2019-2020年高一化學第一章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律教學資源 新課標 人教版 必修2.doc

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2019-2020年高一化學第一章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律教學資源 新課標 人教版 必修21.元素周期律和元素周期表的重要意義元素周期律和周期表，揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，反映了元素性質(zhì)與它的原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在哲學、自然科學、生產(chǎn)實踐各方面都有重要意義。（1）在哲學方面，元素周期律揭示了元素原子核電荷數(shù)遞增引起元素性質(zhì)發(fā)生周期性變化的事實，有力地論證了事物變化的量變引起質(zhì)變的規(guī)律性。元素周期表是周期律的具體表現(xiàn)形式，它把元素納入一個系統(tǒng)內(nèi)，反映了元素間的內(nèi)在聯(lián)系，打破了曾經(jīng)認為元素是互相孤立的形而上學觀點。通過元素周期律和周期表的學習，可以加深對物質(zhì)世界對立統(tǒng)一規(guī)律的認識。（2）在自然科學方面，周期表為發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論提供了客觀依據(jù)。原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表有密切關(guān)系，周期表為發(fā)展過渡元素結(jié)構(gòu)、鑭系和錒系結(jié)構(gòu)理論、甚至為指導(dǎo)新元素的合成、預(yù)測新元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都提供了線索。元素周期律和周期表在自然科學的許多部門，首先是化學、物理學、生物學、地球化學等方面，都是重要的工具。（3）在生產(chǎn)上的某些應(yīng)用由于在周期表中位置靠近的元素性質(zhì)相似，這就啟發(fā)人們在周期表中一定的區(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。 農(nóng)藥多數(shù)是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。 半導(dǎo)體材料都是周期表里金屬與非金屬接界處的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。 催化劑的選擇：人們在長期的生產(chǎn)實踐中，已發(fā)現(xiàn)過渡元素對許多化學反應(yīng)有良好的催化性能。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這些元素的催化性能跟它們原子的d軌道沒有充滿有密切關(guān)系。于是，人們努力在過渡元素（包括稀土元素）中尋找各種優(yōu)良催化劑。例如，目前人們已能用鐵、鎳熔劑作催化劑，使石墨在高溫和高壓下轉(zhuǎn)化為金剛石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反應(yīng)，廣泛采用過渡元素作催化劑，特別是近年來發(fā)現(xiàn)少量稀土元素能大大改善催化劑的性能。 耐高溫、耐腐蝕的特種合金材料的制?。涸谥芷诒砝飶腂到B的過渡元素，如鈦、鉭、鉬、鎢、鉻，具有耐高溫、耐腐蝕等特點。它們是制作特種合金的優(yōu)良材料，是制造火箭、導(dǎo)彈、宇宙飛船、飛機、坦克等的不可缺少的金屬。 礦物的尋找：地球上化學元素的分布跟它們在元素周期表里的位置有密切的聯(lián)系?？茖W實驗發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：相對原子質(zhì)量較小的元素在地殼中含量較多，相對原子質(zhì)量較大的元素在地殼中含量較少；偶數(shù)原子序的元素較多，奇數(shù)原子序的元素較少。處于地球表面的元素多數(shù)呈現(xiàn)高價，處于巖石深處的元素多數(shù)呈現(xiàn)低價；堿金屬一般是強烈的親石元素，主要富集于巖石圈的最上部；熔點、離子半徑、電負性大小相近的元素往往共生在一起，同處于一種礦石中。在巖漿演化過程中，電負性小的、離子半徑較小的、熔點較高的元素和化合物往往首先析出，進入晶格，分布在地殼的外表面。