高中化学 专题1 化学家眼中的物质世界 第三单元 人类对原子结构的认识学案 苏教版必修1-苏教版高一必修1化学学案

第三单元人类对原子结构的认识[学习目标定位]1.知道原子结构模型的演变。2.熟知原子的构成，能书写原子结构示意图，会分析元素在形成化合物时表现的化合价等性质的原因。3.认识同位素的概念，能进行有关质量数、质子数、中子数、核外电子数的计算。一、原子结构模型的演变1．古希腊原子学说古希腊哲学家曾经提出，物质由不可分割的微粒(即原子)构成的。2．道尔顿原子学说19世纪初，道尔顿认为，物质由原子组成，原子不能被创造，也不能被毁灭，在化学变化中不可再分割，在化学反应中保持本性不变。3．汤姆生原子结构模型1897年，汤姆生发现原子中存在电子，并提出了一个被称为“葡萄干面包式”的原子结构模型。4．卢瑟福原子结构模型原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围空间做高速运动。5．玻尔原子结构模型原子核外，电子在一系列稳定的轨道上运动，每个轨道都有一个确定的能量值。核外电子在这些稳定的轨道上运动时，既不放出能量，也不吸收能量。6．现代原子结构学说——电子云模型原子核外电子的运动不遵循经典力学的原理，必须用量子力学模型描述核外电子的运动。原子结构模型的演变(1)原子结构模型的演变过程反映了科学家具有质疑、创新、求实、不畏艰辛等良好的科学品质。(2)研究探讨原子结构模型离不开正确理论的指导，科学实验和科学技术的应用。(3)随着现代科学技术的发展，人类对原子的认识还会不断深化。1．人类对原子结构的认识经历了漫长的历史阶段。其中最有代表性的有：道尔顿的原子结构模型、汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型和玻尔原子结构模型等。而这些原子结构模型都是建立在一定的实验研究基础上的。下列实验事实与原子结构模型建立的关系正确的是()A．电子的发现：道尔顿的原子结构模型B．α粒子散射：卢瑟福原子结构模型C．α粒子散射：玻尔原子结构模型D．氢原子光谱：卢瑟福原子结构模型答案B解析道尔顿的原子结构模型是道尔顿通过对大气的物理性质进行研究而提出的；卢瑟福原子结构模型是通过α粒子散射实验提出的；玻尔原子结构模型是玻尔在牛顿力学的基础上吸收了量子论和光子学说的思想建立起来的。二、原子核外电子排布1．对于原子核外电子分层排布的状况，通常用原子核外电子排布示意图来表示，原子核外电子排布示意图又叫做原子结构示意图。请画出下列各原子的原子结构示意图：①O；②Ne；③Mg；④Ar。2．在通常情况下，稀有气体由于原子核外电子排布达到稳定(最外层8或2个电子)结构，很难与其他物质发生化学反应。3．在化学反应过程中，原子核不发生变化，但原子的最外层电子数可以发生变化。如金属钠原子易失去最外层的1个电子，形成的Na＋具有与氖原子电子层相同的稳定结构；非金属硫原子易得到2个电子，形成的S2－具有与氩原子电子层相同的稳定结构。4．Na、Mg、Al等活泼金属单质与F2、O2、Cl2等活泼非金属单质发生反应生成的化合物中，金属元素和非金属元素的化合价与其在反应中失去或得到电子的数目存在一定的关系。请探究回答下列问题：(1)金属单质Na、Mg能分别与非金属单质O2、Cl2反应生成碱性氧化物和氯化物，请写出这些氧化物和氯化物的化学式：________、________、________、________。(2)根据Na、Mg、O、Cl原子在反应过程中失去或得到电子的数目及其最外层电子数目，推断其氧化物和氯化物中元素的化合价，将结果填入下表。元素化合价原子最外层电子数目失去(或得到)电子的数目NaMg2O6Cl－1答案(1)Na2OMgONaClMgCl2(2)(从左到右，从上到下)＋111＋22－22711.元素性质与原子结构的关系原子的核外电子排布：特别是原子最外层电子数决定元素的化学性质。(1)稀有气体元素的原子，最外层电子排布为8个电子(氦为2个电子)的稳定结构，既不易得电子，又不易失电子，所以化学性质稳定。(2)金属元素的原子，最外层电子排布一般少于4个，所以在化学反应中易失去最外层电子，形成稳定的电子层结构。非金属元素的原子，最外层电子排布一般多于4个，所以在化学反应中易得到电子，形成稳定的电子层结构。(3)最外层电子数决定了该元素的最高正价和最低负价。金属元素的原子失去电子，表现为正化合价，非金属元素的原子得到电子，表现为负化合价。2．元素化合价与得、失电子数目的关系(1)金属元素的原子失去电子，表现为正化合价，化合价数值＝失去电子的数目＝原子最外层电子数。(2)非金属元素的原子得到电子，表现为负化合价。最低负化合价的数值＝达到稳定结构所得电子的数目。2．观察下列A、B、C、D、E五种粒子(原子或离子)的结构示意图，回答下列有关问题。