4.1.3同族元素的递变规律 学案(含解析) 高中化学人教版（2019）必修 第一册

4.1.3同族元素的递变规律
1.掌握同主族碱金属的性质：碱金属元素性质的相似性和递变性；元素金属性比较
的方法。
2. 掌握同主族卤族元素的性质：卤族元素性质的相似性和递变性；元素非金属性比
较的方法
识精讲
我们知道周期表横行为周期，纵列为族，那我们不妨先从族入手，分析一下同一主族元素的性质有哪些相似或不同之处。
一、碱金属元素
1.原子结构
碱金属元素包括除 H 以外的所有第 ⅠA 族元素，即锂 Li、钠 Na、钾 K、铷 Rb、铯 Cs、钫 Fr，其中钫具有放射性，不稳定，我们在研究元素的性质时一般不考虑放射性元素，因此我们只讨论前五种元素。按照“位置决定结构，结构决定性质”的思想，我们首先来看一下从上到下，随着原子序数的增加，它们的结构有哪些相同和不同之处。
我们试着做一分析：从上到下，碱金属元素的原子电子层数增加，导致原子半径增大，另一方面，核电荷数增加，对最外层电子的吸引力增加，导致半径减小，从结果来看，原子半径是增大的，说明电子层数增加的影响超过了核电荷数增加的影响。事实上，一般情况下，电子层数增加的影响都比核电荷数增加的影响大，所以同一主族从上到下原子半径一般都是逐渐增大的。
我们已经知道了碱金属元素从上到下，原子半径逐渐增大，所以原子核对最外层电子的吸引力越来越小，看似更容易失去电子，但是我们不能忽视的是，在原子半径增大的同时，核电荷数也在增大，而这个因素会导致原子核对最外层的电子吸引力增强，现在我们有两个相反的影响因素，而且我们无法确定哪个因素占主导地位，这时候我们就要进行实验来验证。
从实验结果可以看出，从上到下，碱金属元素的单质与水的反应越来越剧烈，说明单质的还原性越来越强，即单质的失电子能力越来越强，因此它们的原子失电子能力也是越来越强的，即从锂到铯更容易失去电子，所以原子半径增大的影响超过了原子核电荷数增加的影响。一般而言，金属元素倾向于失电子，因此我们把元素的原子失电子的能力叫做金属性，金属性越强，原子失电子的能力也就越强，现在我们就可以说，对于碱金属元素而言，从上到下金属性逐渐增强。
2.物理性质
此外，碱金属还具有金属的通性，即延展性、导电性、导热性好，如 Na-K 合金常用作核反应堆的导热剂。
题型演练
1．（2022秋·高一课时练习）锂、钠、钾的化学性质相似的根本原因是
A．都能与水反应生成碱 B．原子半径相近
C．都能与酸反应产生氢气 D．最外层电子数相同
2．（2022秋·高一课时练习）某同学探究金属Na与CO2的反应，实验如下：
实验Ⅰ 实验Ⅱ
操作 将点燃的金属钠伸到盛有CO2的集气瓶中 将实验Ⅰ的集气瓶用水冲洗，过滤。取黑色滤渣灼烧；取滤液分别滴加酚酞和氯化钡溶液
现象 ①火焰呈黄色②底部有黑色固体，瓶壁上附有白色固体 ①黑色滤渣可燃②滤液能使酚酞溶液变红，滴加氯化钡溶液有白色沉淀生成
下列说法不正确的是
A．生成的黑色固体中含有C
B．白色固体是Na2O
C．实验说明CO2具有氧化性
D．金属Na着火不能用CO2灭火
3．（2021·高一课时练习）下列“类比”合理的是
A．Ca(OH)2与少量CO2反应生成CaCO3，则Ca(OH)2与少量SO2反应生成CaSO3
B．Na与O2在加热条件下反应生成Na2O2，则Li与O2在加热条件下反应生成Li2O2
C．Cl2和H2O反应生成HCl和HClO，则F2和H2O反应生成HF和HFO
