元素(二)

官方化学老师·15 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
周期表原子结构元素周期律

元素(二)

从原子结构出发,掌握周期表排列逻辑与元素性质递变的内在规律

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周期表原子结构元素周期律

元素(二)

从原子结构出发,掌握周期表排列逻辑与元素性质递变的内在规律

1第 1 页 · 元素(二)

原子序数

周期表上氢是 1、氦是 2、碳是 6……这个编号并非随手排的,它正是区分元素的「身份证号」。

原子序数 Z
原子核内质子的数目,用 Z 表示
决定元素身份
质子数一变,元素就变;差 1 就是另一种元素
中性原子中
等于核外电子数,原子整体呈电中性
周期表的真正序数
门捷列夫按原子量排序仍有倒置;莫塞莱用 X 射线按质子数重排才解决
推算中子数
中子数 N = 质量数 A − 原子序数 Z
身份证号对应 →原子序数

号码唯一标识一人;号段暗示籍贯,正如序数决定元素在周期表的位置

Z=质子数,N=AZZ = \text{质子数}, \quad N = A - Z
2第 2 页 · 原子序数

元素符号

元素符号:定义、要点与典型应用

元素符号
元素符号:定义、要点与典型应用
3第 3 页 · 元素符号

元素的化学性质

钠扔进水里会剧烈反应,金子在火里烧也安然无恙——同样是金属,差距怎会这么大?答案藏在元素的化学性质里。

什么是化学性质
物质在化学变化中才表现出来的属性,区别于颜色、熔点这类物理性质
核心类型
氧化性/还原性、金属性/非金属性、酸碱性、热稳定性
本质:最外层电子
原子最外层电子数决定得失电子的倾向,从而决定化学性质
周期律
同主族从上到下递变,同周期从左到右金属性递减、非金属性递增
有什么用
预测反应能否发生、选择试剂、设计合成路线(如炼铁用焦炭还原)
人的社交姿态对应 →元素化学性质

外层电子=手中筹码。少则给(金属·还原),多则夺(非金属·氧化),满则不社交(稀有气体·极稳定)

4第 4 页 · 元素的化学性质

核外电子排布

元素的化学性质由原子最外层电子决定,那这些电子具体是怎么「住」在核外的?这就要讲核外电子排布。

核外电子排布
电子在原子核外各能层上的分布规律
能层分层
电子按能量高低分 K、L、M、N 等层,由内向外能量升高
每层容纳 2n²
第 n 层最多 2n² 个电子,K 层 2 个、L 层 8 个、M 层 18 个
能量最低原理
电子先填能量低的内层,填满后再往外填
决定化学性质
元素的化学性质主要由最外层电子数决定,与上页呼应
公寓楼分配房间对应 →电子分层排布

租客先抢低楼层(能量低),每层房间数有上限(2n²),住满才往上搬

5第 5 页 · 核外电子排布

最外层电子数

画过原子结构图,写过电子排布式 2,8,1、2,8,8,1……可核外电子这么多层,到底是哪一层真正决定元素的「脾气」?答案就在最外面那一层。

定义
原子核外电子排布中,最高能级即最后一层轨道上的电子总数
如何数
直接看电子排布式最末段的数字,如 Na:2,8,1 → 最外层 1 个电子
取值范围
1~8,氦例外为 2;任何原子最外层电子都不会超过 8
决定化学性质
决定主族元素的化合价与得失电子趋势,进而划分金属性与非金属性
一栋公寓各层住户数对应 →原子各层电子数

只有最外层住户数决定公寓对访客态度——少于 4 想搬走(失电子),多于 4 想凑到 8(得电子)

6第 6 页 · 最外层电子数

化学变化中元素守恒

镁条燃烧前是银白色固体,燃烧后变成白色粉末——虽然形态变了,但称量发现:反应前镁元素的质量,等于反应后氧化镁里镁元素的质量。这就是元素守恒。

元素守恒
化学变化前后,元素的种类和质量均不改变
适用条件
仅适用于化学变化;核反应中元素可嬗变,不适用
质量守恒
密闭体系中,反应物总质量 = 生成物总质量
推断产物
由反应前后元素种类,反推未知生成物的成分
积木拆装重组对应 →化学变化

积木种类与块数不变,只是拼成不同造型

m反应物=m生成物m_{\text{反应物}} = m_{\text{生成物}}
7第 7 页 · 化学变化中元素守恒

地壳中元素的丰度

你脚下的土地、远处的山脉、手中的手机——都由元素组成。但哪些元素多、哪些少?这不是随机的,背后藏着规律。

什么是丰度
元素在地壳中所占的质量或原子百分比
前四名元素
氧、硅、铝、铁合计约占地壳的 90%
丰度为何不均
与化学性质挂钩——成键能力强、化合物更稳定
研究的价值
指导找矿、理解地球演化、解释生命起源
全班同学的零花钱对应 →地壳元素的丰度分布