(1)与离子相对应的元素的符号是__________，与原子相对应的离子的结构示意图是________________________________________________________________________。(2)电子层结构相同的是__________(填写字母，下同)，性质最稳定的是__________，最容易失去电子的是____________，最容易得到电子的是______________。(3)可直接相互结合形成的化合物的化学式是___________________________(写一个即可，下同)，可经过得失电子后再相互结合形成的化合物的化学式是______________。(4)在核电荷数1～10的元素内，列举两个与B的电子层结构相同的离子，写出离子的符号：____________。答案(1)O、Mg、(2)BCECDA(3)MgONaCl(4)N3－、F－解析(1)在A～E这五种粒子中，A是Cl，B是O2－、C是Ne，D是Na，E是Mg2＋。Ne的特殊稳定结构决定了它不能形成离子。(2)电子层结构相同，即电子层数和各个电子层上的电子数目都相同，但与原子核内质子数无关。O2－、Ne和Mg2＋都具有稳定的电子层结构，但最稳定的是Ne。(3)阳离子与阴离子可直接相互结合形成化合物；活泼金属元素的原子与活泼非金属元素的原子经过得失电子后可相互结合形成化合物；在化合物里，Na显＋1价，Mg显＋2价、Cl显－1价、O显－2价。(4)在核电荷数1～10的元素内，N原子的核外共有7个电子，其最外层上是5个电子，N原子得到3个电子后形成的N3－与B的电子层结构相同；F原子的核外共有9个电子，其最外层上是7个电子，F原子得到1个电子后形成的F－与B的电子层结构相同。知识拓展(1)活泼金属元素的原子与活泼非金属元素的原子经过得失电子而形成离子再结合成离子化合物，如NaCl、MgO等；不活泼金属元素的原子与非金属元素的原子或几种非金属元素的原子通过形成共用电子对而结合成共价化合物，如AlCl3、HCl等。②原子核外电子排布示意图和原子结构示意图也可以用来表示单核离子。如K＋：，；S2－：，。三、原子核的组成1．构成原子的微粒有电子、质子和中子，质子和中子构成原子核。微粒电子质子中子质量/kg9.109×10－311.673×10－271.675×10－27相对质量0.00054471.0071.008电量/C1.602×10－191.602×10－190电荷－1＋10N原子中微粒数77根据表中基本数据，讨论下列问题。(1)原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子构成的，原子的质量主要集中在原子核上。原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。(2)存在的数量关系①质量关系质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)原子的质量数与其相对原子质量近似相等。②质子数＝核电荷数＝原子序数＝核外电子数，所以原子呈电中性。③原子组成符号eq\o\al(A,Z)X表示一个质量数为A、质子数为Z的X原子。如eq\o\al(32,16)S表示质量数为32、质子数为16的硫原子。根据质量数和质子数可计算出中子数，所以只要告诉了符号eq\o\al(A,Z)X，就知道了该元素原子核的组成情况。2．填表并思考回答下列问题：原子名称原子符号原子核质子数(Z)中子数(N)氕eq\o\al(1,1)H10氘eq\o\al(2,1)H或D11氚eq\o\al(3,1)H或T12(1)H、D、T的原子结构相同点：质子数相同；不同点：中子数不同。(2)它们虽然是不同的核素，但同属于氢元素。(3)H、D、T又是同位素关系。3．元素、核素、同位素的比较元素核素同位素本质质子数相同的一类原子质子数、中子数都一定的原子质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子之间的互称决定因素质子数质子数、中子数质子数、中子数举例H、C、N三种元素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H三种核素eq\o\al(234,92)U、eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(238,92)U互为同位素1.构成原子或离子的微粒之间的数量关系(1)质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)。(2)原子中：质子数＝核电荷数＝核外电子数。(3)阳离子中：质子数＝核电荷数＝核外电子数＋离子所带电荷数。