元素周期律和元素周期表.doc

化学竞赛专题五元素周期律和元素周期表一、.教材精讲一、原子核外电子排布1核外电子运动状态的具体化描述核外电子的运动状态原子轨道（轨道）电子的自旋状态能层（电子层）能级（电子亚层）空间伸展方向主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数ms核外电子的运动状态，由能层、能级、电子云的空间伸展方向、电子的自旋状态四个方面来描述，换言之，用原子轨道（或轨道）和电子的自旋状态来描述。能层（电子层、用主量子数n表示）：按核外电子能量的高低及离核平均距离的远近，把核外电子的运动区域分为不同的能层（电子层）。目前n的取值为1、2、3、4、5、6、7，对应的符号是英文字母K、L、M、N、O、P、Q。一般地说：n值越大，电子离核的平均距离越远、能量越高，即E(n=1)E(n=2)E(n=3)E(n=4)。能级（电子亚层、用角量子数l表示）：在多电子原子中，同一能层（电子层）的电子，能量也可能不同，还可以把它们分为不同的能级或电子亚层（因为这些不同的能量状态的能量是不连续的，像楼梯的台阶一样，因为称为能级）。用角量子数l来描述这些不同的能量状态。对于确定的n值，角量子数l的取值有n个：0、1、2、3、（n-1），分别用s、p、d、f表示。E(ns)E(np)E(nd)E(nf) 。电子云的空间伸展方向（用磁量子数m表示）：对于确定的能层和能级（n、l已知），能级的能量相同，但电子云在空间的伸展方向不一定相同，每一个空间伸展方向称为一个轨道，用磁量子数m来描述。不同能层的相同能级，其空间伸展方向数相同，即轨道数相同。S能级（亚层）是球形，只有1个伸展方向；p能级（亚层）是亚铃形，有3个伸展方向（三维坐标的三个方向）；d、f能级（亚层）形状比较复杂，分别有5、7个伸展方向。原子轨道（或轨道）：电子在原子核外出现的空间区域，称为原子轨道。在量子力学中，由能层（电子层、主量子数n）、能级（电子亚层、角量子数l）和电子云的空间伸展方向（磁量子数m）来共同描述。由于原子轨道由n、l、m决定，由此可以推算出：s、p、d、f能级（亚层）分别有1、3、5、7个轨道；n=1、2、3、4、时，其对应电子层包含的轨道数分别为1、4、9、16，即对于主量子数为n的电子层，其轨道数为n2。1s2s3s4s5s6s7s2p3p4p5p6p7p3d4d5d6d7d4f5f6f7f起点电子的自旋状态：电子只有顺时针和逆时针两种自旋方向，用自旋量子数ms表示。二、原子核外电子排布1构造原理构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按右图顺序填入核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。能级交错：由构造原理可知，电子先进入4s轨道，后进入3d轨道，这种现象叫能级交错。说明：构造原理并不是说4s能级比3d能级能量低（实际上4s能级比3d能级能量高），而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低。也就是说，整个原子的能量不能机械地看做是各电子所处轨道的能量之和。2能量最低原理现代物质结构理论证实，原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低，而不局限于某个能级。3泡利原理和洪特规则泡利（不相容）原理：基态多电子原子中，不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。换言之，一个轨道里最多只能容纳两个电子，且电旋方向相反（用“”表示），这个原理称为泡利（Pauli）原理。洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特（Hund）规则。比如，p3的轨道式为或，而不是。洪特规则特例：当p、d、f轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于较稳定的状态。即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14时，是较稳定状态。前36号元素中，全空状态的有4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。4核外电子排布的一般规则 每个电子层（主量子数为n）所能容纳的电子数最多为2n2个（泡利原理）。原子最外层电子数目不能超过8个（K层为最外层时不能超过2个）；能级交错。