D．Fe与S在加热条件下生成FeS，则Cu与S在加热条件下生成CuS
4．（2021·高一课时练习）下列关于碱金属元素的说法中，正确的是
A．IA族元素都是碱金属元素
B．在常温下Cs与水反应会发生爆炸
C．金属钾具有强还原性，K+具有强氧化性
D．碱金属单质可将铜从其盐溶液中置换出来
5．（2022·高一课时练习）下列有关碱金属元素的性质判断正确的是
A．Rb与H2O反应最剧烈
B．K比Na活泼，故K可以从NaCl溶液中置换出Na
C．碱金属的阳离子没有还原性，所以有强氧化性
D．从Li到Cs都易失去最外层1个电子，且失电子能力逐渐增强
6．（2022·高一课时练习）据报道、德国科学家实现了铷(Rb)原子气体超流体态与绝缘态的可逆转换，该成果将给量子计算机的研究带来重大突破。已知铷在元素周期表中位于第五周期IA族。下列说法不正确的是
A．铷的原子序数为37
B．铷放到水中会比钠跟水反应更剧烈
C．铷的氧化物暴露在空气中易与CO2反应
D．铷的氢氧化物是弱碱
7．（2021春·高一课时练习）下列关于碱金属元素的叙述中正确的是
A．原子的最外层电子数都是1，次外层电子数都是8
B．单质的化学性质活泼，易失电子发生氧化反应
C．除锂外均以化合态存在于自然界中
D．单质的密度随着原子序数的增加依次增大
二、卤族元素
在认识了以碱金属元素为代表的金属元素后，我们再来看一下同一主族的非金属元素的性质有什么样的异同，我们不妨以第 ⅦA 族为例。第 ⅦA 族元素又被称为卤族元素，简称卤素，包括氟 F、氯 Cl、溴 Br、碘 I、砹At(放射性)、 Ts(放射性) 六种元素。
1.原子结构
根据我们在学习碱金属元素时得到的结论，从上到下，卤素原子的电子层数增加，导致原子半径增大；核电荷数增加，导致半径减小，电子层数增加的影响超过了核电荷数增加的影响，所以我们可以大胆推测，从上到下，卤素原子的原子半径逐渐增大。事实上，测量结果符合我们的预期。
2
2.化学性质
通过对碱金属元素的学习，我们已经知道了碱金属元素从上到下，原子半径逐渐增大的影响比核电荷数增大的影响大，因此越来越容易失电子，金属性增强。类似地，对于卤素而言，从上到下，原子核对最外层电子的吸引力逐渐减小，得电子能力越来越弱。一般而言，非金属元素倾向于得电子。因此我们把元素的原子得电子的能力叫做非金属性，非金属性越强，原子得电子的能力越强。
从实验结果可以看出，从上到下，卤素单质与氢气反应的条件越来越苛刻，生成氢化物的热稳定性也越来越弱，因此元素的非金属性 F>Cl>Br>I，即卤族元素从上到下，非金属性逐渐减弱。
3.物理性质
Cl2、Br2、I2 溶于水时，部分与水反应生成 HX 和 HXO，而 F2 遇水会发生反应 2F2+2H2O=4HF+O2，因此不存在水溶液；氯气的密度比空气 (1.293g/L) 大，因此氯气泄漏时要向高处撤离；液溴很容易挥发，因此保存液溴时常用一层水作液封，此外溴是常温下唯一的液态非金属单质；碘单质易升华，可以利用这个性质分离和提纯碘。
三、同主族元素性质的递变规律
通过对碱金属元素和卤族元素的分析，我们可以总结出同主族元素性质的递变规律：从上到下，原子半径逐渐增大，元素的非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强。事实上，对于其它主族逐一验证，发现也都基本符合这一规律。
题型演练
8．（2021·高一课时练习）下列说法正确的是
a．同主族元素从上至下，单质的氧化性逐渐减弱，熔点逐渐降低
