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第四章 第一节 原子结构与元素周期表
第1课时 原子结构
【学习目标】
1.从微观角度认识原子的构成,了解原子核外电子排布规律。
2.能画出核电荷数为1~20号元素的原子结构示意图,能根据原子的结构特征确定元素。
3.了解质量数的含义。
【素养目标】
1.通过了解原子的结构及构成原子的粒子间的关系;根据原子核外电子排布规律,能画出1~20号元素的原子结构示意图。培养学生“微观探析与证据推理”的核心素养。
2.了解预测、假设、模型等方法在研究原子结构中的作用,培养学生“证据推理与模型认知”的核心素养。
必备知识与关键能力
知识点一:原子的构成
1.构成
原子
2.原子结构模型的演变
3.质量数
(1)概念:质子和中子的相对质量都近似为1,如果忽略电子的质量,将原子核内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加,所得的数值叫作质量数。
(2)粒子符号()中各数字的含义
(2) “各数”的定量关系
①电性关系
原子:质子数(Z)=核外电子数
阴离子(Rn-):质子数(Z)=核外电子数-n
阳离子(Rn+):质子数(Z)=核外电子数+n
②质量关系:对于原子及相应的离子均满足质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。
【点拨】(1)并不是所有的原子都是由质子、中子和电子构成,如H原子核内无中子。
(2)在原子中,质子数一定等于核外电子数,但不一定等于中子数。
(3)在任何微粒中,质子数都等于核电荷数,但质子数与核外电子数不一定相等,如阴离子(如Cl-)的质子数小于其核外电子数,阳离子(如Na+)的质子数大于其核外电子数。
典例1.“原子”原意是“不可再分”的意思。20世纪初,人们才认识到原子不是最小的粒子。从电子层模型分析,Ca原子核外N能层中运动的电子数为( )
A.8 B.2 C.18 D.10
【答案】B
【解析】Ca原子核外有4个电子层,分别对应符号K、L、M、N,其原子结构示意图为,第4层有2个电子,故 N能层中运动的电子数有2个。
典例2.美国科学家将两种元素铅和氪的原子核对撞,获得了一种质子数118,中子数为175的超重元素。该元素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A.47 B.57 C.61 D.293
【答案】B
【解析】对于该原子,质子数=核外电子数,即核外电子数为118,中子数为175,两者之差=175-118=57。
知识点二:原子的核外电子排布
1.电子层
(1)概念:在含有多个电子的原子里,电子分别在能量不同的区域内运动。我们把不同的区域简化为不连续的壳层,也称作电子层。
(2)不同电子层的表示及能量关系
各电子层由内到外 电子层数 1 2 3 4 5 6 7
字母代号 K L M N O P Q
离核远近 由近到远
能量高低 由低到高
2.电子分层排布
(1)能量最低原理(一个最低)
核外电子总是优先排布在能量最低的电子层里,然后再由里往外排布在能量逐步升高的电子层里,即按K→L→M→N……顺序排列。
(2)电子层最多容纳的电子数(三个最多)
①第n层最多容纳2n2个电子。如K、L、M、N层最多容纳电子数分别为2、8、18、32。
②最外层电子数目最多不能超过8个(K层为最外层时不能超过2个)。
③次外层最多能容纳的电子数不超过18个。
3.核外电子排布的表示方法
(1)原子结构示意图
①小圆圈和圆圈内的符号及数字表示原子核及核内质子数。
②弧线表示电子层。
③弧线内数字表示该层中的电子数。
(2)离子结构示意图
①当主族中的金属元素原子失去最外层所有电子变为离子时,电子层数减少一层,形成与上一周期的稀有气体元素原子相同的电子层结构。
②非金属元素的原子得电子形成简单离子时,形成和同周期的稀有气体元素原子相同的电子层结构。
4.核外电子排布与元素性质的关系
(1)金属元素原子的最外层电子数一般小于4,较易失去电子,形成阳离子,表现出还原性,在化合物中显正化合价。
(2)非金属元素原子的最外层电子数一般大于或等于4,较易得到电子,活泼非金属原子易形成阴离子。在化合物中主要显负化合价。
