高中化学必修1学案专题1第三单元人类对原子结构的认识

第三单元人类对原子结构的认识一、原子结构模型的演变二、原子核外电子排布1．原子核外电子是分层排布的。在化学反应过程中原子核不发生变化，但原子的核外电子可能会发生变化。活泼金属与活泼非金属反应时，金属容易失去电子，表现为正化合价，非金属容易得到电子，表现为负化合价。活泼金属元素原子失去电子和活泼非金属元素原子得到电子都形成稳定的电子结构。2．钠、镁、铝等活泼金属与活泼非金属反应时容易失去电子，氧、氟、氯等活泼非金属与活泼金属反应时容易得到电子。3．镁原子最外层只有2个电子，在反应过程中容易失去2个电子，所以镁元素在化合物中常显＋2价。写出镁分别跟氧、氯、氮、硫形成的化合物的化学式：MgO、MgCl2、Mg3N2、MgS。氧原子最外层有6个电子，在反应过程中容易得到2个电子，所以氧元素在化合物中常显－2价。三、原子核的组成1．原子的构成质量数(A)＝质子数＋中子数；质子数(Z)＝核电荷数＝核外电子数。2．原子核位于原子的中心，它由带正电荷的质子和不显电性的中子构成(氢原子核内没有中子，是一个特例)，电子在原子核外做高速运动，1个电子带1个单位的负电荷，原子核内质子数与核外电子数相等，所以原子是呈电中性的。3．原子质量主要集中在原子核上。质子、中子的相对质量分别是1.007、1.008，将原子核内所有的质子和中子的相对质量取整数再相加所得到的数值叫原子的质量数。eq\o\al(A,Z)X表示的含义是含有Z个质子、(A－Z)个中子的X原子。电子的质量约是质子质量的1/1836，原子由质子、中子、电子等基本粒子构成。1964年，美国科学家盖尔曼设计了夸克模型，提出质子、中子由更小的夸克构成。4．具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为一种核素，如氢元素存在eq\o\al(1,1)H(氕)、eq\o\al(2,1)H(氘)、eq\o\al(3,1)H(氚)3种核素，质子数相同质量数(或中子数)不同的核素互称为同位素。如16O、17O、18O是氧元素的3种核素(原子)，它们之间互称同位素。作为相对原(分)子质量基准的12C原子指的是含有6个质子和6个中子的碳原子，用于考古断代的碳元素的放射性同位素是eq\o\al(14,6)C。探究点一原子核外电子排布1．原子核外电子的分层排布原子由原子核和核外电子构成，对于多电子原子，可以近似认为电子在原子核外是分层排布的。如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氢(H)、氧(O)、镁(Mg)等原子的核外电子排布的情况如下图所示。现在发现元素原子核外电子最少的有1层，最多的有7层。最外层电子数最多不超过8个(只有1层的不超过2个)。2．原子结构示意图(1)人们常用原子结构示意图表示原子的核外电子排布。如1～18号元素的原子结构示意图如下：(2)图解原子结构示意图符号的意义。以钠原子的结构示意图为例进行说明：3．原子结构与元素化学性质的关系(1)原子结构决定元素在化学变化中的性质。镁离子和氧离子的形成过程如下图所示：(2)元素的化合价及其与原子结构的关系。金属元素易失去电子，显正价。Naeq\o(→,\s\up17(失去e－))Na＋(由0价变为＋1价)；Mgeq\o(→,\s\up17(失去2e－))Mg2＋(由0价变为＋2价)非金属元素易得到电子，显负价。Cleq\o(→,\s\up17(得到e－))Cl－(由0价变为－1价)；Oeq\o(→,\s\up17(得到2e－))O2－(由0价变为－2价)1．如何正确理解原子结构示意图和离子结构示意图？提示：(1)原子结构示意图与离子结构示意图不同。当原子发生变化时，往往是最外层电子发生变化，所以同一元素的原子和离子的结构示意图中变化的一般只是最外层电子排布情况。(2)原子一般倾向于形成稀有气体原子结构，所以不同离子可以具有相同的电子排布情况。如O2－、Mg2＋的电子排布相同。(3)从结构示意图可以看出微粒的带电情况，若电子层上的电子数之和小于核电荷数，则该微粒为阳离子；若电子层上的电子数之和大于核电荷数，则为阴离子。2．怎样理解原子结构的作用？提示：(1)结构定性①定元素种类之性：最外层电子数较少(1～4个)的元素为金属元素(H、He除外)；最外层电子数较多(5～8个)的元素一般为非金属元素。②定原子反应之性：最外层电子数较少的原子在参加化学反应时，容易失去最外层电子，而最外层电子数较多的原子在参加化学反应时，容易得到电子。③定元素稳定之性：具有稳定结构的原子一般最外层为8电子或2电子。(2)结构定价一般而言，最外层电子数能够反映元素具有的化合价情况。一般情况下，最外层电子数＝最高正化合价，最低负化合价＝最外层电子数－8。【例1】根据给出的原子或离子结构示意图，回答下列问题(填字母)：(1)电子层排布相同的是________。(2)属于同种元素的是________。(3)属于金属元素的是________。