少数人占了大部分钱,少数元素占了大部分质量——分布都不均匀

8第 8 页 · 地壳中元素的丰度

生物细胞中的元素组成

上一页你看到地壳里最多的是氧、硅、铝——可活细胞里的配方完全不一样。同样是这些元素,活的东西只挑其中几种大量囤。

四巨头 O/C/H/N
占细胞干重 96% 以上,是构建一切有机分子的骨架
大量 vs 微量
按含量分:大量元素是建材,微量元素常作酶的活性中心
细胞会"挑食"
地壳前几名是 O/Si/Al,细胞却把 Si、Al 拒之门外
三种角色分工
结构材料、催化反应、传递信息——元素各司其职
厨房做菜挑食材对应 →细胞选择元素

地壳是菜市场,细胞是厨房——原料上百种,常用就十几样

9第 9 页 · 生物细胞中的元素组成

元素周期表

我们已经知道,原子的化学性质由核外电子排布决定。可人类已知的元素有 118 种之多——怎么把它们系统地组织起来,既能看出规律,又能预测未知?这就有了元素周期表。

本质:元素的「总览图」
按原子序数从小到大排列,把所有已知元素组织在一张二维表上
周期(横向一行)
同一周期元素电子层数相同;从左到右最外层电子数递增
族(纵向一列)
同一族元素最外层电子数相同 → 化学性质相似
周期律
元素性质(原子半径、电离能等)随原子序数呈周期性变化
高层公寓楼的住户分布对应 →元素周期表

楼层 = 周期(同层电子层数相同);单元号 = 族(同单元最外层电子数相同,化学性格相近)

10第 10 页 · 元素周期表

周期(元素周期表)

按原子序数把所有元素排成长队,电子又按能层分层,这两件事怎么对应上?

周期定义
周期表中同一横行的全部元素称为一个周期,现行表共7个
电子层数
同周期元素电子层数相同,最外层电子数从1依次递增到8
周期律
门捷列夫按原子量排序时发现元素性质周期性变化,并预言未知元素
周期长度
各周期元素数依次为2、8、8、18、18、32,对应各能层电子容量
楼层对应 →周期

同一楼层房号不同但楼层数相同;同一周期原子序数不同但电子层数相同

11第 11 页 · 周期(元素周期表)

族(元素周期表)

族(元素周期表):背景、意义与延伸了解

族(元素周期表)
族(元素周期表):背景、意义与延伸了解
12第 12 页 · 族(元素周期表)

金属元素

切过菜的铁刀、烧水的铜壶、镶牙的金箔——金属就在身边。上节认识了周期表的周期与族,沿周期表划一条'金属性阶梯线',左下方几乎全是金属——它们到底共享怎样的微观本质?

定义与本质
易失去最外层电子形成阳离子;外层电子少、原子半径大、电离能低
金属键
外层电子形成「电子海」,正离子浸于其中——通性的结构根源
物理通性
金属光泽、导电导热、延展性——源于自由电子与无方向性金属键
化学通性与应用
强还原性,与酸置换或与氧化合;Fe制钢、Al合金、Cu导线、Au器件
操场上的学生对应 →金属中的自由电子

学生自由跑动、随时组队——电子也在正离子间自由流动,传热导电都靠它

13第 13 页 · 金属元素

本节要点

  • 原子序数即身份证——决定质子数、电子数与周期表位置
  • 化学性质由最外层电子数决定——这是周期律的微观根源
  • 周期看电子层数,族看最外层电子数——结构即规律
  • 化学变化中元素守恒——物质可变,元素不变
延伸主题:离子与化合价化学键的形成方式金属活动性顺序
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考,再对照参考答案;参考答案只是思考路径,不是唯一答案。

1钠(Na)原子序数是11,最外层只有1个电子。如果它失去这个电子变成Na⁺,还是钠元素吗?为什么?

参考答案还是。元素种类由质子数(核电荷数)决定,Na原子核仍有11个质子,元素符号仍是Na,符合化学变化中元素守恒。

2木材燃烧后灰烬比原木轻很多,质量好像少了。这违反化学变化中元素守恒吗?

参考答案没有违反。燃烧生成的水蒸气和CO₂等气体散逸到空气中,原物质中的碳、氢、氧等元素转移到气体产物里,总质量守恒。

3同主族元素性质相似源于最外层电子数相同。但氦只有2个最外层电子却和稀有气体一样稳定——这说明该规律有什么边界?

参考答案第一层(K层)只需2个电子就达到稳定满壳,与其他电子层「8电子稳定」的规律不同。这提醒我们,化学规律有适用边界,不能简单类推。

15第 15 页 · 课后思考