的名称均来自按构造原理最后填入电子的能级符号
D.教材书末的元素周期表共18个纵列,可分为五个区,即s区、d区、ds区、p区、f区
答案:C
3.闪烁着银白色光泽的金属钛(22Ti)因具有密度小、强度大、无磁性等优良的机械性能,被广泛地应用于军事、医学等领域,号称“崛起的第三金属”。已知钛有48Ti、49Ti、50Ti等核素,下列关于金属钛的叙述中不正确的是(　　)。
A.上述钛原子中,中子数不可能为22
B.钛元素在元素周期表中位于第四周期
C.钛的不同同位素在元素周期表中位于不同的位置
D.钛元素是d区的过渡元素
答案:C
4.元素的分区以及元素在周期表中的位置与元素原子的结构密不可分。下列说法正确的是(　　)。
A.所有非金属元素都分布在p区
B.最后一个电子填入s能级的元素一定在s区
C.元素周期表中ⅢB族~ⅡB族10个纵列的元素都是金属元素
D.所有半金属都是金属元素,分布在p区
答案:C
5.下列关于原子核外电子排布与元素在周期表中位置关系的说法正确的是(　　)。
A.原子的价层电子排布式为ns2np1~6的元素一定是主族元素
B.基态原子的p能级上有4个电子的元素一定是第ⅥA族元素
C.原子的价层电子排布式为(n-1)d6~8ns2的元素属于ds区元素
D.基态原子的N层上有两个电子的元素一定是主族元素
答案:B
6.下列有关元素周期表分区的说法错误的是(　　)。
A.p区不包含副族元素
B.第五周期有15种f区元素
C.d区、ds区均不存在非金属元素
D.s区所有元素的p能级电子均为全充满或全空状态
答案:B
7.具有以下结构的原子一定属于p区元素的是(　　)。
①最外层有3个电子的原子　
②最外层电子排布式为ns2的原子　
③最外层有3个未成对电子的原子　
④最外层电子形成全充满结构的原子
A.②③ B.①③
C.②④ D.①④
答案:B
8.下列关于原子结构及元素周期表的说法错误的是(　　)。
A.第ⅡA族基态原子最外层电子排布均为ns2
B.第三、四周期同主族元素的原子序数均相差8
C.第四周期第ⅡA族与第ⅢA族元素的原子序数相差11
D.除第一周期外,其余各周期的原子核外电子排布总是从ns开始,以np结束
答案:B
9.镁、锂在元素周期表中具有特殊“对角线”关系,它们的性质相似。下列有关锂的性质的叙述正确的是(　　)。
A.Li在氧气中燃烧生成Li2O2
B.Li与N2反应生成Li3N
C.Li2CO3易溶于水
D.Li2CO3受热很难分解
答案:B
10.在研究原子核外电子排布与元素周期表的关系时,人们发现价层电子排布相似的元素集中在一起。据此,人们将元素周期表分为五个区,如图所示。
(1)在s区中,族序数最大、原子序数最小的元素,基态原子的价层电子的电子云形状为　　　。
(2)在d区中,族序数最大、原子序数最小的元素,常见基态离子的电子排布式为　　　　　　　　　　　　　　　,其中较稳定的是　　　　(填离子符号)。
(3)在ds区中,族序数最大、原子序数最小的元素,基态原子的价层电子排布式为　　　　　　。
(4)在p区中,第二周期第ⅤA族元素基态原子价层电子的轨道表示式为　　　　　　　　　。
(5)当今常用于核能开发的元素是铀和钚,它们在　　　区中。
答案:(1)球形
(2)Fe2+:1s22s22p63s23p63d6,Fe3+:1s22s22p63s23p63d5　Fe3+
(3)3d104s2
(4)
(5)f

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