有的科學家把周期表中性質(zhì)相似的元素分為十個區(qū)域，并認為同一區(qū)域的元素往往是伴生礦，這對探礦具有指導(dǎo)意義。2.元素的金屬性與非金屬性跟原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系從化學的觀點來看，金屬原子易失電子而變成陽離子，非金屬原子易跟電子結(jié)合而變成陰離子。元素的原子得失電子的能力顯然與原子核對外層電子特別是最外層電子的引力有著十分密切的關(guān)系。原子核對外層電子吸引力的強弱主要與原子的核電荷數(shù)、原子半徑和原子的電子層結(jié)構(gòu)等有關(guān)。我們常用電離能來表示原子失電子的難易，并用電子親合能來表示原子與電子結(jié)合的難易。從元素的一個最低能態(tài)的氣態(tài)原子中去掉1個電子成為一價氣態(tài)陽離子時所需消耗的能量叫該元素的第一電離能，從一價氣態(tài)陽離子中再去掉1個電子所需消耗的能量叫第二電離能，單位常用電子伏特（eV）。電離能的數(shù)據(jù)表明，同主族元素從上到下電離能減小，即越向下，元素越易失去電子。同周期元素從左到右，電離能增大。一般說來，元素的電離能數(shù)值越大，它的金屬性越弱。原子的電子親合能是元素的一個氣態(tài)原子獲得1個電子成為一價氣態(tài)陰離子時所放出的能量。電子親合能越大，元素的原子就越容易跟電子結(jié)合。一般說來，元素的電子親合能越大，它的非金屬性越強。元素的原子在化合物分子中把電子吸引向自己的本領(lǐng)叫做元素的電負性。元素的電負性同電離能和電子親合能有一定的聯(lián)系。我們可把電負性的數(shù)值作為元素金屬性或非金屬性的綜合量度。金屬的電負性較小，金屬的電負性越小，它的活動性越強。非金屬的電負性較大，非金屬的電負性越大，它的活動性也越強。同一周期中，各元素的原子核外電子層數(shù)相同，但從左到右，核電荷數(shù)依次增多，原子半徑逐漸減小，電離能趨于增大，失電子越來越難，得電子能力逐漸增強，因此金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強。在短周期中這種遞變很顯著，但在長周期中，自左至右，元素的金屬性減弱很慢。因為長周期中過渡元素增加的電子進入尚未填滿的次外層，即填入d軌道（第六周期鑭系元素電子進入倒數(shù)第三層，即填入f軌道），所以在長周期的前半部各元素的原子中，最外層電子數(shù)不超過2個，由于這些元素的原子半徑和電離能依次僅略有改變，因此金屬性減弱很慢。在長周期的后半部分各元素的原子中，最外層上的電子數(shù)依次增加，因此金屬性的減弱和非金屬性的增強才變得顯著。在各主族內(nèi)，從上到下，隨原子序數(shù)的增加，雖然原子的核電荷數(shù)是增加了，但原子的電子層數(shù)也隨著增多，原子半徑也增大，內(nèi)層電子的屏蔽效應(yīng)也加大。由于這些原因，原子核對外層電子的引力減弱，原子易失去電子，因而元素的金屬性也增強。3.元素周期表的終點在哪里？1869年俄國化學家門捷列夫?qū)敃r已發(fā)現(xiàn)的63種元素列成元素周期表，并留下一些空格，預(yù)示著這些元素的存在。在元素周期表的指導(dǎo)下，人們“按因索驥”找出了這些元素。元素種類到底是否有限？周期表有否終點？20世紀3040年代，人們發(fā)現(xiàn)了92號元素，就有人提出92號是否是周期表的最后一種元素。然而從1937年起，人們用人工合成法在近50年時間又合成近20種元素，元素周期表的尾巴增長了。這時又有人預(yù)言，105號元素該是周期表的盡頭了，其理由是核電荷越來越大，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)也越來越大，質(zhì)子間的排斥力將遠遠超過核子間作用力，導(dǎo)致它發(fā)生蛻變，然而不久，又陸續(xù)合成了106109號元素。這些元素存在的時間很短，如107號元素半衰期只有2 s，照此推算元素周期表是否到盡頭了？1969年起，理論物理學家從理論上探索“超重元素”存在的可能性，他們認為具有2，8，14，28，50，82，114，126，184等這些“幻數(shù)”的質(zhì)子和中子，其原子核比較穩(wěn)定，這就是說，隨著原子序數(shù)的遞增，其原子核不一定不穩(wěn)定。因此在109號元素之后還能合成一大批元素，這樣，第七周期32種元素將會被填滿，第八周期也將填滿（按理論計算，第八周期元素共50種，其中7種主族元素，1種惰性元素，10種過渡元素或副族元素，還有32種超錒系元素，列在元素周期表錒系元素的下方）。