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微专题1 基于元素“位”“构”
“性”之间的关系的元素推断
目 标 素 养
1.进一步理解巩固元素“位”“构”“性”之间关系的一般规律。
2.掌握元素推断的一般规律和方法。
3.逐步形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
知识讲解
1.元素“位”“构”“性”之间关系的一般规律。
上述内容可表述为:
2.元素周期表中的规律举例。
(1)递变性规律。
A、B、C三种元素在元素周期表中位置如图所示,则有下列性质:
①原子半径:C>A>B;②金属性:C>A>B;③非金属性:B>A>C。
(2)相似性规律。
①同主族元素性质相似,如图中A、C。
②处于“对角线”位置的元素某些性质相似,图中A、D位置的元素有些性质相似,如Li和Mg、Be和Al等。
③同周期相邻元素的性质差别不大。
(3)奇偶规律。
元素周期表中,原子序数是奇数的主族元素位于奇数族,主要化合价是奇数;原子序数是偶数的主族元素位于偶数族,主要化合价是偶数。口诀为“奇序奇族奇价,偶序偶族偶价”。
3.主族元素的周期性变化规律。
项目 同周期主族元素(左→右) 同主族元素(上→下)
原子结构 核电荷数 逐渐增大 逐渐增大
能层数 相同 逐渐增多
原子半径 逐渐减小 逐渐增大
离子半径 阳离子逐渐减小
阴离子逐渐减小
阴离子大于阳离子 逐渐增大
项目 同周期主族元素(左→右) 同主族元素(上→下)
性
质 主要
化合价 最高正化合价+1→+7(O、F除外),最低负化合价=
-(8-主族序数)(H为-1) 相同,最高正化合价=主族序数(O、F除外)
第一电离能 呈增大趋势 逐渐减小
电负性 一般来说,逐渐增大 一般来说,
逐渐减小
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
项目 同周期主族元素(左→右) 同主族元素(上→下)
性
质 离子的氧化性、还原性 阳离子氧化性逐渐增强;
阴离子还原性逐渐减弱 阳离子氧化性逐渐减弱;
阴离子还原性逐渐增强
气态氢化物的稳定性 一般来说,逐渐增强 逐渐减弱
最高价氧化物对应的水化物的酸碱性 碱性逐渐减弱;
酸性逐渐增强 碱性逐渐增强;酸性逐渐减弱
典例剖析
【例1】 X、Y、Z、W是元素周期表中原子序数依次增大的四种短周期元素,其相关信息如下表:
元素 相关信息
X X的最高价氧化物对应的水化物的化学式为H2XO3
Y Y是地壳中含量最高的元素
Z Z的基态原子的最外层电子排布式为3s23p1
W W的一种核素的质量数为28,中子数为14
(1)W元素在元素周期表中的位置是 ,X元素基态原子的轨道表示式是 。
(2)原子半径:X (填“>”或“<”,下同)W;
第一电离能:Z W。
(3)振荡下,向Z单质与盐酸反应后的无色溶液中滴加NaOH溶液直至过量,能观察到的现象是 。
(4)W单质是重要的半导体材料。W单质能与NaOH溶液反应生成一种盐和一种无色气体,该反应的化学方程式为 。等质量的W单质和Z单质分别与足量NaOH溶液反应,生成气体较多的是 (填元素符号)。
答案:(1)第三周期第ⅣA族
(2)< <
(3)先生成白色沉淀,后沉淀逐渐溶解,最后变成无色溶液
(4)Si+2NaOH+H2O═Na2SiO3+2H2↑ Si
解析:根据题给信息可以推断出X为C,Y为O,Z为Al,W为Si。(1)Si位于元素周期表第三周期第ⅣA族。(2)原子半径为C易错提醒
熟练掌握元素位、构、性三者之间的关系规律是快速正确推断元素的基础。在运用规律时,既要掌握规律的普遍性,还要考虑特殊性。
学以致用
1.如图为一张没有填写内容的元素周期表。
(1)已知A、B、C、D、E、F六种短周期元素的原子半径和某些化合价如下表所示,试将B、E的元素符号填入上图所示元素周期表中的相应位置。
元素 A B C D E F
化合
价/价 -2 +5、
