資源簡介

第二節 原子結構與元素的性質
第1課時
教學目標
1.了解元素周期表的發展歷史，體會科學家挖掘科學規律的方法，他們依據何種實驗證據，對周期表模型做出了怎樣的改進。
2.知道運用構造原理書寫元素的基態原子的電子排布式，能運用電子排布式解釋元素周期系的基本結構。
3.知道價層電子及價層電子排布，能從原子價層電子數目和價層電子排布角度解釋元素周期表的分區、周期和族的劃分。
教學重難點
構造原理如何決定了元素周期表的形式
周期表的分區，不同分區元素價電子構型的特征
教學過程
一、新課導入
回顧關于元素周期表的一些基礎知識：
（1）周期表中周期和族的概念是什么？
（2）周期表中現在共有多少個周期和多少個族？
（3）運用元素周期表你能為解決一些問題提供思路和方向么？
比如尋找催化劑該去哪里尋找？尋找半導體材料該去哪里尋找？
【交流分享】
不同學習小組圍繞元素周期表、周期律的發現與發展，結合自己所學，繪制了好了特色周期表，請不同小組進行展示，簡述設計理念中包含的化學知識。
【思維啟迪】
（1）1869年門捷列夫就制作出了歷史上第一張周期表，他制作的依據是什么？
（2）門捷列夫的周期表與今天我們所使用的周期表有何異同？
（3）是否還有其他類型的周期表？
（4）…………
二、講授新課
一、元素周期律、元素周期系和元素周期表
1.基本概念
元素周期律：元素的性質隨元素原子的核電荷數遞增發生周期性遞變
元素周期系：元素按原子核電荷數遞增排列的序列
元素周期表：元素周期系通過表格形式呈現
2.周期表的歷史發展及對我們的啟示
1869年，門捷列夫按相對原子質量從小到大的順序將元素排列起來，得到一個元素序列，并從最輕的元素氫開始編號，稱為原子序數。
1913年莫塞萊證明原子序數即原子核電荷數。
結合書后的元素周期表引導學生思考：
【提問】（1）門捷列夫按相對原子質量從小到大的順序將元素排列起來并編號，這樣的排序跟按照核電荷數排序不完全一致。結合書后的周期表，你能找出1-36號元素中，哪兩個元素在最初排序中排反了么？為什么會出現核電荷數小但相對原子質量大的情況？
【講解】28號元素Ni（相對原子質量58.69）排在了27號元素Co（相對原子質量58.93）之前。相對原子質量由同一種元素的各種同位素質量加權平均而來。而每種核素的質量除去質子外，還有相當大一部分是由中子提供的。Co存在質量較大的核素。
【提問】（2）相對原子原子質量的大小順序和核電荷大小順序并不一致，但為什么門捷列夫的初版周期表已經與當代周期表具有很大的相似性了？從中我們能得到怎樣的啟示？
【講解】原子的質量主要由質子數和中子數決定。隨著原子核中質子數的增加，中子數整體上也呈增加趨勢。因此原子質量會表現出隨核電荷數增加而增加的趨勢（特例較少）。
門捷列夫雖然最初沒有直擊本質，但仍抓住了變量遞增中的主要矛盾，故其初版周期表就很有指導意義。
【問題總結】引導學生認識在解決科學問題中，要抓住主要矛盾：
門捷列夫雖然最初沒有直擊本質，但仍抓住了變量遞增中的主要矛盾，故其初版周期表就很有指導意義。
【科學史話】
學生閱讀教材P18-19的內容，對比不同科學家提出的元素周期表，并思考下面的問題
【提問】（1）圖1-14是門捷列夫周期表的修訂版，觀察該周期表，你認為該表有哪些科學性、有哪些局限性？造成局限性可能的原因是什么？
【講解】該周期表的科學性體現在元素已經按照七個周期分好，從第四周期開始，在族的劃分上也出現“主族”“副族”的概念。（雖然其內涵與現在的主族、副族不同）
該周期表的局限性體現在門捷列夫將IA、IIA和IIIB~VIIB放在一起，而將IB、IIB和IIIA~VIIA放在一起。門捷列夫依據的是宏觀元素的性質，如化合價，進行的編排。