然而理論的唯一檢驗標準是實踐，能否不斷合成新元素至今還是一個謎，科學家將上天（如到月球）入地（如海底）或反復(fù)在粒子加速器中進行實驗，企圖合成新元素，其結(jié)果將會如何，人們正拭目以待。更為有趣的是，有些科學家還提出元素周期表可以向負方向發(fā)展，這是由于科學上發(fā)現(xiàn)了正電子、負質(zhì)子（反質(zhì)子），在其他星球上是否存在由這些反質(zhì)子和正電子以及中子組成的反原子呢？這種觀點若有一朝被實踐證實，元素周期表當然可以出現(xiàn)核電荷數(shù)為負數(shù)的反元素，向負向發(fā)展也就順理成章了。4.化學鍵理論發(fā)展簡介化學鍵理論應(yīng)該回答原子怎樣形成分子（或晶體），以及分子為什么可以穩(wěn)定存在等問題。歷史上曾出現(xiàn)各種理論，從貝采里烏斯的二元學說起，到熱拉爾的類型論、凱庫勒和布特列洛夫的結(jié)構(gòu)理論、維爾納的配位理論、路易斯等的電子理論等，經(jīng)過了一個多世紀的努力，終于逐漸形成現(xiàn)代的化學鍵理論。1812年，貝采里烏斯發(fā)表了二元學說。當時已知道水經(jīng)電解后，氫氣從負極析出，氧氣從正極析出。他從電解現(xiàn)象中得到啟發(fā)，認為每種化合物都是由電性相反的兩部分組成。電解時，正的部分在負極析出，負的部分則在正極析出。例如，它們靠正電性和負電性兩部分以靜電吸引結(jié)合而成穩(wěn)定分子。二元學說較好地解釋無機化合物，解釋有機化合物則遇到了困難。熱拉爾完全拋棄了二元學說，提出類型論，他把化合物分為四類：這四個母體化合物中的氫被各種基團所取代，可得到各種各樣的化合物。例如：類型論只能總結(jié)實驗結(jié)果，使有機化合物初步系統(tǒng)化，但沒有預(yù)見性。1857年，凱庫勒提出碳是四價，并注意到碳的原子價不分正負，因而碳與碳原子可以結(jié)合形成鏈狀。后來，凱庫勒又提出在芳香族化合物里，碳具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，對于苯分子提出了凱庫勒結(jié)構(gòu)式，并指出原子間可以單鍵、雙鍵和三鍵聯(lián)結(jié)。凱庫勒的理論對有機化學的發(fā)展起了很大的推動作用。1861年，布特列洛夫提出了化學結(jié)構(gòu)理論。他認為分子不是原子的簡單堆積，而是原子按一定順序排列的化學結(jié)合；這樣結(jié)合起來的每個原子之間有復(fù)雜的化學力相互作用。這種化學力的分配叫做物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)，或稱分子中原子間的相互作用。分子中原子間的相互作用包含相鄰原子間直接的相互作用和不相鄰原子間的間接相互作用。他還認為每一個分子只能有一個確定的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的化學性質(zhì)決定于它的化學結(jié)構(gòu)。1893年，維爾納提出了配位理論來解釋絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)。認為金屬有兩種原子價，即主價和副價，后者或稱配位數(shù)。每一種金屬有一定副價。主價必須由負離子來滿足，而副價則可由負離子或中性分子來滿足。副價有方向性，如副價為6時，指向正八面體的六個頂點。副價為4時有兩種情況，可以指向正方形的四個角，或指向正四面體的四個頂點。以上是19世紀發(fā)展起來的經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論，它們是概括了大量化學事實而提出來的，又能解釋許多事實，但限于當時的科學水平，對許多問題還搞不清楚。例如，分子中原子相互結(jié)合的本質(zhì)是什么？副價是怎樣產(chǎn)生的？非相鄰原子之間的相互作用是怎樣的？進入20世紀后，隨著電子、放射性的發(fā)現(xiàn)，玻爾在普朗克的量子論和盧瑟福的原子模型基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)理論，這些為創(chuàng)立化學鍵的電子理論打下了基礎(chǔ)。1914年到1919年，路易斯等人創(chuàng)立和發(fā)展了電子理論。他們認為： 原子價可分為共價和電價，共價是由兩個原子共有電子對而成，電價是靠正負離子的靜電引力而成。 原子得失電子或共有電子，如果外層電子達到稀有氣體的結(jié)構(gòu)時最穩(wěn)定（即所謂八隅律）。用八隅律解釋共價鍵的飽和性，有很多例外，而共價鍵的方向性，電子理論也不能解釋。但是電子理論已經(jīng)明確指出分子中原子間的相互作用是價電子和各原子核間的相互作用，原子間的一個化學鍵是一對電子。