第四章 第一节 第2课时 元素周期表 核素

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第四章 第一节 原子结构与元素周期表
第2课时 元素周期表 核素
【学习目标】
1．了解元素周期表的发现史，知道元素周期表的结构，知道元素在周期表中的位置。
2．了解元素、核素、同位素的内含与外延。
【素养目标】
1．通过了解元素周期表的结构(周期族)，认识原子结构与元素周期表中位置间的关系，培养学生“宏观辨识与证据推理”的核心素养。
2．通过了解核素的含义及符号，了解元素、核素、同位素的内含与外延。培养学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
必备知识与关键能力
知识点一：元素周期表
1．原子序数
(1)含义：按照元素在周期表中的顺序给元素编号。
(2)原子序数与原子结构的关系：
原子序数＝核电荷数＝质子数＝核外电子数
2．元素周期表中元素相关信息
3．元素周期表的结构
(1)元素周期表的编排原则
(2)元素周期表的结构
①周期
含义：把电子层数相同的元素，按原子序数递增的顺序从左到右排列的一横行，叫做一个周期。
数目：元素周期表有7个横行，有7个周期。
特点：周期序数＝该周期元素原子的电子层数。
分类：
短周期：包括第一、二、三周期。
长周期：包括第四、五、六、七周期。
周期(7个横行，7个周期)
短周期 长周期
周期序数 一 二 三 四 五 六 七
元素种数 2 8 8 18 18 32 32
②族
含义：元素周期表18个纵列中，除中间8、9、10三个纵列为一族外，其余每一纵列为一族。
数目：元素周期表中有18个纵列，但只有16个族。
特点：主族元素的族序数＝该主族元素原子的最外层电子数。
分类：主族、副族(含Ⅷ族)、0族。
族(18个纵列，16个族)
主族 列 1 2 13 14 15 16 17
族 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
副族 列 3 4 5 6 7 11 12
族 ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB ⅠB ⅡB
Ⅷ族 第8、9、10列，共3个纵列
0族 第18纵列
(3)原子结构与元素周期表的关系
①原子结构与周期的关系：原子的电子层数＝周期序数
②原子结构与族的关系：主族元素原子最外层电子数＝主族序数
(4)元素周期表中的特殊位置
①按元素种类
a．分界线：沿着元素周期表中铝、锗、锑、钋与硼、硅、砷、碲、砹的交界处画一条虚线，即为金属元素区和非金属元素区的分界线。
b．各区位置：分界线左下方为金属元素区，分界线右上方为非金属元素区。
c．分界线附近元素的性质：既表现金属元素的性质，又表现非金属元素的性质。
②过渡元素：元素周期表中从第ⅢB族到第ⅡB族10个纵列共六十多种元素，这些元素都是金属元素。
③镧系：元素周期表第六周期中：57号元素镧到71号元素镥共15种元素。
④锕系：元素周期表第七周期中：89号元素锕到103号元素铹共15种元素。
⑤超铀元素：在锕系元素中，92号元素铀(U)以后的各种元素。
典例1．下列叙述中正确的是( )
A．除零族元素外，短周期元素的最高化合价在数值上等于该元素所属的族序数
B．ⅦA族元素其简单阴离子的核外电子层数等于该元索所在的周期数
C．除短周期外，其他周期均有18种元素
D．X2+的核外电子致目为18，则X在第三周期第ⅡA族
【答案】B
【解析】A、除零族元素外，短周期元素的最高化合价在数值上一般等于该元素所属的族序数，但O、F例外，故A错误；B、ⅦA族元素原子最外层获得电子达8电子稳定结构，电子层不变，元素周期数=原子电子层数，所以ⅦA族元素其简单阴离子的核外电子层数等于该元素所在的周期数，故B正确；C、元素周期表中第五、六周期存在镧系和锕系，各有32种元素，故C错误；D、X2+的核外电子数目为18，质子数为18+2=20，为Ca元素，位于第四周期第ⅡA族，故D错误；故选B。