b．在周期表中，同周期第IIA族和第IIIA元素质子数相差可能是1、11或25
c．卤族元素由上至下，阴离子的还原性增强，单质的颜色加深
d．碱金属单质物理通性是硬度小，密度小，熔点低
e．卤素单质越活泼，其熔沸点越低
f．可以利用非金属单质与氢气反应的难易程度来证明其元素非金属性的强弱
g．碱性：LiOH>NaOH>KOH>RbOH
h．酸性：HClO4A．4个 B．5个 C．6个 D．7个
9．（2023春·河南·高一校联考阶段练习）下列实验或装置能达到实验目的的是
A B C D
制备氢氧化铁胶体 比较卤素单质氧化性强弱 洗气除去SO2中的CO2 测浓硫酸的pH
A．A B．B C．C D．D
10．（2023秋·上海杨浦·高一复旦附中校考期末）新型冠状病毒由蛋白质外壳和单链核酸组成，直径为60-140nm。下列说法错误的是
A．新型冠状病毒扩散到空气中可能形成胶体
B．连花清瘟胶囊成分中的石膏CaSO4·2H2O属于混合物
C．止咳祛痰药：盐酸氨溴索中含有两种卤族元素
D．“84”消毒液中含强氧化性物质，可用于新型冠状病毒的消杀
11．（2021·高一课时练习）保存液溴时，常加入一定量水，其目的是
A．制取溴水 B．测试液溴在水中的溶解度 C．比较液溴与水的密度 D．减小液溴的挥发
12．（2021·高一课时练习）关于卤素单质(X2)的下列叙述中正确的是
A．都能与氢气因剧烈化合而爆炸 B．都能与铁反应生成FeX3
C．都能与钠反应生成NaX D．都能与水反应生成氢卤酸HX和次卤酸HXO
13．（2020·高一课时练习）碘元素在海水中主要以I的形式存在，几种含碘粒子之间有如图所示的转化关系，下列说法不正确的是
A．可用淀粉KI试纸和食醋检验加碘盐中是否含有碘
B．足量Cl2能使湿润的已变蓝的淀粉KI试纸褪色的原因可能是5Cl2+I2+6H2O=2HIO3+10HCl
C．由图可知氧化性：Cl2＜
D．途径Ⅱ中若生成1molI2，反应中转移电子10mol
14．（2020秋·高一课时练习）关于卤素(用X表示)的下列叙述正确的是
A．卤素单质与水反应均可用X2＋H2O=HXO＋HX表示
B．还原性：Cl->Br-
C．卤素单质的密度从F2→I2随相对分子质量增大而增大
D．F2可以从NaCl溶液中置换出Cl2
多选题
15．（2022秋·高一课时练习）鉴别Cl-、Br-、I-三种离子，不宜选用的试剂组是
A．溴水和淀粉溶液 B．AgNO3溶液和稀HNO3
C．氯水和CCl4溶液 D．氯水和碘化钾淀粉溶液
16．（2021·高一课时练习）某同学做同主族元素性质的相似性、递变性实验时，自己设计了一套实验方案，并记录了有关实验现象(表中的“实验方案”与“实验现象”前后不一定是对应关系)。
实验方案 实验现象
①将新制氯水滴入溴化钠溶液中，振荡，再加入适量CCl4，振荡后静置 A．浮在水面上，熔成小球，快速游动，最后消失
②将一小块金属钠放入冷水中 B．分层，上层无色，下层紫红色
③将溴水滴入NaI溶液中，振荡，再加入适量CCl4，振荡后静置 C．浮在水面上，熔成小球，快速游动，并伴有轻微的爆炸声，很快消失
④将一小块金属钾放入冷水中 D．分层，上层无色，下层橙红色
请你帮助该同学整理并完成实验报告。
(1)实验目的：探究同主族元素性质的相似性和递变性。
实验用品：
①仪器：_______、_______、镊子、小刀、玻璃片等。