(3)稀有气体元素的原子最外层为8电子(氦为2电子)稳定结构,不易失去或得到电子,通常表现为0价。
5.常见含2e-、10e-、18e-的粒子
(1)含有2个电子的粒子: Li+、Be2+、H-、He、H2。
(2)含有10个电子的粒子
分子:CH4、NH3、H2O、HF、Ne
阳离子:Na+、Mg2+、Al3+、NH、H3O+
阴离子:N3-、O2-、F-、OH-、NH
(3)含有18个电子的粒子
分子:Ar、HCl、H2S、PH3、SiH4、F2、H2O2、N2H4、C2H6等
阳离子:K+、Ca2+
阴离子:P3-、S2-、HS-、Cl-、O22-
典例3.不符合原子核外电子排布基本规律的是( )
A.核外电子总是优先排在能量最低的电子层上
B.K层是能量最低的电子层
C.N电子层为次外层时,最多可容纳的电子数为18
D.各电子层(n)最多可容纳的电子数为n2
【答案】D
【解析】K层离核最近,能量最低,B正确;次外层电子数不超过18,C正确;各电子层最多容纳的电子数为2n2,D错误。
典例4.下列粒子的结构示意图中,错误的是( )
①Li ②Cl ③Mg2+ ④K ⑤P ⑥F
A.②③④⑤ B.①④⑤⑥ C.①②③⑥ D.①②④⑤
【答案】D
【解析】①错误,K层最多只能容纳2个电子;②错误,Cl的核电荷数为17;④错误,最外层电子数不能超过8个;⑤错误,L层上电子应为8个,M层上电子应为5个。
典例5.有A、B两种元素,已知元素A的核电荷数为a,且A3-与Bn+的电子排布完全相同,则元素B的核电荷数为( )
A.a-n-3 B.a+n+3 C.a+n-3 D.a-n+3
【答案】B
【解析】A元素原子的核电荷数为a,原子中核电荷数=核内质子数=核外电子数,则其核外电子数为a;A原子得到3个电子形成A3-,则A3-的核外电子数为a+3,B原子失去n个电子形成Bn+,设B的核电荷数为x,由于A3-与Bn+的电子层排布相同,则:a+3=x-n,解得:x=a+n+3,所以元素B的核电荷数为a+n+3,B项正确。
典例6.已知R2+核内共有N个中子,R的质量数为A,确定m g R2+中含有电子的物质的量为( )
A. mol B. mo lC. mol D. mol
【答案】C
【解析】R2+的核外电子数为A-N-2,m g R2+的物质的量为= mol,m g R2+中含有电子的物质的量为(A-N-2) mol。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
【
【模型构建】 电子层模型
电子层模型解释了电子排布的基本规律。核外电子由里向外依次排布,且能量逐渐升高。除此之外,每层排布的电子数遵循如下规律:各电子层最多容纳2n2个电子(n表示电子层数);最外层电子数不能超过8个(K层为最外层时不能超过2个);次外层容纳的电子数不超过18 个(L层为次外层时不能超过8个)。
【跟踪练习】 基础过关
1. 元素X的离子结构示意图为,元素Y的原子结构示意图为,则元素X与元素Y 形成的化合物的化学式可能为( )
A.XY B.X2Y C.XY2 D.XY3
【答案】B
【解析】根据X的离子结构示意图可知其为钠元素,根据Y的原子结构示意图可知其为氧元素,钠元素和氧元素可形成Na2O2和Na2O两种化合物,故B项正确。
2. 下列关于核外电子排布的说法中错误的是( )
A.第n电子层最多可容纳的电子数为2n2个
B.次外层中最多可容纳的电子数为18个
C.最多可容纳2个电子的电子层一定是第一电子层
D.最多可容纳8个电子的电子层一定是第二电子层
【答案】D
【解析】A项,第n电子层最多可容纳的电子数为2n2个,正确;B项,次外层中最多可容纳的电子数为18个,正确;C项,最多可容纳2个电子的电子层一定是第一电子层,即K层,正确;D项,由于最外层电子数不超过8个,因此最多可容纳8个电子的电子层不一定是第二电子层,错误。
3. 有A、B两种原子,A原子的M层比B原子的M层少3个电子,B原子的L层电子数恰为A原子L层电子数的2倍,A和B分别是( )
A.硅原子和钠原子 B.硼原子和氢原子
C.碳原子和铝原子 D.氮原子和氧原子
【答案】C