-3 +4、
-4 +6、
-2 +2 +1
原子半
径/nm 0.074 0.075 0.077 0.102 0.160 0.186
(2)写出基态G原子的电子排布式: 。
(3)图中阴影部分所示区域的元素称为 元素,包括 区。下列元素属于该区域的是 (填序号)。
①K ②Fe ③I ④Zn
(4)A、B、C三种元素的第一电离能由大到小为_________ (填元素符号)。
答案:(1)
(2)1s22s22p63s23p63d104s1
(3)过渡 d、ds ②④
(4)N>O>C
解析:(1)根据原子半径及元素化合价可以推知B、E分别为氮、镁。(2)根据G在元素周期表中的位置可推断G为铜元素。(3)阴影部分的元素属于过渡元素,包括d区和ds区。Fe和Zn位于该区域。K位于该区域左侧的s区,I位于该区域右侧的p区。(4)根据原子半径及元素化合价可推知A为氧,C为碳。同周期元素第一电离能从左到右呈增大趋势,但N的3p轨道为半充满状态,较稳定,N的第一电离能比O的大。
知识讲解
1.元素推断的一般思路。
2.元素推断的常用方法。
(1)利用稀有气体元素原子结构的特征性。稀有气体元素原子的电子层结构与同周期的非金属元素原子形成的阴离子的电子层结构相同,与下一周期的主族元素原子形成的阳离子的电子层结构相同。
①与He电子层结构相同的离子有H-、Li+、Be2+等。
②与Ne电子层结构相同的离子有F-、O2-、Na+、Mg2+、Al3+等。
③与Ar电子层结构相同的离子有Cl-、S2-、K+、Ca2+等。
(2)利用常见元素及其化合物的特征性。
①形成化合物种类最多的元素之一、其单质是自然界中硬度最大的物质的元素:C。
②空气中含量最多的元素或气态氢化物的水溶液呈碱性的元素:N。
③地壳中含量最多的元素或氢化物在通常情况下呈液态的元素:O。
④单质密度最小的元素:H;单质密度最小的金属元素:Li。
⑤单质在常温下呈液态的非金属元素:Br;单质在常温下呈液态的金属元素:Hg。
⑥最高价氧化物及其对应水化物既能与强酸反应,又能与强碱反应的主族元素:Be、Al。
⑦元素的气态氢化物和它的最高价氧化物对应的水化物能发生化合反应的元素:N;元素的气态氢化物和它的最高价氧化物对应的水化物的浓溶液能发生氧化还原反应的元素:S。
⑧元素的单质在常温下能与水反应放出气体的短周期元素: Li、Na、F等。
3.确定元素位置的常用方法。
(1)由基态原子的价层电子排布式给元素定位。
①周期序数=能层数=最高能层序数,主族元素的族序数=价层电子数。
②第ⅢB族~第ⅦB族的价层电子排布式为(n-1)d1~10ns1~2(镧系、锕系除外),族序数=价层电子数。如锰的价层电子排布式为3d54s2,它位于元素周期表中第四周期第ⅦB族。
③第ⅠB族、第ⅡB族的价层电子排布式为(n-1)d10ns1~2,族序数=ns轨道上的电子数。
(2)以0族元素为基准,根据原子序数给元素定位。
稀有气体元素 He Ne Ar Kr Xe Rn
所在周期序数 一 二 三 四 五 六
原子序数 2 10 18 36 54 86
①原子序数-稀有气体元素的原子序数(相近且小)=元素所在的纵列数。
第1、2纵列为第ⅠA族、ⅡA族,第3~7纵列为第ⅢB族~第ⅦB族,第8~10纵列为第Ⅷ族,第11、12纵列为第ⅠB族、ⅡB族,第13~17纵列为第ⅢA族~第ⅦA族。该元素所在的周期序数=稀有气体元素所在的周期序数(相近且小)+1。如判断原子序数为41的元素在元素周期表中的位置:41与36接近,41-36=5,故该元素位于第五周期第ⅤB族。
特别说明:使用此法给第六、第七周期第ⅢB族(含镧系、锕系元素)后的元素定位,需用原子序数减稀有气体元素的原子序数(相近且小),再减14。
②稀有气体元素的原子序数(相近且大)-原子序数=18-该元素所在纵列数。如判断新发现的114号元素在元素周期表中的位置:118-114=4,为顺数第14纵列或倒数第5纵列,故114号元素位于第七周期第ⅣA族。
典例剖析