原子次外层电子数目不能超过18个（K层为次外层时不能超过2个）。能级交错。5核外电子排布的表示方法原子结构简（示意）图： 圆圈内数字表示质子数，弧线表示能层（电子层），弧线内数字表示该能层（电子层）中的电子数。如镁原子的原子结构简图为（见右图）：电子排布式：在能级符号的右上方用数字表示该能级上排布的电子数目的式子。有原子的电子排布式、原子最外层的电子排布式、离子的电子排布式等不同的用法。例如，氯原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5；氯离子Cl-的电子排布式为1s22s22p63s23p6；氯原子最外层的电子排布式3s23p5。为避免电子结构过长，通常把内层已达到稀有气体的电子层写成“原子芯”（原子实），并以稀有气体符号加方括号表示。例如： 氯 Ne3s23p5 钪 Ar 3d14s2轨道表示式：表示电子所处轨道及自旋状态的式子。如7N的轨道表示式为 1s 2s 2p 三.元素周期表及其结构1元素周期表：电子层数相同的元素按原子序数递增的顺序从左到右排成横行；最外层电子数相同的元素按电子层数递增的顺序从上到下排成纵行，得到的表叫元素周期表。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律。2元素周期表的结构周期：具有相同的电子层数的元素按原子序数递增的顺序排列成的横行叫周期。长式周期表有 7 个周期：1、2、3 周期为 短周期 ；4、5、6周期为 长周期 ；7为 不完全周期 。目前17周期元素数目分别为2、8、8、18、18、32、26。周期序数 = 电子层数。族：最外层电子数相同的元素按电子层数递增的顺序排成的纵行叫族（除8、9、10列）。长式元素周期表有 18 纵行，分为 16 个族。主族：由短周期元素和长周期元素共同构成的族。用族序数后加字母A表示。7个。副族：完全由长周期元素构成的族。用族序数（罗马数字）后加字母B表示。7个。第族：第 8、9、10 纵行。 0族：第 18 列 稀有气体 元素。镧系元素：周期表中行6，列3的位置，共15种元素。锕系元素：周期表中行7，列3的位置，共15种元素。均为放射性元素过渡元素：第族加全部副族共六十多种元素的通称，因都是金属，又叫过渡金属。元素周期表的分区s区：特征电子排布ns12 。p区：特征电子排布ns2np16。s区、p区元素均为主族元素，其价电子数（特征电子数）=主族族序数。d区：特征电子排布(n-1)d110ns12。d区均为金属元素，其价电子数（特征电子数）= 副族族序数。ds区: 特征电子排布(n-1)d10ns12。均为金属元素，其最外层电子数=副族族序数。S四.元素周期律及其实质1定义：元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性变化的规律叫做元素周期律。2实质：是元素原子的核外电子排布的周期性变化的必然结果。核外电子排布的周期性变化，决定了元素原子半径、最外层电子数出现周期性变化，进而影响元素的性质出现周期性变化（见本考点“三、2原子结构与元素性质的关系”）。3具体实例：以第3周期或第VIIA族为例，随着原子序数的递增元素性质同周期元素（左右）同主族元素（上下）最外层电子数逐渐增多（1e8e）相同原子半径逐渐减小（稀有气体最大）逐渐增大主要化合价最高正价：+1+7；最低负价 -4 -1；最低负价主族序数8最高正价相同；最低负价相同（除F、O外）最高正价主族序数第一电离能呈增大的趋势呈减小趋势电负性电负性逐渐增大电负性逐渐减小得失电子能力失能减；得能增。失能增；得能减。元素的金属性和非金属性金属性逐渐减弱；非金属性逐渐增强。金属性逐渐增强；非金属性逐渐减弱。最高价氧化物对应水化物的酸碱性碱性逐渐减弱；酸性逐渐增强。碱性逐渐增强；酸性逐渐减弱。非金属气态氢化物稳定性逐渐增强逐渐减弱注意：元素各项性质的周期性变化不是简单的重复，而是在新的发展的基础上重复。随着原子序数的增大，元素间性质的差异也在逐渐增大，并且由量变引起质变。4电离能概念电离能：气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最少能量，叫做电离能。常用符号I表示，单位：kJ/mol。电离能大小反映了原子（或离子）失去电子的难易程度。电离能越小，原子（或离子）越易失去电子。第一电离能： 气态 电中性 基态 原子 失去 一个电子 转化为 气态 基态正离子 所需要的最低能量叫做第一电离能(用I1表示)。第二电离能： 气态 +1价 正离子 再失去一个电子所需能量称为第二电离能。