②试剂：金属钠、金属钾、新制氯水、溴水、0.1 mol·L-1 NaBr溶液、0.1 mol·L-1 NaI溶液、CCl4等。
(2)实验内容(填写与实验方案对应的实验现象的字母和化学方程式)：
实验方案 实验现象 化学方程式
① _______ _______
② _______ _______
③ _______ _______
④ _______ _______
(3)实验结论：_______。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．D
【详解】金属的化学性质由核外电子数决定，所以锂、钠、钾化学性质相似的根本原因在于原子的最外层都只有一个电子，即最外层电子数相同，故选D。
2．B
【分析】由实验Ⅰ可知钠能够在二氧化碳中燃烧，根据质量守恒定律，反应物中含有钠元素、氧元素、碳元素；由实验Ⅱ中黑色滤渣可燃可知，集气瓶底部的黑色固体为碳，由滤液能使酚酞溶液变红，滴加氯化钡溶液有白色沉淀生成可知，瓶壁上附有的白色固体为碳酸钠，则钠在二氧化碳气体中燃烧生成碳酸钠和碳单质，反应的化学方程式4Na+3CO2 2Na2CO3+C
【详解】A．由上述分析可知，生成的黑色固体中含有碳(C) ，故A正确；
B．由上述分析可知，白色固体为碳酸钠，不是Na2O，故B错误；
C．钠在二氧化碳气体中燃烧生成碳酸钠和碳单质，反应中钠为还原剂，二氧化碳为氧化剂，实验说明CO2具有氧化性，故C正确；
D．实验Ⅰ可知钠能够在二氧化碳中燃烧，则金属着火不能用 灭火，应用干燥的沙土覆盖灭火，故D正确；
故选B。
3．A
【详解】A．Ca(OH)2与少量CO2反应生成CaCO3，则Ca(OH)2与少量SO2反应生成CaSO3，故A符合题意；
B．Na与O2在加热条件下反应生成Na2O2，则Li与O2在加热条件下反应生成Li2O，故B不符合题意；
C．Cl2和H2O反应生成HCl和HClO，则F2和H2O反应生成HF和O2，故C不符合题意；
D．Fe与S在加热条件下生成FeS，则Cu与S在加热条件下生成Cu2S，故D不符合题意。
综上所述，答案为A。
4．B
【详解】A．IA族元素中的H不属于碱金属元素，A错误；
B．根据碱金属元素性质的递变规律，从上至下，随着原子序数的递增，金属性越来越强，与水反应越来越剧烈，铯的金属性最强，在常温下与水反应会发生爆炸，B正确；
C．金属钾具有强还原性，但K+具有弱氧化性，C错误；
D．由于碱金属单质性质太活泼，遇到水溶液时优先和水反应生成碱和氢气，因此不能将铜从其盐溶液中置换出来，D错误；
答案选B。
5．D
【分析】从Li到Fr，金属性逐渐增强。
【详解】A．Fr的金属性最强，与H2O反应最剧烈，A错误；
B．K比Na活泼，与水剧烈反应，不能置换出NaCl溶液中的Na，B错误；
C．碱金属的阳离子具有一定的氧化性，但不强，C错误；
D．从Li到Cs，原子半径逐渐增大，原子核对外层电子的引力逐渐减小，失电子能力增强，D正确；
答案选D。
6．D
【详解】A．铷的原子核内有37个质子，则原子序数为37，A说法正确；
B．铷的原子半径大于Na，则失电子能力大于Na，故放到水中会比钠跟水反应更剧烈，B说法正确；
C．铷的氧化物为碱性氧化物，则暴露在空气中易与CO2反应，C说法正确；
D．铷的失电子能力大于Na，则铷的氢氧化物是强碱，D说法错误；
答案为D。
7．B
【详解】A．锂原子核外有3个电子，次外层电子数为2，A错误；
