高中高一化学元素周期律综合专项讲义

第一章元素周期表的结构与元素周期律的发现第二章元素性质的递变规律第三章化学键与分子构型第四章离子键与离子化合物第五章共价键与分子间作用力第六章金属键与合金材料01第一章元素周期表的结构与元素周期律的发现门捷列夫的伟大发现在19世纪中叶，化学元素的研究正处于一个混乱的阶段。化学家们已经发现了许多元素，但它们之间的关系并不清晰。1869年，俄国化学家门捷列夫首次提出了元素周期表，将当时已知的63种元素按原子量递增顺序排列，发现元素性质呈现周期性变化。这一发现不仅极大地推动了化学的发展，也为后来的化学研究奠定了基础。门捷列夫的周期表不仅展示了元素性质的周期性变化，还预测了当时尚未发现的元素的存在和性质。例如，他预测了类铝元素的存在，后来铟(In,49)被发现，验证了他的理论。门捷列夫的周期表还揭示了元素周期律的本质，即元素的性质与其原子结构之间的关系。这一发现不仅解释了当时已知的元素性质，还为后来的化学研究提供了重要的指导。门捷列夫的周期表不仅是一个简单的列表，而是一个复杂的系统，它展示了元素之间的内在联系和规律。元素周期表的基本结构周期横行按原子序数递增排列，每周期元素种类为2,8,8,18,18,32...（稀有气体结尾）族纵列按最外层电子数划分，同一族元素化学性质相似。主族：1A至8A族（s区和p区），过渡族：3B至12B族（d区）原子半径变化规律同周期：从左到右，原子半径减小；同主族：从上到下，原子半径增大。例如，Na到Cl，从119pm到97pm；O到I，从66pm到140pm。电离能变化规律第一电离能：He(24.6eV)>Ne(21.6eV)>Ar(15.8eV)（惰性气体递增）；s区+p区突变，如Li(5.4eV)<Be(9.3eV)<B(8.3eV)。元素周期律的本质源于原子核外电子排布的周期性变化，通过原子半径、电离能等性质的周期性变化体现。周期律的内在规律原子半径变化规律同周期：从左到右，原子半径减小（如Na到Cl，从119pm到97pm）。同主族：从上到下，原子半径增大（如O到I，从66pm到140pm）。电离能变化规律第一电离能：He(24.6eV)>Ne(21.6eV)>Ar(15.8eV)（惰性气体递增）。s区+p区突变，如Li(5.4eV)<Be(9.3eV)<B(8.3eV)。原子半径与电离能的关系原子半径减小，电离能增大；原子半径增大，电离能减小。例如，Na(186pm,5.4eV)比Li(152pm,7.6eV)原子半径大，但电离能小。化学键与分子构型离子键共价键金属键形成过程：Na→Na⁺+e⁻，Cl+e⁻→Cl⁻，Na⁺+Cl⁻→NaCl。晶格能：NaCl(787kJ/mol)，MgO(3791kJ/mol)>NaCl。性质：高熔点、硬度大、易溶于水。形成过程：H+H→H₂，键能436kJ/mol。类型：σ键(单键)、π键(双键/三键)，杂化轨道理论(sp,sp²,sp³)。性质：分子晶体，熔点、沸点较低。形成过程：金属原子层状堆积，价电子形成电子海。性质：延展性好、导电性强、熔点差异大。堆积方式：面心立方(Cu,Al)、体心立方(Fe,Cr)、密排六方(Zn,Mg)。02第二章元素性质的递变规律实验观察的启示化学实验是理解元素性质递变规律的重要手段。例如，将钠(Na)和钾(K)分别投入水中，钾反应更剧烈。这是因为钾的原子半径比钠大，价电子层更易失电子，因此反应更剧烈。实验结果显示，钾与水反应生成氢气的速率比钠快约4倍，生成氢气的温度也更高。这一实验不仅验证了元素性质的递变规律，还揭示了化学反应的本质。化学反应的本质是原子核外电子的转移或共享，而元素的性质与其原子结构密切相关。通过实验观察，我们可以发现元素性质的递变规律，从而更好地理解化学变化的本质。金属性与非金属性的判断金属性表现非金属性表现实验数据量化分析与水反应性：Ca比Mg剧烈；最高价氧化物水化物碱性：Na₂O为强碱，SiO₂为弱酸；金属键强度：铁(Fe)比铜(Cu)金属键更强。与氢化物稳定性：HF比HCl稳定；氧化物酸性：P₂O₅比N₂O₅更强；电负性：O(3.5)>F(4.0)。