依次类推。性质及用途同一种元素的逐级电离能的大小关系：I1I2I3I4Ba(OH)2；气态氢化物稳定性：CH4SiH4 。比较同周期元素及其化合物的性质。如：酸性：HClO4H2SO4；稳定性：HClH2S。比较不同周期、不同主族元素性质时，要找出参照物。例如：比较氢氧化镁和氢氧化钾的碱性，可以把氢氧化钠作为参照物得出氢氧化钾的碱性强于氢氧化镁。推断一些未学过的元素的某些性质。如：根据A族的Ca(OH)2微溶，Mg(OH)2难溶，可以推知Be(OH)2更难溶。启发人们在一定范围内寻找某些物质半导体元素在分区线附近，如：Si、Ge、Ga等。农药中常用元素在右上方，如：F、Cl、S、P、As等。催化剂和耐高温、耐腐蚀合金材料、主要在过渡元素中找。如：Fe、Ni、Rh、Pt、Pd等。四.元素的金属性或非金属性强弱的判断1元素金属性强弱比较方法与水（或非氧化性酸）反应置换氢的难易。越易，金属性越强。最高价氧化物的水化物碱性强弱。越强，金属性越强。互相置换反应(金属活动性顺序表)。金属性较强的金属可以把金属性较弱的金属从其盐溶液中置换出来。注意，较活泼的金属不能活泼到和盐溶液中的水反应。单质的还原性或离子的氧化性（电解中在阴极上得电子的先后）。一般地来说，阳离子氧化性越弱，电解中在阴极上越难得电子，对应金属元素的金属性越强。原电池反应中正负极。负极金属的金属性强于正极金属。一般来说，元素第一电离能越小，电负性越小，则其金属性越强。金属活动性顺序：KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu2元素非金属性强弱比较方法与H2化合的难易及氢化物的稳定性。越易化合、氢化物越稳定，则非金属性越强。最高价氧化物的水化物酸性强弱。酸性越强，则非金属性越强。单质的氧化性或离子的还原性。阴离子还原性越弱，则非金属性越强。互相置换反应。非金属性强的元素可以把非金属性弱的元素从其盐中置换出来。一般来说元素第一电离能越大，电负性越大，其非金属性越强。五、微粒（原子及离子）半径大小比较规律影响原子（或离子）半径大小的因素电子层数越多，半径越大； 电子层数相同时，核电荷数越大，半径越小。具体规律同主族元素的原子半径（或离子半径）随核电荷数的增大而增大。如：F-Cl-Br-I-；LiNaKRbMgAlSiPSCl。电子层结构相同的离子半径随核电荷数的增大而减小。如：F- Na+Mg2+Al3+。同种元素的微粒半径：阳离子原子Fe2+Fe3+。稀有气体元素的原子半径大于同周期元素原子半径（测量方法不同）。五、.典型例题例1.同周期的X、Y、Z三种元素，已知其氢化物分别为XH3、H2Y、HZ，则下列判断正确的是A原子半径 Z Y X BZ的非金属性最强C氢化物还原性XH3 H2Y HZ，稳定性XH3 H2Y HZD最高氧化物对应水化物H3XO4酸性最强【解析】由氢化物中X、Y、Z三种元素的负化合价可知，三种元素分别位于VA、VIA、VIIA族，又知是同周期元素，故X、Y、Z三种元素非金属性逐渐增强，原子半径逐渐减小。答案：B例2.（2006江苏，9）X、Y、Z是3种短周期元素，其中X、Y位于同一族，Y、Z处于同一周期，X原子的最外层电子数是其电子层数的3倍，Z原子的核外电子数比Y原子少1。下列说法正确的是A元素非金属性由弱到强的顺序为ZYXBY元素最高价氧化物对应水化物的化学式可表示为H3YO4 C3种元素的气态氢化物中，Z的气态氢化物最稳定D原子半径由大到小的顺序为ZYX【解析】由X原子的电子层结构推知X为氧，由于X、Y属同主族短周期元素，所以Y为硫。又因Z与Y同周期，且核外电子数比Y少1，故Z为磷。同三者在周期表中的位置关系，结合元素周期律，很容易找到答案。答案：AD例3.（2006重庆理综，29）X、Y、Z、W是原子序数依次增大的短周期元素，且互不同族；其中只有两种为金属。X原子的最外层电子数与次外层电子数相等；X与W、Y与Z这两对原子的最外层电子数之和均为9。单质Y和W都可与浓的NaOH溶液反应。请回答下列问题：Y、Z、W的原子半径由小到大的顺序是（用元素符号做答） 。ZW2的电子式是 ；它在常温下呈液态，形成晶体时，属于 晶体。工业生产单质Y的原理是（用化学方程式表示） 。X与Y化学性质相似，则X与浓NaOH溶液反应的化学方程式是 。0.1 mol 的单质W与50mL 1.5 mol/L的FeBr2溶液反应，则被氧化的Fe2+与Br-的物质的量之比是 。