B．碱金属原子最外层电子数都是1，易失去最外层电子发生氧化反应，B正确；
C．易失去最外层电子发生氧化反应，故碱金属元素均以化合态存在于自然界中，C错误；
D．碱金属的密度随着原子序数的递增逐渐增大，但是K反常，D错误；
故选B。
8．B
【详解】a．同主族元素从上至下，非金属性逐渐减弱，因此单质的氧化性逐渐减弱，但熔点可能逐渐升高，如卤素单质，a错误；
b．在周期表中，同周期第IIA族和第IIIA元素质子数相差可能是1、11或25，如第二周期的Be和B，第三周期的Mg和Al相差1，第四、第五周期因中间隔着10种过渡元素，因此第四、第五周期的第IIA族和第IIIA元素质子数相差1+10=11，第六、第七周期因第IIIB族有15种元素，因此第六、第七周期的第IIA族和第IIIA元素质子数相差11+14=25，b正确；
c．卤族元素由上至下，非金属性逐渐减弱，单质的氧化性逐渐减弱，阴离子的还原性增强，单质的颜色加深：氟气为浅黄绿色，氯气为黄绿色，溴单质为深红棕色，碘单质为紫黑色，c正确；
d．碱金属单质均是硬度小，密度小，熔点低的活泼金属，d正确；
e．卤素单质从上到下活泼性减弱，熔沸点升高，因此卤素单质越活泼，其熔沸点越低，e正确；
f．元素的非金属性越强，单质与氢气反应越容易，因此可以利用非金属单质与氢气反应的难易程度来证明其元素非金属性的强弱，f正确；
g．碱金属从上到下分别为Li、Na、K、Rb、Cs、Fr，从上到下金属性增强，因此碱性：LiOHh．卤族元素从上到下为F、Cl、Br、I、At等，非金属性逐渐减弱，因此最高价氧化物对应的水化物酸性减弱，即酸性：HClO4>HBrO4>HIO4，h错误；
综上所述，有5个说法正确，B满足题意。
答案选B。
9．B
【详解】A．制备氢氧化铁胶体是将饱和氯化铁溶液滴入到沸水中而不是NaOH溶液中，否则得到的是沉淀而不是胶体，A不选；
B．新制氯水可以置换出NaBr中的Br2，也能置换出NaI中的I2，可知氧化性：Cl2> Br2、Cl2> I2，再利用溴水置换出NaI中的I2，可知氧化性：Br2>I2，从而可得氧化性：Cl2> Br2>I2，B选；
C．饱和NaHCO3溶液会吸收SO2，而杂质CO2不会和NaHCO3反应，因而不能达到除杂的目的，C不选；
D．用pH试纸测定溶液的pH时，用玻璃棒蘸取待测液滴到pH试纸上，读出pH，以免污染待测液，同时由于浓硫酸具有脱水性，会使试纸碳化，D不选；
故选B。
10．B
【详解】A．分散质粒子直径在1~100nm之间的分散系是胶体，新型冠状病毒直径为60-140nm，可能形成胶体，A正确；
B．石膏CaSO4·2H2O属于纯净物，B错误；
C．盐酸氨溴索化学式为C13H18Br2N2O·HCl，含有Br和两种卤族元素，C正确；
D．“84”消毒液主要成分是NaClO，具有强氧化性，可以杀菌消毒，D正确；
故答案为：B。
11．D
【详解】由于溴是易挥发的液体，结合溴的密度比水大，在水中溶解度不大的性质，为减少液溴的挥发，保存液溴时，常加入一定量水，故合理选项是D。
12．C
【详解】A．碘单质与氢气的反应为可逆反应，不会剧烈反应，A错误；
B．Fe3+的氧化性大于I-，所以碘单质与Fe反应时生成FeI2，B错误；
C．钠的还原性很强，卤素单质都能和钠反应生成NaX，C正确；
D．F2与水反应生成HF和氧气，D错误；
答案选C。
13．C
【详解】A．加碘盐中含有KIO3，加入KI和醋酸，发生氧化还原反应，生成I2等，I2能使淀粉变蓝色，所以可用淀粉KI试纸和食醋检验加碘盐中是否含有碘，A正确；