【解析】A原子的M层比B原子的M层少3个电子,B原子的L层电子数恰为A原子L层电子数的2倍,说明A、B为第二、三周期元素;L层最多排8个电子,B原子的L层电子数恰为A原子L层电子数的2倍,说明B原子L层有8个电子,A原子的L层有4个电子,故A是碳;A原子的M层比B原子的M层少3个电子,故B为铝。
4. 某元素X,其原子的电子层数为(n-1),最外层电子数为(2n-1)。下列有关元素X的说法中正确的是( )
A.X可能是金属元素
B.由X形成的含氧酸均为强酸
C.X不能形成化学式为KXO4的含氧酸盐
D.元素X的气态氢化物一定极易溶于水
【答案】D
【解析】由X原子的最外层电子数为(2n-1)可以推知n≤4,则X的电子层数≤3,X为短周期元素。当n=4时,X为Cl元素;当n=3时,X为N元素;当n=2时,不符合题意。HNO2和HClO均为弱酸,B错误;Cl元素能形成KClO4,C错误;NH3和HCl均极易溶于水,D正确。
5. 下列各微粒:①H3O+、NH、Na+;②OH-、NH、F-;③O、Na+、Mg2+;④CH4、NH3、H2O。其中具有相同质子数和电子数的一组是( )
A.①②③ B.①②④ C.②③④ D.①③④
【答案】B
【解析】①组质子数均为11,电子数均为10;②组质子数均为9,电子数均为10;③组质子数依次为16、11、12,电子数依次为18、10、10;④组质子数、电子数均为10。
能力达成
6. 短周期元素X和元素Y,元素X原子的最外层电子数为a,次外层电子数为b;元素Y原子的M层电子数为(a-b),L层电子数为(a+b),则下列说法正确的是( )
A.可形成YX型化合物
B.Y原子质子数比X原子大6
C.X、Y的单质在化学反应中均易得到电子
D.X、Y的单质均易与氯气反应
【答案】B
【解析】由元素Y原子的电子层结构特点可得到a+b=8,8>a>b,再与元素X原子的电子层结构相结合可确定b=2,a=6,即X是氧元素,Y是硅元素,则A错误、B正确;硅在化学反应中更易表现出还原性而失电子,C错误;氧气不易直接与氯气反应,D错误。
7. 核电荷数小于18的某元素X,其原子核外电子层数为a,最外层电子数为(2a+1)。下列有关元素X的说法中不正确的是( )
A.元素X的原子核内质子数为(2a2-1)
B.元素X形成的单质既能作氧化剂又能作还原剂
C.元素X形成的简单离子,各电子层的电子数均达到2n2(n表示电子层数)
D.由元素X形成的某些化合物,可能具有杀菌、消毒的作用
【答案】C
【解析】因电子层数不可能为小数,只能为整数,根据题意,1≤a≤3,又因最外层电子数小于或等于8,即2a+1≤8,得1≤a≤3。当a=1时,不成立;当a=2时,最外层电子数为5,元素X为N;当a=3时,最外层电子数为7,元素X为Cl。当X为N元素时,质子数=2a2-1=2×22-1=7,当X为Cl元素时,质子数=2a2-1=2×32-1=17,故A项正确;由Cl2+H2O===HCl+HClO,N2+3H22NH3,N2+O22NO知,B项正确;Cl-的核外电子排布为,最外层电子数达不到2n2,C项错误;如果X为Cl,则可形成HClO,具有杀菌、消毒作用,D项正确。
8. 有A、B、C、D四种元素,A元素是地壳中含量最多的金属元素;B元素的原子其M层电子数比L层少1个电子;C元素的原子得到2个电子,D元素的原子失去1个电子,所得到的微粒具有与氩原子相同的电子数,回答下列问题:
(1)上述四种元素的名称分别是:A________;B_________;C________;D________。
(2)画出A离子、C原子的结构示意图:___________,________。
【答案】(1)铝 氯 硫 钾
【解析】A元素是地壳中含量最多的金属元素,所以A是Al;B元素的原子其M层电子数比L层少1个电子,所以B为Cl;C元素的原子得到2个电子,所得到的微粒具有与氩原子相同的电子数,所以C比氩原子少2个电子,即C为S;D元素的原子失去1个电子,所得到的微粒具有与氩原子相同的电子数,所以D比氩原子多1个电子,所以D为K。A离子为Al3+,其离子结构示意图为;C原子为S原子,其原子结构示意图为。
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