(4)属于稀有气体元素的是________，稀有气体一般不参与化学反应的原因是___________________________。(5)写出D参加化学反应后所得离子的结构示意图________。【思路分析】金属元素的最外层电子数一般小于4，在反应中易失去电子，非金属元素的最外层电子数一般大于4，在反应中易得到电子。判断电子层排布是否相同时，不用考虑原子核，只分析核外电子层数和各层上电子数是否相同即可；质子数决定元素种类，最外层电子数决定元素性质。【解析】电子层排布相同是指电子层数和各电子层上的电子数均相同；决定元素种类的是核内质子数，即核电荷数；金属元素原子的最外电子层上的电子数一般较少；稀有气体原子是电中性微粒，即核电荷数＝核外电子数，且最外电子层上一般为8个电子，He最外层为2个电子。【答案】(1)BC(2)AB(3)D(4)C原子的最外层电子已达到8(或2)电子稳定结构，既不易失去电子也不易得到电子(5)根据下列几种粒子的结构示意图，回答问题(填字母)：(1)属于阴离子的是B。(2)属于金属元素的是D。(3)具有相似化学性质的是AC。解析：A、B、C、D表示的微粒分别是O、O2－、S、Mg，A和C都是原子，其最外层电子数相同，所以具有相似的化学性质。探究点二认识原子核1．原子的组成(1)原子的特点：①原子的大部分质量集中在原子核，原子显电中性。②原子核的体积很小，约为整个原子体积的1/1015。③原子内原子核的密度非常大，约为金属铀的密度(18.07g·cm－3)的5×1012倍。④电子在原子核外做不规则的高速运动。(2)原子的组成：原子符号eq\o\al(A,Z)X。原子(eq\o\al(A,Z)X)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(原子核\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子Z个,中子A－Z个)),核外电子Z个))eq\o\al(A,Z)X的含义：代表一个质量数为A，质子数为Z的原子。如eq\o\al(35,17)Cl表示一个质量数为35，质子数为17的氯原子。注意：质量数即原子的近似相对原子质量，等于质子数和中子数之和。(3)构成原子的微粒及其性质：说明：表中①是指与C­12原子(原子核内有6个质子和6个中子的碳原子)质量的1/12(1.661×10－27kg)相比较所得的数值，②规律：一个中子的质量大于一个质子的质量。(4)粒子符号中各数字的含义：规律：原子、离子中组成微粒的关系：①原子：核电荷数(Z)＝核内质子数(Z)＝核外电子数质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)②离子：阳离子：核电荷数(Z)＝核内质子数(Z)＝核外电子数＋n质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)＝中子数(N)＋核外电子数＋n阴离子：核电荷数(Z)＝核内质子数(Z)＝核外电子数－n质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)＝中子数(N)＋核外电子数－n2．元素、核素、同位素说明：(1)同种元素可能有不同的同位素，互为同位素必为同种元素。(2)大部分元素都有同位素，即有不同的核素(原子)；少量元素没有同位素，即只有一种核素(原子)。(3)如果不特别说明，所说的原子一律是指常见的普通原子，如氧原子一般指eq\o\al(16,8)O原子。1．质量数相同的核素是否互为同位素？提示：不互为同位素。质量数等于质子数与中子数之和，同位素之间质子数相同、中子数不同，则同位素之间的质量数不相同。反之，质量数相同的核素不互为同位素，如eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(2,2)He质量数相同，但它们不互为同位素。2．同位素之间的化学性质有什么关系？提示：决定原子化学性质的是原子的核电荷数和核外电子排布，而不是核内中子数。各同位素具有相同的核电荷数(质子数)和核外电子排布，各同位素间不同的是核内中子数。因此，各同位素具有相同的化学性质。【例2】原子、元素、核素、同位素等都属于重要的化学基本概念。下列八种化学符号：eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H2、eq\o\al(14,6)C、eq\o\al(6,3)Li、eq\o\al(23,11)Na、eq\o\al(14,7)N、eq\o\al(7,3)Li、eq\o\al(24,12)Mg。(1)涉及的核素共有________种。(2)互为同位素的是________和________。(3)质量数相等，但不能互称为同位素的是________和________。(4)中子数相等，但质子数不相等的是________和________。