B．由图中信息可知，Cl2能将I2氧化为HIO3，已变蓝的淀粉KI试纸中含有I2，所以足量Cl2能将其氧化，从而得出褪色的原因可能是5Cl2+I2+6H2O=2HIO3+10HCl，B正确；
C．图中信息显示：5Cl2+I2+6H2O=2HIO3+10HCl，由此可知氧化性：Cl2＞，C不正确
D．途径Ⅱ中生成I2，若生成1molI2，反应中转移电子(5-0)×2mol=10mol，D正确；
故选C。
14．C
【详解】A．F2与水反应的化学方程式为2F2＋2H2O=4HF＋O2，A错误；
B．因为单质的氧化性：Cl2>Br2，故还原性：Cl-C．从F2→I2，单质由气态→液态→固态，单质密度越来越大，C正确；
D．F2的活泼性太强，遇盐溶液首先与水反应，故不能从NaCl溶液中置换出Cl2，D错误。
答案选C。
15．AD
【详解】A．将溴水和淀粉溶液分别滴加到含有Cl-、Br-、I-的三支试管中，含有Cl-、Br-两支试管的现象相同，溶液变为淡黄色，而含有I-的试管中溶液变为蓝色，故无法鉴别三种离子，A符合题意；
B．将AgNO3溶液和稀HNO3分别滴加到含有Cl-、Br-、I-的三支试管中，依次可以观察到产生白色沉淀、淡黄色沉淀和黄色沉淀，故可以鉴别三种离子，B不合题意；
C．将氯水和CCl4溶液分别滴加到含有Cl-、Br-、I-的三支试管中，依次可观察到溶液分层，下层为黄绿色、橙红色和紫红色，故可以鉴别三种离子，C不合题意；
D．将氯水和碘化钾淀粉溶液分别滴加到含有Cl-、Br-、I-的三支试管中，依次观察到溶液呈黄绿色、蓝色和蓝色，故不适宜鉴别三种离子，D符合题意；
故答案为：AD。
16．(1) 试管 滴管
(2) D Cl2＋2NaBr=2NaCl＋Br2 A 2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑ B Br2＋2NaI=2NaBr＋I2 C 2K＋2H2O=2KOH＋H2↑
(3)同主族元素性质相似；自上到下元素原子失去电子的能力增强，得到电子的能力减弱
【分析】根据实验条件和实验药品的性质判断所需仪器；依据实验步骤和实验现象，结合物质性质和反应现象进行对应，写出反应的化学方程式；分析金属和非金属反应的产物和剧烈程度，结合金属性和非金属性强弱的判断依据分析判断，同主族从上到下失电子能力依次增强，得电子能力依次减弱。
(1)
该试验涉及滴加溶液，则需胶头滴管，实验过程中离不开试管；
故答案为：试管；滴管；
(2)
①氯水滴入NaBr溶液中发生反应Cl2+2NaBr=2NaCl+Br2，振荡后加入CCl4后振荡、静置，观察到分层，上层无色，下层橙红色，故选D；
②将一小块Na投入冷水中发生反应2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，观察到浮在水面上，熔成小球，快速游动，最后消失，故选A；
③将溴水滴入NaI溶液中发生反应Br2+2NaI=2NaBr+I2，振荡加入适量CCl4，振荡后静置，观察到分层，上层无色，下层紫红色，故选B；
④将一小块K投入冷水中发生反应2K+2H2O=2KOH+H2↑，观察到浮在水面上，熔成小球，快速游动，并伴有轻微的爆炸声，很快消失，故选C。
(3)
根据实验得出结论：同主族元素性质相似；自上到下元素原子失去电子的能力增强，得到电子的能力减弱。