第14章第45讲原子结构与性质

第45讲原子结构与性质考点1原子结构与核外电子排布原子核外电子排布的几条规律(1)能量最低原理现代物质结构理论证实，原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低，而不局限于某个能级。(2)泡利(不相容)原理：基态多电子原子中，不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。换言之，一个轨道里最多只能容纳两个电子，且自旋方向相反(用“↑↓”表示)，这个原理称为泡利(Pauli)原理。(3)洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道(能量相同)时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特(Hund)规则。比如，p3的轨道式为或，而不是。↑↑↑↓↓↓↑↓↑洪特规则特例：当p、d、f轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于较稳定的状态。即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14时，是较稳定状态。前36号元素中，全空状态的有4Be2s22p0、12Mg3s23p0、20Ca4s23d0；半充满状态的有：7N2s22p3、15P3s23p3、24Cr3d54s1、25Mn3d54s2、33As4s24p3；全充满状态的有10Ne2s22p6、18Ar3s23p6、29Cu3d104s1、30Zn3d104s2、36Kr4s24p6。例1有四种短周期元素，它们的结构、性质等信息如下表所述。元素结构、性质等信息A是短周期中(除稀有气体外)原子半径最大的元素，该元素的某种合金是原子反应堆的导热剂BB与A同周期，其最高价氧化物的水化物呈两性C元素的气态氢化物极易溶于水，可用作制冷剂D是海水中除氢、氧元素外含量最多的元素，其单质或化合物也是自来水生产过程中常用的消毒杀菌剂请根据表中信息填写：(1)A原子的核外电子排布式为______________。(2)B元素在周期表中的位置为______________；离子半径：B__________A(填“大于”或“小于”)。(3)C原子的电子排布图是________________，其原子核外有____________个未成对电子，能量最高的电子为____________轨道上的电子，其轨道呈__________形。(4)D原子的电子排布式为__________，D－的结构示意图是__________。(5)B的最高价氧化物对应的水化物与A的最高价氧化物对应的水化物反应的化学方程式为_________________________________，与D的氢化物的水化物反应的化学方程式为_________________________________。【解析】根据题中信息可推出：A为Na，B为Al，C为N，D为Cl。(1)Na原子核外电子排布式为1s22s22p63s1。(2)B为Al，其在元素周期表中的位置为第3周期第ⅢA族，Na＋与Al3＋核外电子排布相同，核电荷数Al3＋大于Na＋，故r(Al3＋)r(Na＋)。(3)C为N，其电子排布图为，其中有3个未成对电子，能量最高的为2p轨道上的电子，其轨道呈哑铃形。(4)D为Cl，其核外电子排布式为1s22s22p63s23p5，简化电子排布式为[Ne]3s23p5，Cl－的结构示意图为(5)本题考查Al(OH)3分别与NaOH、盐酸反应的方程式。Al(OH)3＋NaOH===NaAlO2＋2H2O，Al(OH)3＋3HCl===AlCl3＋3H2O。【答案】(1)1s22s22p63s1(2)第3周期第ⅢA族小于(3)32p哑铃(4)1s22s22p63s23p5或[Ne]3s23p5(5)NaOH＋Al(OH)3===NaAlO2＋2H2O3HCl＋Al(OH)3===AlCl3＋3H2O考点2原子结构与元素周期律1．元素周期表的分区(1)根据核外电子排布①分区②各区元素化学性质及原子最外层电子排布特点分区元素分布外围电子排布元素性质特点s区ⅠA、ⅡA族ns1～2除氢外都是活泼金属元素；通常是最外层电子参与反应p区ⅢA族～ⅦA族、零族ns2np1～6通常是最外层电子参与反应d区ⅢB族～ⅦB族、Ⅷ族(除镧系、锕系外)(n－1)d1～9ns1～2d轨道可以不同程度地参与化学键的形成续表分区元素分布外围电子排布元素性质特点ds区ⅠB族、ⅡB族(n－1)d10ns1～2金属元素f区镧系、锕系(n－2)f0～14(n－1)d0～2ns2镧系元素化学性质相近，锕系元素化学性质相近③若已知元素的外围电子排布，可直接判断该元素在周期表中的位置。如：某元素的外围电子排布为4s24p4，由此可知，该元素位于p区，为第四周期ⅥA族元素。即最大能层为其周期数，最外层电子数为其族序数，但应注意过渡元素(副族与第Ⅷ族)的最大能层为其周期数，外围电子数应为其纵列数而不是其族序数(镧系、锕系除外)。2．原子结构与元素性质的递变规律3.对角线规则在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的有些性质是相似的，如例2在元素周期表中，一稀有气体元素原子的最外层电子构型为4s24p6，与其同周期的A、B、C、D四种元素，它们的原子的最外层电子数依次为2、2、1、7，其中A、C两元素原子的次外层电子数为8，B、D两元素原子的次外层电子数为18，E、D两元素处于同族，且在该族元素中，E的气态氢化物的沸点最高。(1)B元素在周期表中的位置是____________，B元素原子的价层电子排布为___________。(2)E的气态氢化物在同族元素中沸点最高的原因是_______________________________。(3)A、C两元素第一电离能_______＞______。(填元素符号)(4)D元素原子的结构示意图为____________。(5)A、E所形成化合物的电子式为_________。