典例2．著名化学家徐光宪(画面正中)，因为在稀土萃取领域取得的卓越成就被誉为“稀土界的袁隆平”。稀土元素是指镧系元素，加上钪和钇两种元素。下列说法正确的是( )
A．稀土元素一共有16种元素
B．稀土元素为主族元素
C．稀土元素全部是金属元素
D．某些稀土元素在地壳中的含量可能高于铝
【答案】C
【解析】稀土元素是指镧系的15种元素，加上钪和钇共17种元素，A错误；稀土元素为副族元素，B错误；稀土元素全部是金属元素，C正确；在地壳中含量最高的金属元素是铝元素，D错误。
知识点二：元素周期表在元素推断中的应用
1．元素位置推断
(1)利用元素的位置与原子结构的关系推断
本方法常用于确定原子序数小于18的元素。
①应用关系
等式一：周期序数=电子层数；
等式二：主族序数=最外层电子数；
等式三：原子序数=核电荷数=质子数=核外电子数。
②实例
(ⅰ)X元素是第三周期第ⅠA族元素，则该元素原子有三个电子层，最外层电子数是1，即为钠元素。
(ⅱ)Y元素的原子序数是16，则该元素的原子结构示意图是，其在周期表中位置是第三周期ⅥA族。
(2)利用短周期中族序数与周期数的关系推断
特殊位置 元素
族序数等于周期数 H、Be、Al
族序数等于周期数的2倍 C、S
族序数等于周期数的3倍 O
周期数等于族序数的2倍 Li
周期数等于族序数的3倍 Na
(3)利用离子电子层结构相同的“阴上阳下”推断
具有相同电子层结构的离子，如aX(n+1)+、bYn+、cZ(n+1) 、dMn 的电子层结构相同，在周期表中位置关系为
… cZ dM
bY aX …
则它们的原子序数关系为a＞b＞d＞c。
2．元素原子序数差的确定方法
(1)同周期第ⅡA族和第ⅢA族元素原子序数差
(2)同主族、邻周期元素的原子序数差
元素周期表中左侧元素(第ⅠA族、第ⅡA族) 同主族相邻两元素中，Z(下)＝Z(上)＋上一周期元素所在周期的元素种类数目
元素周期表中右侧元素(第ⅢA～第ⅦA族) 同主族相邻两元素中，Z(下)＝Z(上)＋下一周期元素所在周期的元素种类数目
(3)同周期第ⅡA族和第ⅢA族元素原子序数差
周期序数 1 2 3 4 5 6 7
原子序数差 无 1 1 11 11 25 25
(4)直接相邻的“┳”型、“┻”型、“╋”型原子序数关系
a．
b．
c．
d．
典例3．已知X、Y、Z三种主族元素在元素周期表中的位置如图所示，设X的原子序数为a，则下列说法不正确的是(　　)
A．Y与Z的原子序数之和可能为2a B．Y的原子序数可能为a－17
C．Z的原子序数可能为a＋31 D．X、Y、Z一定为短周期元素
【答案】D
【解析】由于X、Y、Z均为主族元素，结合其位置关系和元素周期表的结构，可推断Y元素一定不在第一周期，即X、Y、Z不可能都在短周期，D错误；若Y、X、Z分别位于第三、四、五周期的右侧，则Y、Z的原子序数之和为2a，A正确；若Y、X、Z分别位于第三、四、五周期(或分别位于第四、五、六周期)的右侧，则Y的原子序数为a－17，B正确；若Y、X、Z分别位于四、五、六周期的右侧，则Z的原子序数为a＋31，C正确。
典例4．A、B、C均为短周期元素，它们在元素周期表中的位置如图所示。已知B、C元素的原子序数之和是A元素原子序数的4倍，则A、B、C分别为(　　)
A．Be、Na、Ar B．B、Mg、Si
C．O、P、Cl D．C、Ar、P
【答案】C
【解析】设A的原子序数为x，则B的原子序数为x＋8－1，C的原子序数为x＋8＋1，由(x＋8－1)＋(x＋8＋1)＝4x，解得x＝8，所以A为O元素，B为P元素，C为Cl元素。
知识点三：元素周期表的应用
1．科学预测：为新元素的发现及预测它们的原子结构和性质提供了线索。
2．寻找新材料
3．用于工农业生产
对探矿有指导意义的是地球化学元素的分布与它们在元素周期表中的位置关系，研制农药材料等。
典例5．下列关于元素周期表和元素周期律的应用说法正确的是 (　　)
A．为元素性质的系统研究提供指导，为新元素的发现提供线索
B．在周期表中金属与非金属的分界处，寻找可作催化剂的合金材料
C．在ⅠA、ⅡA族元素中，寻找制造农药的主要元素
D．在过渡元素中，可以找到半导体材料
【答案】A