【例2】 A、B、C、D四种元素位于元素周期表前四周期,且它们的原子序数依次增大。A元素基态原子有3个未成对电子;B元素基态原子次外层有8个电子,1 mol B元素单质与足量盐酸反应可生成1 mol H2,B元素单质不易与冷水反应;C元素的+3价基态离子的d轨道为半充满结构;D元素易形成-1价离子。
(1)四种元素中,电负性最大的是 ,第一电离能最小的是 。(填元素符号)
(2)A元素在元素周期表中位于 区,其基态原子的轨道表示式为 。
(3)C元素在元素周期表中的位置: ,其基态C2+的电子排布式为 ,试从原子结构角度分析C2+具有较强还原性的原因: 。
(4)比较A3-和B2+的离子半径大小,并说明判断依据:
。
答案:(1)N Mg
(2)p
(3)第四周期第Ⅷ族 1s22s22p63s23p63d6 Fe2+价层的3d能级有6个电子,易失去1个电子形成较稳定的半充满结构3d5,表现较强的还原性
(4)离子半径:N3->,二者核外电子排布相同,但Mg的核电荷数大,吸引电子能力较强,半径较小
解析:C元素的+3价基态离子的d轨道为半充满结构,即为3d5排布,其基态原子的价层电子排布式为3d64s2,C为铁元素;D元素的原子序数比C元素的大,因此D元素在第四周期,D元素易形成-1价阴离子,则D为溴元素。B元素基态原子次外层有8个电子,1 mol B元素单质与盐酸反应产生1 mol H2,并且B元素单质不易与冷水反应,可知B为第ⅡA族的Mg元素。A元素的原子序数比B元素的小,A元素基态原子有3个未成对电子,其价层电子排布为2s22p3,则A为氮元素。
易错提醒
作答时要认真审题,区分开基态原子与基态离子,电子排布式与简化电子排布式、价层电子排布式、轨道表示式等,不要答非所问。
学以致用
2.W、X、Y、Z、M、N六种元素的原子序数依次递增,其中W、X、Y为短周期元素,六种元素的元素性质或原子结构特征如下表,回答下列问题。
元素 元素性质或原子结构特征
W 原子p轨道的电子数为2
X 原子中最高能级的不同轨道都有电子,且自旋方向相同
Y 最外能层电子数是最内能层电子数的3倍
Z 原子核外s能级上的电子总数与p能级上的电子总数相等,但第一电离能高于同周期相邻元素
M 第24号元素
N 一种常见的金属元素,正三价离子遇硫氰化钾显红色
(1)写出元素Z在元素周期表中的位置: 。
(2)W、X、Y三种元素的电负性由大到小的顺序为 (填元素符号,下同),这三种元素的第一电离能由大到小的顺序为 。
(3)写出元素M的价层电子排布式: 。
(4)写出元素N的+3价离子N3+的最外层电子排布图: 。
答案:(1)第三周期第ⅡA族
(2)O>N>C N>O>C
(3)3d54s1
(4)
解析:由分析可知,W为C,X为N,Y为O,Z为Mg,M为Cr,N为Fe。
(1)Z是Mg,在元素周期表中的位置是第三周期第ⅡA族。
(2)同周期主族元素自左而右电负性逐渐增大,W、X、Y三种元素的电负性由大到小的顺序:O>N>C;同周期主族元素随原子序数增大第一电离能呈增大趋势,N元素原子2p轨道为半充满稳定状态,其第一电离能大于同周期相邻元素,故第一电离能由大到小的顺序:N>O>C。
(3)M是第24号元素,核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1,属于过渡元素,其价层电子排布式为3d54s1。
(4)N是Fe,其+3价离子Fe3+的最外层电子排布式是3s23p63d5,排布图为 。微专题1 基于元素“位”“构”
“性”之间的关系的元素推断
课后·训练提升
1.X和Y为两种元素的原子,X的阴离子与Y的阳离子具有相同的电子层结构,由此可知下列叙述正确的是 ( )。
A.X的原子半径大于Y的原子半径
B.X的电负性大于Y的电负性
C.X的阴离子半径小于Y的阳离子半径
D.X的第一电离能小于Y的第一电离能
答案B