【解析】据稀有气体的最外层电子构型，知其为第4周期元素，则A、B、C、D均为第4周期元素。D元素最外层电子数为7，则D为Br；A、C两元素原子的次外层电子数均为8，最外层电子数分别为2、1，则A为Ca，C为K；B元素原子的次外层电子数为18，最外层电子数为2，则B为Zn；E、D两元素处于同族，为ⅦA族，且在该族元素中，E的气态氢化物的沸点最高，可知E为F(HF分子间存在氢键)。【答案】(1)第4周期ⅡB族3d104s2(2)HF分子之间存在氢键(3)CaK(4)(5)解答元素推断题的突破口可能是原子结构、元素在周期表中的位置、元素的性质等；在解答这类问题时，关键是抓住元素性质和元素在周期表中的位置的关系，从原子半径的变化和元素的最高正价和最低负价入手寻求突破。1.(2011·安徽卷)中学化学中很多“规律”都有其使用范围，下列根据有关“规律”推出的结论合理的是()A．根据同周期元素的第一电离能变化趋势，推出Al的第一电离能比Mg大B．根据主族元素最高正化合价与族序数的关系，推出卤族元素最高正价都是＋7C．根据溶液的pH与溶液酸碱性的关系，推出pH＝6.8的溶液一定显酸性D．根据较强酸可以制取较弱酸的规律，推出CO2通入NaClO溶液中能生成HClOD【解析】本题考查各种“规律”，综合考查化学原理中的共性与特性。选项具体分析结论A同一周期自左向右，第一电离能呈现增大趋势，但由于p轨道处于全空、半充满或全充满时相对稳定，这使得第ⅡA族与第ⅢA族、第ⅤA族与第ⅥA族反常，故Mg比Al的第一电离能要大错误BF的电负性最大，没有正化合价错误C溶液的酸碱性受pH和温度共同影响。常温下，pH7的溶液才为酸性错误D由于酸性：H2CO3HClO，故能发生反应：NaClO＋CO2＋H2O===HClO＋NaHCO3正确2.(2010·上海卷)几种短周期元素的原子半径及主要化合价如下表：元素代号XYZW原子半径/pm1601437066主要化合价＋2＋3＋5、＋3、－3－2下列叙述正确的是()A．X、Y元素的金属性：XYB．一定条件下，Z单质与W的常见单质直接生成ZW2C．Y的最高价氧化物对应的水化物能溶于稀氨水D．一定条件下，W单质可以将Z单质从其氢化物中置换出来D【解析】此题考查了物质结构与元素周期律知识。根据题给数据，X、Y的化合价不同，但原子半径相差较小，可知两者位于同一周期相邻主族，故金属性XY，A错；根据Z、W的原子半径相差不大，化合价不同，且W只有负价，则其可能是O，Z是N，两者的单质直接生成NO，B错；据此判断可知X是Mg，Y是Al；Y的最高价氧化物的水化物是氢氧化铝，不溶于氨水，C错；一定条件下，氧气可以和氨气反应生成水和氮气，D对。3.(2011·晋中月考)下列说法中正确的是()A．第三周期所包含的元素中钠的原子半径最小B．钠的第一电离能比镁的第一电离能大C．在所有元素中，氟的电负性最大D．电子云示意图中的每个小黑点都表示一个电子C【解析】同一周期，从左到右，原子半径逐渐减小，第三周期所包含的元素中钠的原子半径最大，A错误；同一周期，从左到右，虽然有个别特殊性，但总体上元素第一电离能是逐渐增大的，钠的第一电离能比镁的第一电离能小，B错误；电负性就是以氟作为标准的，氟的电负性最大是正确的；电子云示意图中的小黑点的疏密代表电子在这一区域出现机会的大小，D不对。4.(2011·湖南师大附中月考)请完成下列各题：(1)前四周期元素中，基态原子中未成对电子与其所在周期数相同的元素有_______种。(2)ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的平等体材料，其晶体结构与单晶硅相似，Ga原子的电子排布式为_______________________________________。在GaN晶体中，每个Ga原子与_______个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间构型为____________。在四大晶体类型中，GaN属于_____晶体。51s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p14正四面体原子(3)在极性分子NCl3中，N原子的化合价为－3，Cl原子的化合价为＋1，请推测NCl3水解的主要产物是_________________________(填化学式)。(4)D元素的正三价离子的3d亚层为半充满，D元素的正三价离子的电子排布式为_________________________；写出D元素的正三价离子与NCl3在水溶液中反应的离子方程式：___________________________________________。HClO、NH3·H2O1s22s22p63s23p63d5Fe3＋＋3NCl3＋12H2O===Fe(OH)3↓＋3＋9HClO+4NH【解析】本题主要考查原子结构知识，涉及原子的基态电子排布式及分子构型、离子方程式的书写等知识点。(1)前四周期中，基态原子中未成对电子数与其周期数相同的元素包括：第一周期的氢、第二周期的碳和氧、第三周期的磷、第四周期的铁，共5种。(2)Ga在元素周期表中是第四周期ⅢA族，原子序数是31，即原子核外电子数是31，根据核外电子的排布规律可以写出该原子的电子排布式：1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1。因为GaN晶体结构与单晶硅相似，可知GaN晶体是原子晶体，晶体结构为空间网状结构，每个Ga原予与4个N原子相连，这4个N原子构成的空间构型是正四面体。(3)水解反应前后各元素的化合价不变，则在NCl3水解的产物中N的化合价还是－3价，Cl的化合价还是＋1价，分析可知其水解产物是HCl和NH3·H2O。(4)该离子为Fe3＋，其电子排布式为1s22s22p63s23p63d5。在水溶液中Fe3＋与NCl2反应的实质是与其水解的产物NH3·H2O反应，因此其离子方程式为Fe3＋＋3NCl3＋12H2O===Fe(OH)3↓＋3＋9HClO。+4NH1.(2011·安徽卷)W、X、Y、Z是四种常见的短周期元素，其原子半径随原子序数变化如下图所示，已知W的一种核素的质量数为18，中子数为10；X和Ne原子