【解析】元素周期表和元素周期律为元素性质的系统研究提供指导，为新元素的发现提供线索，A项正确；在周期表中金属与非金属的分界处寻找半导体材料，B项错误；在非金属元素中寻找制造农药的主要元素，C项错误；在过渡元素中寻找可作催化剂的合金材料，D项错误。
知识点四：元素、核素、同位素
1．核素
(1)概念：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子叫做核素。
(2)实例：
①氢元素的三种核素
H：名称为氕，不含中子；
H：用字母D表示，名称为氘或重氢；
H：用字母T表示，名称为氚或超重氢。
②氧元素的三种核素为O、O、O。
③碳元素的三种核素为C、C、C。
④铀元素有U、U、U等多种核素。
(3)几种重要核素的用途
核素 U C H H O
用途 核燃料 用于考古断代 制氢弹 示踪原子
2．同位素
(1)概念
质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素，即同一元素的不同核素互称为同位素。
(2)特点——两同两不同
①两同：质子数相同，元素相同；
特征一 相同存在形态的同位素，化学性质几乎完全相同，物理性质不同
特征二 天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数(丰度)一般不变
②两不同：中子数不同，原子不同。
(3)性质
①同一元素的各同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质基本相同。
②天然存在的同位素，相互间保持一定的比率。
3．元素、核素、同位素的关系
(1)概念
(2)联系
①同种元素可以有多种不同的同位素原子，所以元素的种类数目远少于原子种类的数目。
②核素之间转化为核反应，不属于化学变化。
③同种元素可以有多种单质，所以单质种类数多于元素种类数。
4．两种相对原子质量的比较
含义及计算
原子的相对原子质量 该核素的一个原子的质量与12C原子质量的的比值，其近似相对原子质量＝质量数
元素的相对原子质量(近似相对原子质量) 根据各核素的相对原子质量(质量数)与它们在自然界所占的百分比计算出的平均值。 如Ar(Cl)＝Ar(35Cl)×a%＋Ar(37Cl)×b%。其近似值是用各核素质量数算出的平均值，即Ar(Cl)≈35×a%＋37×b%。
典例6．2015年4月，于敏获颁“影响世界华人终身成就奖”。“钚－239”是“于敏型”氢弹的重要原料。下列说法正确的是( )
A．239Pu原子的原子核中含有239个质子
B．238Pu、239Pu和241Pu属于不同的核素
C．238Pu与238U在元素周期表中的位置相同
D．239Pu衰变成235U属于化学变化
【答案】B
【解析】　239Pu中的239表示的是其质量数，A项错误；核素的种类是由质子数和中子数共同决定的，238Pu、239Pu和241Pu属于同种元素的不同核素，B项正确；238Pu与238U核电荷数不相同，属于不同的元素，在元素周期表中的位置不同，C项错误；由于化学变化不涉及原子核的变化，所以原子的衰变不是化学变化，D项错误。
典例7．2019年1月3日上午10时26分，嫦娥四号探测器实现人类探测器首次月背软着陆。月背探测器用的是同位素温差发动机，使用的放射性同位素有Sr(锶)、Pu(钚)、Po(钋)。通过衰变产生能量发电。下列有关同位素的说法中正确的是( )
A．位于周期表中同一周期同一族的不同的核素，一定互为同位素
B．氧有三种核素16O、17O、18O，所以自然界中的氧气分子共有6种
C．同位素是指质子数相同中子数不同的微粒间的互称
D．温差发动机使用时没有发生化学变化
【答案】D
【解析】位于周期表中同一周期第Ⅷ族的不同的核素，质子数可能不相等，所以它们之间不一定互为同位素，故A错误；因为同位素的化学性质基本相同，氧虽然有三种核素16O、17O、18O，但自然界中的氧气分子为1种，故B错误；同位素是指质子数相同中子数不同的不同核素之间的互称，故C错误；温差发动机使用时是将放射性同位素衰变时产生的能量转变成电能，发生的是核反应，没有发生化学变化，故D正确。