【思路分析】正确理解同位素、核素的含义是解答这类题目的关键。在学习化学的过程中，对所学过的易混淆的内容进行归类、对比，往往会收到事半功倍的效果。【解析】一种核素就是一种原子。在这八种化学符号中，eq\o\al(2,1)H2涉及的核素是eq\o\al(2,1)H，其余的七种各为一种核素的符号。同位素研究的对象是原子，这些原子属于同一种元素。eq\o\al(6,3)Li和eq\o\al(7,3)Li的核内质子数都是3，中子数分别是3和4，它们是锂元素的不同种原子。eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H是同位素，但eq\o\al(2,1)H2是一种分子而不是原子，所以eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H2不是同位素。质量数相等的是eq\o\al(14,6)C和eq\o\al(14,7)N(都是14)，但eq\o\al(14,6)C的质子数是6，属于碳元素，eq\o\al(14,7)N的质子数是7，属于氮元素，所以eq\o\al(14,6)C与eq\o\al(14,7)N质量数相等，但又不能互称为同位素。eq\o\al(23,11)Na、eq\o\al(24,12)Mg的核内质子数分别是11和12，根据原子核内“质量数＝质子数＋中子数”的公式进行判断，eq\o\al(23,11)Na、eq\o\al(24,12)Mg的核内中子数都是12。【答案】(1)8(2)eq\o\al(6,3)Lieq\o\al(7,3)Li(3)eq\o\al(14,6)Ceq\o\al(14,7)N(4)eq\o\al(23,11)Naeq\o\al(24,12)Mg2011年3月28日晚，日本东京电力公司宣布福岛第一核电站厂区采集的土壤样本首次检测出放射性元素钚(Pu)。钚有二十种放射性同位素，下列关于eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu的说法正确的是(B)A.eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu都含有94个中子B.eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu互为同位素C.eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu的核外电子数不同D.eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu分别含有146和147个质子解析：eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu是Pu元素的两种不同核素，它们互称为同位素。A项eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu都含有94个质子，中子数不同；C项eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu的核外电子数相同；D项eq\o\al(240,94)Pu和eq\o\al(241,94)Pu分别含有146和147个中子，故选B。1．对于原子结构模型的演变过程，下列顺序正确的是(C)①汤姆生原子结构模型②道尔顿原子结构模型③玻尔原子结构模型④卢瑟福原子结构模型⑤量子力学原子结构模型A．①②③④⑤B．②①③④⑤C．②①④③⑤D．②①③⑤④解析：原子结构模型的演变过程：古代原子学说→道尔顿原子结构模型→汤姆生原子结构模型→卢瑟福原子结构模型→玻尔原子结构模型→量子力学原子结构(电子云)模型。2．下列化学用语或说法正确的是(C)A．中子数为8的氧原子：eq\o\al(18,8)OB．氯离子的结构示意图：C．中子数不同、质子数相同的核素互为同位素D．质子数相同的微粒一定是同种元素解析：中子数为8的氧原子的质量数为16，A项错误；氯离子的核电荷数为17，B项错误；中子数不同、质子数相同的核素互为同位素，C项正确；质子数相同的一类原子是同种元素，D项错误。3．下列表述正确的是(A)A．硫离子M层上和L层上的电子数均为K层的4倍B．Cl－的结构示意图：C．卢瑟福提出了“葡萄干面包式”的原子结构模型D．14C和14解析：硫离子的第M层和第L层上的电子数均为8，第K层上的电子数为2，第M层和第L层上的电子数均为第K层的4倍，A正确；Cl－的结构示意图应为，B错误；汤姆生提出了“葡萄干面包式”的原子结构模型，C错误；质子数相同、质量数(或中子数)不同的核素互称同位素，14C和14N为不同元素的核素，不互为同位素，D错误。4．下列关于化合价的说法正确的是(C)A．非金属元素在化合物里总是显负价B．同种元素在同一化合物中化合价一定相同C．在任何化合物中，正负化合价的代数和都等于0D．一种元素只有一种化合价解析：本