【解析】X原子的最外层电子数与次外层电子数相等，短周期元素中符合此点的只有铍4Be；又因X与W、Y与Z的最外层电子数之和均为9，所以W的最外层电子数为7；又因X、Y化学性质相似，根据周期表中“对角线”规则，推知Y为铝13Al；则Z的最外层电子数为6；再根据X、Y、Z、W原子序数依次增大最后确定Z为硫16S，W为氯17Cl。电解答案： （同周期元素）ClSAl 分子（晶体）2Al2O3(熔融) 4Al + 3O2 Be + 2NaOH = Na2BeO2 + H2 35例4.已知118元素的离子 aW3+、bX+、cY2-、dZ- 都具有相同的电子层结构。下列关系正确的是A质子数cd B离子的还原性Y2-Z- C氢化物的稳定性H2YHZ D原子半径XW【解析】因为四种离子的电子层结构相同，所以质子数a、b、c、d的大小关系是abdc，A错；W和X为同周期金属元素，原子半径XW，D错；Y和Z为同周期非金属元素，Z氧化性强于Y，所以氢化物稳定性HZH2Y，C错。答案：B。例5设想你去某外星球做了一次科学考察，采集了该星球上十种元素单质的样品，为了确定这些元素的相对位置以便系统地进行研究，你设计了一些实验并得到下列结果： 单质ABCDEFGHIJ熔点（-150550160210-50370450300260250与水反应与酸反应与氧气反应不发生化学反应相对于A元素的原子质量1.08.015.617.123.831.820.029.63.918.0按照元素性质的周期递变规律，试确定以上十种元素的相对位置，并填入下表：ABH【解析】题给表格中提供了三方面信息： 相对原子质量 单质熔点 单质化学性质。由相对质量确定各元素原子序数递增的顺序，此为不能违背的根本原则；由知不发生化学反应的AE为稀有气体，再根据相对质量或熔点确定E在A下边；由知化学性质BFGH、DJ、CI分别相似，应该在相邻的位置，再结合相对质量，确定它们的具体位置。答案：AIBCDJGEHF六、跟踪训练一、选择题（本题有5个小题，每小题只有一个选项是正确的）1（在周期表中，第三、四、五、六周期元素的数目分别是A8、18、32、32 B8、18、18、32 C8、18、18、18 D8、8、18、182几种短周期元素的原子半径及主要化合价见下表： 元素符号ABCDE原子半径(nm)0.1600.080X0.1430.074主要化合价+2+2-2,+4,+6+3-2则X可能的数值为 A0.069 B0.102 C0.145 D0.1843下列叙述正确的是A原子半径总是由大到小，到稀有气体元素时半径突然增大，呈周期性变化B.A族所有元素的金属性比A族元素的金属性都强C主族元素的单质与水反应都可表示为X2+H2O=HX+HXOD最高价含氧酸的酸性最强的元素位于周期表最右上方E所有非金属的最高正化合价和它的负化合价的绝对值之和等于84某元素的电离能(电子伏特)如下表，此元素位于元素周期表的族数是I1I2I3I4I5I6I714.529.647.477.597.9551.9666.8A. A B.A C.A D.A E. A5R、W、X、Y、Z为原子序数依次递增的同一短周期的元素，下列说法一定正确的是(m、n均为正整数)A若R(OH)n为强碱，则W(OH)n+1也为强碱 B若HnXOm为强酸，则Y是活泼非金属元素C若Y的最低化合价为-2，则Z的最高正化合价为+6D若X的最高正化合价为+5，则五种元素都是非金属元素二、选择题（本题有10个小题，每小题有12个选项是正确的）6下列关于元素周期律和元素周期表的论述中正确的是A元素周期律是指元素的性质随着相对原子质量的递增而呈周期性变化的规律B元素周期表是元素周期律的具体表现形式C元素的性质呈现周期性变化的根本原因是元素原子的核外电子排布呈周期性D难失电子的元素一定难得电子7同一主族的两种元素的原子序数之差不可能是A16 B26 C36 D468下列叙述正确的是A同一主族的元素，原子半径越大，其单质的熔点一定越高B同一周期元素的原子，半径越小越容易失去电子C同一主族元素的氢化物，相对分子质量越大，它的沸点一定越高D稀有气体元素的原子序数越大，其单质的沸点一定越高9（2006天津理综，9）下列说法正确的是AIA族元素的金属性比IIA族元素的金属性强BVIA族元素的氢化物中，稳定性最好的其沸点也最高C同周期非金属氧化物对应的水化物的酸性从左到右依次增强D第三周期元素的离子半径从左到右逐渐减小10（2005广东）短周期元素X、Y的原子序数相差2，下列有关叙述正确的是AX与Y不可能位于同一主族 BX与Y一定位于同一周期CX与Y可能形成共价化合物XY DX与Y可能形成离子化合物XY11已知铍（Be）的原子序数为4，下列对铍及其化合物的叙述中正确的是ABe(OH)2可能具有两性 B氯化铍中铍原子的最外层电子数是8个C氢氧化铍的碱性比氢氧钙弱 D单质铍可和冷水剧烈反应产生氢气12据国外有关资料报道，在独居石（一种共生矿，化学成分为Ge, La, Nb,的磷酸盐）中，查明尚有未命名的116、124、126号元素。