核心价值与学科素养
典例8．工业焊接钢管常用Cs进行“无损探伤”。下列有关说法正确的是( )
A．137表示质量数 B．137表示质子数
C．该原子的质子数大于中子数 D．55表示中子数
【答案】A
【解析】根据核素的符号可知137表示质量数，55表示质子数，A项正确，B、D两项错误；中子数＝质量数一质子数＝137－55＝82，质子数小于中子数，C项错误。
典例9．“玉兔”号月球车用Pu作为热源材料。下列关于Pu的说法正确的是( )
A．Pu与U互为同位素
B．Pu与Pu互为同素异形体
C．Pu与U具有完全相同的化学性质
D．Pu与Pu具有相同的最外层电子数
【答案】D
【解析】质子数相同、中子数不同的原子或同一元素的不同核素互为同位素，Pu与U的质子数不同，不互为同位素，A项错误；同种元素形成的不同单质互为同素异形体，Pu与Pu均为原子，不是同素异形体关系，B项错误；Pu与U的质子数不同，属于不同的元素，其化学性质不同，C项错误；Pu与Pu具有相同的质子数，所以其核外电子数相同，则具有相同的最外层电子数，D项正确。
典例10．中国科学家成功合成氮阴离子N，N是制备全氮类物质NN的重要中间体。下列说法中正确的是( )
A．N的中子数为7 B．每个N中含有35个质子
C．每个N中含有35个电子 D．N和N属于同位素
【答案】B
【解析】N的中子数为5个N原子的中子数之和，不可能是7，A项错误；N的质子数为7×5＝35，B项正确；N含有的电子数为5×7＋1＝36，C项错误；N和N属于离子，不可能互为同位素，D项错误。
【跟踪练习】 基础过关
1． 医学界通过用14C标记的C60发现的一种C60的羟酸衍生物，这种羟酸衍生物在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病毒的繁殖。下列有关14C的正确叙述是(　　)
A.与12C60的碳原子化学性质不同 B．与14N含的中子数相同
C．是12C60的同素异形体 D．与12C互为同位素
【答案】D
【解析】14C与12C互为同位素
2． 某周期的第ⅠA族元素的原子序数为x，那么同一周期第ⅢA族元素的原子序数为( )
A．肯定是x＋2
B．肯定是x＋2或x＋8或x＋32
C．肯定是x＋2或x＋12或x＋26
D．肯定是x＋2或x＋10或x＋26
【答案】C
【解析】第ⅠA族元素在第二、三周期时，同周期第ⅢA族元素的原子序数为x＋2；第ⅠA族元素在第四、五周期时，同周期第ⅢA族元素的原子序数为x＋12；第ⅠA族元素在第六、七周期时，同周期第ⅢA族元素的原子序数为x＋26。
3． 已知aAn＋、bB(n＋1)＋、cCn－、dD(n＋1)－是具有相同的电子层结构的离子，关于A、B、C、D四种元素的叙述正确的是(　　)
A．离子半径：A>B>C>D B．原子序数：b>a>c>d
C．原子半径：D>C>B>A D．四种元素一定属于短周期元素
【答案】B
【解析】由于四种离子具有相同的电子层结构，可以推知四种元素在周期表中的位置关系如图：
…… D C
A B ……
原子序数b>a>c>d；具有相同电子层结构的离子，核电荷数越大，离子半径越小；原子半径A>B>D>C；A和B可以为第四周期元素。A项，同一种元素的化学性质是一样的， 14C与12C60中普通碳原子的化学性质相同，故A错误；B项，14C和14N中14表示质量数，而C和N的质子数分别为6和7，由中子数＝质量数－质子数可知它们的中子数分别为8、7，故B错误；C项，14C是原子，12C60是分子，所以不是同素异形体，故C错误；D项，同位素是质子数相同、中子数不同的原子的互称， 14C与12C的质子数相同，中子数不同，互为同位素，故D正确。
4． 重水(D2O)主要用于核反应堆中中子的减速剂和冷却剂，在化学和生物学中，重水常用作示踪物质来研究反应机理等。下列说法正确的是 (　　)
A．D是氢的一种核素，原子核内有2个中子
B．1HO与DO的相对分子质量相同
C．3H2O与D2O互称同位素
D．通过化学变化可以直接实现普通水向重水转化
【答案】B