第一电离能：He(24.6eV)>Ne(21.6eV)>Ar(15.8eV)；氢化物稳定性：H₂O>H₂S>H₂Se>H₂Te；电离能曲线显示s区元素电离能高于p区元素。周期律的内在规律金属性与非金属性金属性：失电子能力、金属键强度；非金属性：得电子能力、电负性。例如，Ca比Mg金属性强，因Ca(20)比Mg(12)价电子层更易失电子。电离能变化规律第一电离能：He(24.6eV)>Ne(21.6eV)>Ar(15.8eV)（惰性气体递增）。s区+p区突变，如Li(5.4eV)<Be(9.3eV)<B(8.3eV)。原子半径与电离能的关系原子半径减小，电离能增大；原子半径增大，电离能减小。例如，Na(186pm,5.4eV)比Li(152pm,7.6eV)原子半径大，但电离能小。化学键与分子构型离子键共价键金属键形成过程：Na→Na⁺+e⁻，Cl+e⁻→Cl⁻，Na⁺+Cl⁻→NaCl。晶格能：NaCl(787kJ/mol)，MgO(3791kJ/mol)>NaCl。性质：高熔点、硬度大、易溶于水。形成过程：H+H→H₂，键能436kJ/mol。类型：σ键(单键)、π键(双键/三键)，杂化轨道理论(sp,sp²,sp³)。性质：分子晶体，熔点、沸点较低。形成过程：金属原子层状堆积，价电子形成电子海。性质：延展性好、导电性强、熔点差异大。堆积方式：面心立方(Cu,Al)、体心立方(Fe,Cr)、密排六方(Zn,Mg)。03第三章化学键与分子构型VSEPR模型预测构型VSEPR模型（价层电子对互斥理论）是预测分子构型的重要工具。该模型基于电子对（包括成键电子对和孤对电子）之间的互斥作用，来预测分子的几何构型。例如，CH₄分子中，碳原子有4对价电子，每个电子对与氢原子形成共价键，因此分子构型为正四面体。H₂O分子中，氧原子有2对成键电子对和2对孤对电子，因此分子构型为折线形。VSEPR模型不仅适用于简单分子，还适用于复杂分子，如NH₃（三角锥形）、SO₂（弯曲形）等。通过VSEPR模型，我们可以预测分子的构型，从而更好地理解分子的性质。分子构型与性质CH₄H₂ONH₃正四面体构型，键角109.5°，非极性分子。折线形构型，键角104.5°，极性分子。三角锥形构型，键角107°，极性分子。杂化轨道理论解释成键sp³杂化例如CH₄，碳原子形成4个sp³杂化轨道，与4个氢原子形成4个σ键，分子构型为正四面体。sp²杂化例如C₂H₄，碳原子形成3个sp²杂化轨道，与2个氢原子和1个碳原子形成σ键，剩余的p轨道形成π键，分子构型为平面三角形。sp杂化例如C₂H₂，碳原子形成2个sp杂化轨道，与1个氢原子和1个碳原子形成σ键，剩余的p轨道形成π键，分子构型为直线形。化学键与分子构型离子键共价键金属键形成过程：Na→Na⁺+e⁻，Cl+e⁻→Cl⁻，Na⁺+Cl⁻→NaCl。晶格能：NaCl(787kJ/mol)，MgO(3791kJ/mol)>NaCl。性质：高熔点、硬度大、易溶于水。形成过程：H+H→H₂，键能436kJ/mol。类型：σ键(单键)、π键(双键/三键)，杂化轨道理论(sp,sp²,sp³)。性质：分子晶体，熔点、沸点较低。形成过程：金属原子层状堆积，价电子形成电子海。性质：延展性好、导电性强、熔点差异大。堆积方式：面心立方(Cu,Al)、体心立方(Fe,Cr)、密排六方(Zn,Mg)。04第四章离子键与离子化合物离子键的形成过程离子键的形成过程是一个电子转移的过程。例如，在氯化钠(NaCl)的形成过程中，钠(Na)原子失去一个电子形成钠离子(Na⁺)，氯(Cl)原子获得一个电子形成氯离子(Cl⁻)，然后Na⁺和Cl⁻通过静电吸引力结合形成离子键。这一过程可以用以下化学方程式表示：Na+Cl→Na⁺+e⁻+Cl⁻→Na⁺+Cl⁻。离子键的形成过程不仅涉及电子的转移，还涉及离子之间的静电吸引力。这种吸引力使得离子化合物具有高熔点、硬度大、易溶于水等性质。离子键的性质高熔点硬度大易溶于水例如NaCl(801℃)，MgO(2852℃)>NaCl，因MgO晶格能更大。离子键强，离子化合物硬度大，如金刚石(C，共价键)，NaCl(2.3GPa)>SiO₂(7GPa)。