造成這種局限性的主要原因是那個時代人類對原子結構的了解有限，無法從微觀的角度，電子排布角度系統認識原子。
【提問】（2）圖1-15是維爾納元素周期表，觀察該周期表，你認為該表的科學性進步體現在何處、有哪些局限性？
【講解】該周期表的科學性體現在元素在列的排布上已經有了現代周期表的雛形，同族元素上下對齊。主族元素、過渡金屬、稀有氣體、鑭系、錒系的區域一目了然。
局限性體現在他將Be、Mg兩元素放在了IIB族的上方。造成這種局限性的可能原因是Be、Mg、Zn、Cd、Hg都容易形成二價的陽離子，因此在做性質歸納時放在了一起。
【提問】（3）圖1-16是玻爾對湯姆孫元素周期表的改進版，觀察該周期表，你認為該表的科學性進步體現在何處？
【講解】該周期表的科學性體現在把21~28號、39~46號、57~70號等元素用方框框起，玻爾認識到這些框內元素的原子新增加的電子是填入到內層軌道的，他已經從微觀的原子結構解釋周期系了。
他用直線連接前后周期的同族元素，主要依據它們價電子數相等。這是從電子排布的角度對族進行分類，相較于依據元素性質的分族，更深入微觀。
二、構造原理與元素周期表
1.初探構造原理與元素周期表
若以一個方格代表一種元素，每個周期排一個橫排，并按s、p、d、f分段，在教材的圖1-17方格中填入數字，每一行從1開始填，數一數每行有多少種元素？
每行依次有2、8、8、18、18、32、32種元素。
深度思考：
【提問】（1）在計數的基礎上，結合構造原理，說明每個周期里的元素數與元素的原子結構有何關聯？
每個周期逐步討論，尋找規律，歸納總結。
【講解】每個周期第一種元素原子總是從ns能級開始，填入第1個電子，隨著原子序數遞增，新增的電子依次填入(n-2)f、(n-1)d、np能級，直至p能級填滿6個電子結束。最后的原子滿足ns2np6的電子構型，其對應每個周期中稀有氣體元素的原子。
由于不同的能層含有的能級數不同，進一步的可以分為下面的幾種情況：
①第一能層只有1s能級，1條軌道總共能容納2個電子，它只包含2種元素
②第二、三周期用到了ns、np（n=2、3）兩個能級，4條軌道，總共能容納8個電子，故二、三周期總共8種元素
③第四、五周期用到了ns、(n-1)d、np（n=4、5）三個能級，9條軌道，總共容納18個電子，故四、五周期總共18種元素
③第六、七周期用到了ns、 (n-2)f、(n-1)d、np（n=6、7）四個能級，16條軌道，總共容納32個電子，故六、七周期總共32種元素
小結：
每個周期中的元素數等于相應能級組合（ ns、(n-2)f、(n-1)d、np ）全部軌道所能容納的電子總數。
【提問】（2）在問題（2）的基礎上，你發現元素的周期序數與元素的原子結構有何關系？
【講解】元素的周期序數等于其基態原子的能層數（Pd除外）
從電子排布式看，若價層電子能級為ns、np，則該元素位于第n周期。
【提問】（3）圖1-17怎樣變為書末的元素周期表？移動過程中的主要依據是什么？
【講解】將圖中第二到第七周期的所有p區與p區上下對齊，d區與d區上下對齊，
第六、第七周期的f區與f區的上下對齊，并將它們單列為兩行放在主表的下方（即鑭系和錒系），將1s2的He移到第一行最右側，即可得到書末的周期表。
這樣做的主要依據是最后一個電子填入的能級相同，且同一縱列元素的價電子數相同，這樣排列有利于研究同族元素的相似性與遞變性。
【提問】（4）觀察書后的周期表，元素周期表共有多少列？各列的價電子數各為多少？主族元素的價電子數與其族序數有何關系？