【解析】氘(D)原子的质量数为2，质子数为1，则中子数为1，A错误；1HO的相对分子质量是20，DO的相对分子质量是20，B正确；具有相同质子数、不同中子数的同一元素的不同核素互称同位素，3H2O与D2O是分子，不能互称同位素，C错误；化学变化不能实现原子核内的变化，D错误。
5． 俄罗斯科学家用铪和钨两种核素精确测定了地球和月球的年龄，得出月球至少比地球早700万年形成，它们是根据Hf(铪－182)和W(钨－182)两种核素的含量比例得出的。下列有关铪－182和钨－182的关系说法正确的是(　　)
A．在周期表中处于相邻位置
B．互为同位素
C．电子数相同
D．中子数分别为110个 和108个
【答案】D
【解析】A.二者的核电荷数分别为72、74，则在周期表中不处于相邻位置，分别位于73的两侧，故A错误；B.质子数相同，中子数不同的同一种元素的不同核素互称为同位素，两种核素的质子数不同，不属于同位素，故B错误；C.核电荷数＝核外电子数，两者电子数分别为72、74，不不相等，故C错
能力达成
6． 元素周期表有许多有趣的编排方式，有同学将短周期元素按照原子序数递增的顺序进行排列得到如图所示的“蜗牛”元素周期表。图中每个“·”代表一种元素(图中字母不表示元素符号)。下列说法正确的是( )
A．Y的氢化物的热稳定性比Z的差
B．K、Z的氢化物的水溶液都显酸性
C．L、M、X位于同主族
D．K、L、X、Z简单离子半径大小顺序是Z－>L＋>X3＋>K3－
【答案】A
【解析】P为H，按照原子序数由小到大、由里往外延伸，由题图可知，K为N，L为Na，M为Mg，X为Al，Y为P，Z为Cl。P的非金属性小于Cl，P的氢化物的热稳定性比Cl的氢化物的差，A项正确；N的氢化物的水溶液显碱性，B项错误；Na、Mg、Al位于同周期，C项错误；Cl－的半径最大，但N3－、Na＋、Al3＋具有相同电子层结构，原子序数大的离子半径小，则离子半径大小顺序是Z－>K3－>L＋>X3＋，D项错误。
7． 下表所示的五种元素中，W、X、Y、Z为短周期元素，这四种元素的原子最外层电子数之和为22。下列说法正确的是( )
X Y
W Z
T
A. W、X、Y三种元素氢化物的稳定性依次降低
B．Z、W的最高价氧化物对应的水化物酸性较强的是W
C．五种元素均为非金属元素
D．T元素的单质具有半导体的特征，T与Z元素可形成化合物TZ4
【答案】D
【解析】设W的最外层电子数为a，故X的最外层电子数为a＋1，Y的最外层电子数为a＋2，Z的为a＋3，故有a＋a＋1＋a＋2＋a＋3＝22，故a＝4。A项，由周期表可知非金属性Y>X>W，故氢化物稳定性Y>X>W，错误；B项，最高价氧化物对应的水化物的酸性Z>W，错误；C项，若X、Y在第二周期，则T为锗，为金属元素，错误；D项，由计算可知Z为第ⅦA族，T为第ⅣA族，故二者可形成TZ4，正确。
8． X、Y、Z、M是4种短周期主族元素，在周期表中的相对位置如下：
X Y
Z M
Z的单质既可以与盐酸反应也可以与氢氧化钠溶液反应，室温下M的单质为淡黄色固体，回答下列问题：
(1)M元素在周期表中的位置是_______________，
X、Y元素的气态氢化物稳定性较强的是________(填化学式)。
(2)Z元素的氧化物具有两性，请写出其氧化物与氢氧化钠溶液反应的离子方程式：
_______________________________________________。
(3)Y元素的原子结构示意图： 。
(4)X元素形成的单质有石墨、金刚石等，二者互为_____________(填“同素异形体”“同位素”或“同分异构体”)。
【答案】(1)第三周期第ⅥA族　NH3 (2)Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O
(4)同素异形体
【解析】Z的单质既可以与盐酸反应也可以与氢氧化钠溶液反应，Z是Al元素；室温下M单质为淡黄色固体，M是S元素；根据X、Y、Z、M在元素周期表中的相对位置可知，X、Y分别是C、N。
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