离子化合物在水中溶解时，离子被水分子包围形成水合离子，如NaCl在水中形成Na⁺(aq)和Cl⁻(aq)。离子键的形成过程电子转移Na→Na⁺+e⁻，Cl+e⁻→Cl⁻，Na⁺+Cl⁻→NaCl。离子晶体NaCl晶体中，Na⁺和Cl⁻排列成面心立方结构，每个Na⁺周围有6个Cl⁻，每个Cl⁻周围有6个Na⁺。水合离子NaCl在水中溶解时，Na⁺被水分子包围形成Na⁺(aq)，Cl⁻被水分子包围形成Cl⁻(aq)。离子键与离子化合物离子键的形成离子化合物离子键与共价键电子转移：Na→Na⁺+e⁻，Cl+e⁻→Cl⁻，Na⁺+Cl⁻→NaCl。晶格能：NaCl(787kJ/mol)，MgO(3791kJ/mol)>NaCl。性质：高熔点、硬度大、易溶于水。晶体结构：NaCl面心立方，MgO六方密堆积。性质：高熔点、硬度大、易溶于水。应用：Na₂CO₃用于造纸，CaO用于建筑材料。离子键：NaCl，共价键：H₂，形成过程和性质差异显著。性质对比：离子键强，共价键弱；离子化合物硬，共价化合物软。实验验证：测定NaF和NaCl熔点（NaF>993℃>NaCl>801℃）。05第五章共价键与分子间作用力共价键的形成过程共价键的形成过程是一个电子共享的过程。例如，在氢分子(H₂)的形成过程中，两个氢原子共享一个电子形成共价键。这一过程可以用以下化学方程式表示：H+H→H₂，键能436kJ/mol。共价键的形成过程不仅涉及电子的共享，还涉及原子核之间的距离和角度。这种共享使得共价键具有很强的键能，使得共价化合物具有较低的熔点和沸点。共价键的类型σ键π键杂化轨道单键，电子云沿键轴对称重叠，例如H-H键。双键或三键中的π键，电子云沿键轴平面对称重叠，例如O=O键。原子轨道混合形成新的杂化轨道，例如sp²杂化形成平面三角形构型。共价键的形成过程电子共享H+H→H₂，键能436kJ/mol。杂化轨道sp²杂化形成平面三角形构型，例如C₂H₄。π键双键中的π键，电子云沿键轴平面对称重叠，例如O=O键。共价键与分子间作用力共价键的形成分子间作用力分子间作用力电子共享：H+H→H₂，键能436kJ/mol。类型：σ键(单键)、π键(双键/三键)，杂化轨道理论(sp,sp²,sp³)。性质：分子晶体，熔点、沸点较低。类型：范德华力、氢键、偶极-偶极作用。性质：影响物质的熔点、沸点、溶解性。应用：I₂升华，因分子间作用力(17kJ/mol)使碘易升华。氢键：H₂O>H₂S>H₂Se>H₂Te（同主族递减）。范德华力：影响物质沸点，如CH₃OH(65℃)>CH₄(-161℃)，因氢键存在。实验验证：测定CH₃Cl和CH₃Br沸点（CH₃Cl>12℃>CH₃Br>-24℃）。06第六章金属键与合金材料金属键的形成过程金属键的形成过程是一个电子自由移动的过程。例如，在铁(Fe)的形成过程中，铁原子失去价电子形成铁离子(Fe²⁺)，这些自由电子在整个金属晶体中自由移动，形成金属键。这一过程可以用以下化学方程式表示：Fe→Fe²⁺+2e⁻。金属键的形成过程不仅涉及电子的转移，还涉及电子在整个金属晶体中的自由移动。这种自由移动使得金属具有延展性好、导电性强、熔点差异大等性质。金属键的性质延展性好导电性强熔点差异大金属键可滑动，可拉成丝，如铜(Cu)可延展性良好。自由电子在外加电场下移动，如铝(Al)导电性强。金属键强度影响熔点，如铁(Fe,1538℃)比铜(Cu,1083℃)熔点高。金属键的形成过程电子自由移动Fe→Fe²⁺+2e⁻，自由电子在整个金属晶体中自由移动，形成金属键。金属晶体Cu晶体中，Cu原子层状堆积，每个Cu原子周围有12个Cu⁺和6个Cu²⁺，形成金属键。电子海金属原子层状堆积，价电子形成电子海，如Na金属中，价电子在金属离子之间自由移动。金属键与合金材料金属键的形成合金材料合金材料电子自由移动：Fe→Fe²⁺+2e⁻。性质：延展性好、导电性强、熔点差异大。应用：Na金属延展性良好，可拉成丝；Cu导电性比Al强。合金成分：Cu-Ni合金，Ni含量增加使Cu硬度增加。性质：合金比纯金属硬度大，如钢(Cu-Fe,Ni含量0.5%)比Cu硬。应