(4)阴离子中：质子数＝核电荷数＝核外电子数－离子所带电荷数。2．元素、核素、同位素之间的关系如下图3．下列关于原子结构的说法正确的是()A．所有的原子都含有质子、中子和电子三种基本构成微粒，且个数都是相等的B．质子数决定元素的种类，中子数决定核素的种类C．原子核对电子吸引作用的实质是原子核中的质子对核外电子的吸引D．原子中的质子、中子和电子三种基本构成微粒不可能再进一步分成更小的微粒答案C解析氢原子eq\o\al(1,1)H的原子核内没有中子，核素是由质子数和中子数共同决定的，A、B项错误；原子核对核外电子的吸引作用就是质子对电子的吸引，C项正确；以发展的观点分析，原子中的基本构成微粒有可能再进一步分成更小的微粒，如科学家研究发现了质子和中子里面还有更小的微粒——夸克，D项错误。4．填空(1)eq\o\al(34,16)S2－中的质子数是__________，中子数是________，核外电子数是________，质量数是________。(2)微粒“AXn－”核外有18个电子，则它的核电荷数为__________，核内中子数为__________。(3)由1Heq\o\al(16,2)O与2Heq\o\al(17,2)O所代表的物质中，共有______种元素，______种原子，______种分子，互为同位素的原子有________________。答案(1)16181834(2)18－nA－(18－n)(3)2421H和2H、16O和17O方法点拨元素、核素、同位素的判断判断元素、同位素和核素时，要抓住各种微粒区别的本质。即质子数相同的原子就属同种元素；质子数和中子数均相同的就是同种原子，也称为核素，同种元素的不同核素互称同位素。答题时要认真分析原子表示符号的n组数字。eq\o\al(A,Z)X，只要Z相同，就是同种元素，Z和A均相同，是同种核素，Z相同，A不相同的互称同位素，Z不相同的无论A是否相同，均不是同种元素，更不能称为同位素。1．提出原子结构模型的科学家从时间的先后顺序来看，下列排列正确的是()A．汤姆生、玻尔、卢瑟福、道尔顿B．汤姆生、玻尔、道尔顿、卢瑟福C．卢瑟福、道尔顿、汤姆生、玻尔D．道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔答案D解析19世纪初，道尔顿提出了原子学说；1904年汤姆生提出了一个被称为“葡萄干面包式”的原子结构模型；1911年卢瑟福提出了带核的原子结构模型；1913年玻尔提出了新的原子结构模型。2．下列说法不正确的是()A．金属元素的化合价数值等于其原子失去电子的数目B．非金属元素的化合价数值等于其原子得到电子的数目C．镁在氧化物中的化合价数值等于镁原子最外层电子数目D．氯化镁中，氯的化合价数值等于氯原子最外层电子数目答案D3．YBa2Cu8Ox(Y为元素钇)是磁悬浮列车中的重要超导材料，下列关于eq\o\al(89,39)Y的说法中不正确的是()A．质量数是89B．中子数与质子数之差为50C．核外电子数是39D.eq\o\al(89,39)Y和eq\o\al(90,39)Y是两种不同的核素答案B解析对于原子eq\o\al(89,39)Y，其质子数为39，质量数为89，中子数为89－39＝50，中子数与质子数之差为50－39＝11，核外电子数为39。eq\o\al(89,39)Y和eq\o\al(90,39)Y的质子数相同而中子数不同，是两种不同的核素，互为同位素。4．下列说法正确的是()A．某微粒核外电子排布为2、8、8结构，则该微粒一定是氩原子B．最外层电子达到稳定结构的微粒只能是稀有气体的原子C．F－、Na＋、Mg2＋、Al3＋是与Ne原子具有相同电子层结构的离子D．某元素原子的最外层只有2个电子，则该元素一定是金属元素答案C解析电子排布为2、8、8结构的微粒还可能为S2－、Cl－等，A项错误；O2－、F－、Cl－、Li＋、Na＋、Mg2＋等微粒最外层电子数均达到了稳定结构，B项错误；F－、Na＋、Mg2＋、Al3＋核外电子排布均为2、8结构，与Ne原子的电子层结构相同，C项正确；He原子的最外层只有2个电子，但He元素是稀有气体元素，D项错误。5．某元素的阳离子Rn＋，核外共有x个电子，原子的质量数为A，则该元素原子里的中子数为()A．A－x－n B．A－x＋nC．A＋x－n D．A＋x＋n答案A解析质量数＝质子数＋中子数，因此要求中子数必须先要知道质量数和质子数。本题阳离子Rn＋中质子数等于阳离子的核外电子数加上阳离子所带的正电荷数，所以，该原子的中子数为A－(x＋n)＝A－x－n。6．元素、原子、核素、同位素都是重要的基本概念。