解析X和Y为两种元素的原子,X的阴离子与Y的阳离子具有相同的电子层结构,X、Y在元素周期表中的相对位置是,Y在周期表中位于X的下一周期,Y比X多一个电子层,原子半径Y>X,A项错误;根据同周期、同主族电负性和第一电离能递变规律可知,电负性X>Y,第一电离能X>Y,B项正确、D项错误;电子层结构相同,核电荷数越大,粒子半径越小,所以X的阴离子半径大于Y的阳离子半径,C项错误。
2.已知锰元素的核电荷数为25,下列有关基态锰原子核外电子排布正确的是( )。
A.基态锰原子价电子轨道表示式为
B.基态锰原子核外电子先排满4s能级,再排3d能级
C.锰原子失去电子形成Mn2+时应失去3d轨道上的电子
D.锰原子的2p和3p原子轨道的形状、能量均相同
答案B
解析根据洪特规则,由基态锰原子核外电子排布式可知,5个3d轨道上各有1个电子且自旋方向相同,价电子轨道表示式应为,A项错误;4s能级比3d能级能量低,核外电子排布时先排满4s轨道,再排3d轨道,B项正确;锰原子失去电子形成Mn2+时应先失去4s轨道上的电子,C项错误;锰原子的2p和3p原子轨道的形状均为哑铃形,但2p轨道能量低于3p轨道,D项错误。
3.短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大。X的原子半径最小,Y是空气中含量最多的元素,基态时Z原子s能级和p能级的电子总数相等,W原子核外无未成对电子。下列说法正确的是( )。
A.半径大小:r(X)B.电离能大小:I1(Y)C.电负性大小:XD.由X、Y、Z三种元素组成的化合物一定是碱
答案A
解析由分析可知,X为H,Y为N,Z为O,W为Mg。同周期主族元素自左而右原子半径逐渐减小,同主族自上而下原子半径逐渐增大,所有元素中氢原子半径最小,故原子半径:r(X)4.(1)新型储氢材料是开发利用氢能的研究方向,Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由LiBH4和TiCl4反应制得。
①基态Cl原子有 种空间运动状态的电子,Cl元素位于 (填“s”“p”“d”或“f”)区。
②Li、Be、B元素的第一电离能由大到小排列顺序为 。
③某储氢材料是短周期金属元素M的氢化物,M的部分逐级电离能如下表所示,则M是 (填元素符号)。
580 1 820 2 750 11 600
(2)2020年12月17日,嫦娥五号首次成功实现地外天体采样返回,标志着我国航天向前迈出了一大步。其制作材料中包含了Al、Cr、Cu、C、N、O、Si等多种元素。上述元素中基态原子未成对电子数与基态Al原子相同的有 。
(3)Bi元素主要用于制造易熔金属合金,Bi元素位于第六周期第ⅤA族,其基态原子的价电子排布式为 。Bi(NO3)3·5H2O中各元素电负性从大到小的顺序为 。
答案(1)①9 p ②Be>B>Li ③Al (2)Cu (3)6s26p3 O>N>H>Bi
解析(1)①Cl是17号元素,根据构造原理可知,基态Cl原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5,处于同一轨道的电子的空间运动状态相同,氯原子的核外有电子填充的轨道为9个,则核外有9种空间运动状态不同的电子;Cl元素属于元素周期表第三周期第ⅦA族元素,位于周期表的p区;②同一周期元素的第一电离能自左至右呈增大趋势,第ⅡA族和第ⅤA族元素处于全满、半满的较稳定状态,其第一电离能大于同一周期相邻元素而出现反常,所以Li、Be、B的第一电离能由大到小排列顺序为Be>B>Li;③由表中数据可知,金属M的第一、第二、第三电离能都比较接近,但第四电离能出现了突变,说明金属M的最外层为3个电子,所以M为金属Al。(2)基态Al原子的价电子排布为3s23p1,未成对电子数为1,Al、Cr、Cu、C、N、O、Si中只有基态Cu原子(3d104s1)的未成对电子数与Al相同。(3)元素Bi位于第六周期第ⅤA族,其基态原子的价电子排布式为6s26p3。一般情况下,金属元素电负性小于非金属元素,再结合同周期、同主族元素的电负性递变规律可知,电负性O>N>H>Bi。