【講解】元素周期表共18列，最左側第1列價電子數為1，從第1列到第12列，價電子數從1增加到12，從第13列到第18列，價電子數從3增加到8。
主族元素的價電子數等于其主族序數。
【提問】（5）為什么元素周期表中非金屬元素主要集中在右上角三角區內？
【講解】非金屬元素的最外層電子數一般≥4，
其價電子構型一般為ns2np2~6，它們的最后一個電子填入的是某周期能級組合（ ns、(n-2)f、(n-1)d、np ）中最后的np軌道，故一定會在某周期中靠后（右）的位置出現。
【提問】（6）從構造原理和價電子的角度看，為何長周期比短周期多出的元素全部都是金屬元素？
【講解】在4s、5s能級填滿2個電子后，后續增加的電子優先填入3d、4d能級，這使得這些元素的最外層電子數始終不超過2（Pd除外）。
鑭系、錒系則是優先填入4f、5f能級，這些元素的最外層電子數始終不超過2。
微觀上看，它們的最外層電子數與主族典型金屬元素相同，故它們宏觀上表現出的也是金屬的性質。
【提問】（7）為什么副族元素又稱為過渡元素？過渡元素價電子數跟它們的族序數有什么關系？寫出它們的價電子排布式通式。
【講解】副族元素處于由金屬元素向非金屬元素過渡的區域，因此又稱過渡元素。
過渡元素價電子數與它們族序數的關系是：
①第IIIB族到第VIIB族元素的價電子數等于它們的族序數
②第VIII族有3列元素，該族的第1列元素的價電子數等于其族序數
③第IB、IIB族的最外層電子數等于它們的族序數
過渡元素的價電子排布通式為(n-1)d1~10ns1~2（不考慮鑭系錒系）
【提問】（8）按照核外電子排布，可把元素周期表劃分分成5個區，如圖所示。除ds區外，各區的名稱來自按照構造原理最后填入電子的能級的符號。s區、d區，p區分別有幾列？為什么s區（除H）、d區和ds區的元素都是金屬元素？
【講解】s區有2列，d區有8列，p區有6列。
s區元素的價電子排布通式為ns1~2，
d區元素的價電子排布通式為(n-1)d1~9ns1~2
ds區元素的價電子排布通式為(n-1)d10ns1~2
它們的最外層電子數均不超過2，在化學反應中容易失去電子，
所以這三個區的元素都是金屬元素。
例1. 依據電子排布式判斷下列各元素
（1）是主族元素還是副族元素？
（2）位于周期表的第幾周期和哪個族？
（3）屬于哪個分區？
①1s22s22p63s23p5 ②[Kr]4d105s25p2
③[Ar]3d34s2 ④[Ar]3d104s1
⑤[Ar]4s1 ⑥[Ar]3d64s2
將你的判斷過程、依據整合，給出依據電子排布式進行信息判斷的步驟與方法，下節課交流討論。
三、課堂小結
1. 從1869年門捷列夫制作的第一張周期表，到1950年國際純粹與應用化學聯合會推薦的周期表（書后周期表），經歷近一個世紀的時間。
在這個過程中，人們對周期表、周期律的認識是螺旋上升的，認識視角也從宏觀元素物質性質逐步轉移到微觀原子結構、核外電子排布。
量子力學發展后，人類對原子結構的深刻認識反過來又更好的指導了對元素性質的解釋與預測。
2. 從構造原理的角度，我們進一步的理解了元素周期表結構：
元素在周期表中所處的位置與元素基態原子的電子排布結構一一對應。
而原子電子排布結構相似的元素組成一族，它們的宏觀反應性質相似。
例如之前學習的堿金屬、鹵素，其位置、結構、性質關系可用下表表示
鹵素 堿金屬
周期表中的位置 第1列 第17列
價電子排布 ns1 ns2np5
原子得/失電子傾向 易失1個電子變為稀有氣體結構的1價陽離子 易得1個電子變為稀有氣體結構的1價陰離子
單質典型性質 強還原性 強氧化性

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