根据下列8种化学符号：eq\o\al(1,1)H2、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，回答问题：(1)表示核素的符号共________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________。答案(1)6(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)Mg解析(1)核素是具有一定质子数和一定中子数的某种元素的原子，一种原子即为一种核素，eq\o\al(1,1)H2和eq\o\al(2,1)H2都是分子，不属于核素，其余6种全部表示核素。(2)同位素是具有相同质子数和不同中子数的同种元素的原子，所以eq\o\al(6,3)Li和eq\o\al(7,3)Li互称为同位素。(3)eq\o\al(14,6)C和eq\o\al(14,7)N的质量数都是14，但质子数分别为6和7，属于不同元素的原子，不能互称为同位素。(4)eq\o\al(23,11)Na和eq\o\al(24,12)Mg的中子数都是12，但质子数分别为11和12。[基础过关]题组一原子结构模型的演变1．原子结构模型简明形象地表示出了人类对原子结构认识逐步深化的过程，原子结构模型的演变阶段正确的是()①道尔顿原子模型②阿伏加德罗原子模型③拉瓦锡原子模型④玻尔原子模型⑤电子云模型⑥汤姆生原子模型⑦卢瑟福原子模型⑧舍勒原子模型A．①⑥⑦④⑤ B．②③④⑤⑥C．①③⑤⑦⑧ D．②④⑥⑧⑦答案A题组二原子核外电子排布2．根据下列结构示意图判断，化学性质最稳定的是()答案B解析最外层电子数决定元素的化学性质，当最外层电子数大于或等于4且小于8时，易得到电子；当最外层电子数小于4时，易失去电子；当最外层电子数等于8时，处于稳定结构。当然解题时还要注意特例：稀有气体中的氦，最外层只有2个电子，但为稳定结构。3．某元素的原子核外有三个电子层，最外层电子数是4，该原子核内的质子数是()A．14 B．15C．16 D．17答案A解析核外有三层，最外层上有4个电子，则第一、第二层已排满，每层电子数分别为2、8、4则该原子结构示意图为，故选A。4．下列离子中，所带电荷数与该离子的核外电子层数相等的是()A．Al3＋ B．Mg2＋C．Be2＋ D．H＋答案B解析四种离子的核外电子层数分别是2、2、1、0。题组三原子的组成5．R元素的原子序数小于20，其阳离子可用eq\o\al(A,Z)Rn＋表示，且其最外层已达到8电子稳定结构，则下列关于该微粒的叙述中正确的是()A．所含质子数为(A－n) B．所含中子数为(A－Z)C．所含电子数为(Z＋n) D．Z－n＝8答案B解析对于核素eq\o\al(A,Z)R所形成的最外层已达到8电子结构的阳离子eq\o\al(A,Z)Rn＋而言，其质子数为Z，中子数为(A－Z)，电子数为(Z－n)，(Z－n)可能等于10或18(如Na＋或K＋)。6．某元素B的核电荷数为Z。已知Bn－、Am＋的核外具有相同的电子数，则A元素的原子序数用Z、n、m来表示，应为()A．Z＋n－m B．Z－n＋mC．Z－n－m D．Z＋m＋n答案D解析设A元素的原子序数为x，则有Z＋n＝x－m，x＝Z＋m＋n。7．已知R2＋核内共有N个中子，R的质量数为A，确定mgR2＋中含有电子的物质的量为()A.eq\f(mA－N,A)mol B.eq\f(mA－N＋2,A)molC.eq\f(mA－N－2,A)mol D．核内中子的总质量小于质子的总质量答案C解析R2＋核外电子数为(A－N－2)，mgR2＋的物质的量为eq\f(mg,Ag·mol－1)＝eq\f(m,A)mol，mgR2＋中含有电子的物质的量为eq\f(m,A)(A－N－2)mol。题组四核素、同位素8．下列有关说法中，你认为不正确的是()答案C解析由于同位素的存在，所以原子种类大于元素种类，A正确；电子质量只有质子质量的eq\f(1,1836)，B正确；氢元素中1H不含中子，C错误；12C与13C质子数相同(均为6)，中子数不同(前者为6，后者为7)，互为同位素，正确。9．金属钛对人体体液无毒且有惰性，能与肌肉和骨骼生长在一起，有“生物金属”之称。下列有关eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti的说法中正确的是()A．eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti的质量数相同，互称为同位素B．eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti的质子数相同，互称为同位素C．eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti的质子数相同，是同一种核素D．eq\o\al(48,22)Ti与eq\o\al(50,22)Ti核外电子数相同，中子数不同，不能互称为同位素答案B解析本题考查同位素的概念。