试判断，116号元素应位于周期表中的A第6周期A族 B第7周期A族 C第7周期族 D第8周期A族13有两种短周期元素X和Y，可组成化合物XY3，当Y的原子序数为m时，X的原子序数为 m-4 m+4 m+8 m-2 m+6。其中正确的组合是A只有 B只有 C D14 X、Y、Z均为短周期元素，它们的原子核外最外层电子数分别为1、6、6。Z位于Y的上一周期，则这三种元素形成的某种化合物的化学式可能为AX2YZ4 BXY2Z3 CX3YZ4 DX2YZ3 15.第IIA族元素R的单质及其相应氧化物的混合物12g，加足量水经完全反应后蒸干，得固体16g，试推测该元素可能为AMg BCa CSr DBa三、实验题16在元素周期表中，同一主族元素化学性质相似。目前也发现有些元素的化学性质和它在周期表中左上方或右下方的另一主族的元素性质相似，称为对角线规则。据此回答：锂在空气中燃烧，除生成 外，也生成微量的 （用化学式做答）。铍的最高价氧化物对应的水化物的化学式是 ，它属于两性氧化物，可以证明这一结论的离子方程式是 ； 。已知反应 Be2C + 4H2O = 2Be(OH)2 + CH4，则Al4C3遇足量强碱溶液反应的离子方程式为 。科学家证实，BeCl2属于共价化合物，设计一个简单实验证明这一点，你想到的可行的方法是 。17下表是元素周期表的一部分，回答下列有关问题：写出下列元素符号： ， ， ， 。在这些元素中，最活泼的金属元素是 ，最活泼的非金属元素是 ，最不活泼的元素是 （用元素符号做答）。在这些元素的最高价氧化物对应水化物中，酸性最强的是（填化学式） ，碱性最强的是 ，呈两性的氢氧化物是，写出三者之间相互反应的化学方程式： ； ； 。在这些元素中，原子半径最小的是（填元素符号） ，原子半径最大的是 。在与中，化学性质较活泼的是（填元素名称） ，设计两个原理不同的简单实验（只要写出实验方案即可），用化学实验证明。方案一： ；方案二： 。在与 中，化学性质较活泼的是 ，写出可以验证该结论的一个离子反应方程式 。四、填空题18 X、Y、Z和W代表原子序数依次增大的四种短周期元素，它们满足以下条件： 元素周期表中，Z与Y相邻，Z与W也相邻； Y、Z和W三种元素的原子最外层电子数之和为17。 请填空：Y、Z和W三种元素是否位于同一周期（填“是”或“否”） ，理由是 。Y是 、Z是 、W是 （填元素符号）。X、Y、Z和W可组成一种化合物，其原子个数之比为8：2：4：1。写出该化合物的名称及化学式 。19.不同元素的气态原子失去最外层一个电子所需要的能量(设其为E)如右图所示。试根据元素在周期表中的位置，分析图中吗线的变化特点，并回答下列问题。1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23原子序数25002000150010005002372899520208049673810128991520439同主族内不同元素的E值变化的特点是：_。各主族中E值的这种变化特点体现了元素性质的_变化规律。同周期内，随原子序数增大，E值增大。但个别元素的E值出现反常。现试预测下列关系式中正确的是_（填写编号，多选倒扣） E(砷)E（硒） E（砷）E（硒） E（溴）E（硒）估计1mol气态Ca原子失去最外层一个电子所需能量E值的范围：_ E _。10号元素E值较大的原因是_。20.（A）上表中的实线是元素周期表部分边界，请在表中用实线补全元素周期表边界。元素甲是第三周期A族元素，请在右边方框中按氦元素（图1)的式样，写出元素甲的原子序数、元素符号、元素名称、相对原子质量和最外电子层排布。元素乙的3p亚层中只有1个电子，则乙原子半径与甲原子半径比较：_。甲、乙的最高价氧化物水化物的酸性强弱为：_（用化学式表示）。元素周期表体现了元素周期律，元素周期律的本质是原子核外电子排布的_，请写出元素在元素周期表中的位置与元素原子结构的关系：_。 “元素周期律和元素周期表”参考答案1、B 2、B 3、A 4、D 5、B6、BC 7、D 8、D 9、B 10、CD 11、AC 12、B 13、D 14、AD 15、BC16 Li2O Li3N Be(OH)2 Be(OH)2 + 2OH- = BeO2- 2 + 2H2O Be(OH)2 + 2H+ = Be2+ + 2H2O Al4C3 + 4OH- + 4H