互为同位素的原子质子数相同，中子数和质量数都不同，所以A选项错误、B选项正确；核素即为一种原子，eq\o\al(48,22)Ti和eq\o\al(50,22)Ti是两种不同的原子，C选项错误；核外电子数等于质子数，二者互为同位素，D选项错误。10．230Th和232Th是钍的两种同位素，232Th可以转化成233U。下列有关Th的说法正确的是()A．Th元素的质量数是232B．Th元素的相对原子质量是231C．232Th转换成233U是化学变化D．230Th和232Th的化学性质相同答案D解析232Th、230Th的质量数分别是232、230，A项错误；元素的相对原子质量是由各种同位素的相对原子质量取得的平均值，B项错误；同位素的物理性质可能不同，但化学性质几乎相同，D项正确；化学变化是生成新物质的变化，原子不变，而C项的原子发生了变化，错误。[能力提升]11．(1)1996年科学家在宇宙深处发现了Heq\o\al(＋,3)和H3分子。请回答下列问题：①1个Heq\o\al(＋,3)中含有________个质子，________个电子。②构成H3分子的原子的核外电子排布示意图是________(填字母)。A. B.C. D.③H3属于________(填“混合物”“单质”或“化合物”)。(2)写出原子核内质子数与中子数相等的钙原子的符号：________________。(3)科学研究表明，月球上有丰富的He资源，可开发利用作未来的新型能源。①eq\o\al(3,2)He的中子数是________________，eq\o\al(3,2)He与eq\o\al(4,2)He互称为________________。②α粒子是带有2个单位正电荷、质量数为4的原子核，由此推断α粒子含有________个质子和________个中子。③在eq\o\al(3,2)He、eq\o\al(4,2)He两种核素中，原子核内的中子数相差为________，与α粒子有相同质子数和中子数的是____________。(4)在H3O＋中，质子数、中子数、电子数之比为________；在NH3D＋中，质子数、中子数、电子数之比为________。(5)已知金属钠和水反应的化学方程式为2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑。将9.2g金属钠投入到足量的重水中，则产生的气体中含有________(填字母)。A．0.2mol中子 B．0.4mol电子C．0.2mol质子 D．0.4mol分子答案(1)①32②C③单质(2)eq\o\al(40,20)Ca(3)①1同位素②22③1eq\o\al(4,2)He(4)11∶8∶1011∶8∶10(5)B解析(5)钠和重水反应的化学方程式为2Na＋2D2O=2NaOD＋D2↑，所以产生的气体全部是D2(eq\o\al(2,1)H2)，1个分子中含有2个质子、2个电子和2个中子。9.2g金属钠的物质的量是0.4mol。由化学方程式知，0.4mol钠可生成0.2molD2，所以0.2molD2中含有的中子数、电子数、质子数均为0.4mol。12．用eq\o\al(A,Z)X表示原子：(1)中性原子的中子数N＝__________。(2)AXn＋共有x个电子，则该阳离子的中子数N＝________________。(3)AXn－共有x个电子，则该阴离子的中子数N＝______。(4)C­1216O2分子中的中子数N＝________。(5)A2－原子核内有x个中子，其质量数为m，则ngA2－所含电子的物质的量为________。答案(1)A－Z(2)A－x－n(3)A－x＋n(4)22(5)eq\f(nm－x＋2,m)mol解析根据“质子数＋中子数＝质量数”的关系，(1)N＝A－Z。(2)AXn＋共有x个电子，中性原子X的电子数为x＋n，则N＝A－x－n。(3)AXn－共有x个电子，中性原子X的电子数为x－n，则N＝A－x＋n。(4)C­1216O2分子中的中子数为6＋8＋8＝22。(5)A2－所含电子数为m－x＋2，则ngA2－所含电子的物质的量为eq\f(nm－x＋2,m)mol。13．近年来，科学家通过粒子加速器进行了一周的实验，获得了6个非常罕见的eq\o\al(45,26)Fe原子，接着，科学家又使用特制的测量仪器观测到，这6个原子中有4个发生了衰变，这一实验证实了曾经预言的双质子衰变方式，即有一个原子同时放出两个质子的衰变方式。回答下列问题：(1)eq\o\al(45,26)Fe原子的核内中子数为__________，该原子的核外电子数为______________。(2)以下关于eq\o\al(45,26)Fe的叙述正确的是________(填字母)。A.e