由于電子理論中引進的電子概念是靜止的，所以，還不能解釋清楚共價鍵的本質(zhì)問題。1927年，海特勒和倫敦用量子力學處理氫分子獲得成功，開創(chuàng)了現(xiàn)代的化學鍵理論。目前流行的化學鍵理論有電子配對理論（或稱價鍵理論）、分子軌道理論以及配位場理論。價鍵理論認為，成鍵的電子只是價電子，而其他電子仍是在各自的原子周圍運動。價鍵法與化學家熟悉的電子配對、八隅律等概念符合，因此較易為人們所接受，同時，用它處理分子結(jié)構(gòu)問題，價鍵的概念較明晰，因而一直為許多教科書所采用。但對許多化學現(xiàn)象，如氧分子的順磁性、氮分子的特殊穩(wěn)定性等，價鍵理論都無法解釋。在這些方面，分子軌道理論能發(fā)揮其作用。分子軌道理論將整個分子看作一個整體，整個分子中的各原子核形成一定的勢場，所有的電子都在這勢場的一定的分子軌道中運動。電子在分子軌道中運動，同樣遵循能量最低原理。近年來，由于分子軌道對稱守恒原理的發(fā)現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，分子軌道理論發(fā)展較快。5.共價鍵理論簡介對共價鍵本質(zhì)問題的探討一直是化學鍵理論中的重大研究課題。為了闡明共價鍵的形成，20世紀30年代以后建立了兩種化學鍵理論：一種是現(xiàn)代價鍵理論，另一種是分子軌道理論。現(xiàn)行中學教材中介紹的基本上是現(xiàn)代價鍵理論。由于20世紀初建立的經(jīng)典價鍵理論遇到許多不能解決的矛盾，對共價鍵的本質(zhì)也解釋不清，為了解決這些矛盾，1927年德國化學家海特勒和倫敦首先將量子力學理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中。后來鮑林等又發(fā)展了這一理論，建立了現(xiàn)代價鍵理論（Valence Bond Theory），簡稱VB法，又稱電子配對法。該理論認為：原子在未化合前有未成對電子，這些未成對的電子，如果自旋方向相反的話，則可兩兩結(jié)合成電子對，這時原子軌道發(fā)生重疊，電子在兩核間出現(xiàn)機會較多，電子云密度較大，體系的能量降低，就能形成一個共價鍵；一個電子與另一個電子配對后就不能再與第三個電子配對；原子軌道重疊愈多，所形成的共價鍵就愈穩(wěn)定，等等。現(xiàn)代價鍵理論不但可解釋共價鍵的飽和性和方向性問題，而且在得到雜化軌道理論充實后，還能解釋許多分子的幾何構(gòu)型問題。值得注意的是現(xiàn)代價鍵理論不受經(jīng)典價鍵概念的所謂“八隅律”的束縛，如中的Be和B原子的最外層并不是8個電子，而分別是4個和6個電子。但現(xiàn)代價鍵理論在解釋有些分子的形成時，也遇到了困難。例如，它只能從原子軌道的重疊定性地說明共價鍵的穩(wěn)定性，而不能給予近乎定量的解釋；它也無法解釋氧分子和硼分子等為什么具有順磁性等問題。另外，在解釋較復(fù)雜的分子以及有大鍵的有機分子結(jié)構(gòu)時也與實際偏差較大，因為該理論缺乏對分子作為一個整體的全面考慮。如果認為分子中的電子已不再從屬于任何一個組成原子的原子軌道，而是在屬于整個分子的若干分子軌道中運動，這似乎還比較合理，于是分子軌道理論（Molecular Orbital Theory），簡稱MO法，便應(yīng)運而生。MO理論認為：能量相近的原子軌道可以組合成分子軌道。由原子軌道組合成分子軌道的數(shù)目不變，而軌道能量改變。能量低于原子軌道的分子軌道為成鍵軌道，反之為反鍵軌道，能量等于原子軌道的分子軌道為非鍵軌道。分子中的電子在一定的“分子軌道”上運動。在不違背每一個分子軌道只容納兩個自旋方向相反的電子的原則下，分子中的電子將優(yōu)先占據(jù)能量最低的分子軌道，并盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同。在成鍵時，原子軌道重疊越多，所生成的鍵愈穩(wěn)定。分子軌道中電子的排布也遵從原子軌道電子排布的原則，即泡利不相容原理、能量最低原理、洪特規(guī)則和軌道最大重疊原理等對它都適用。利用分子軌道理論不僅可解釋現(xiàn)代價鍵理論所不能解釋的問題（如O2和B2分子的順磁性等問題），并且提出了三電子鍵及單電子鍵等概念。分子軌道理論從分子整體出發(fā)，對于處理多原子鍵體系，解釋離域效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)等方面的問題，都能更好地反映客觀實際。1965年在大量實驗的基礎(chǔ)上，美國伍德沃德和德國霍夫曼又提出了分子軌道對稱守恒原理。它對解釋和預(yù)示一系列化學反應(yīng)進行的難易程度，以及了解產(chǎn)物的立體構(gòu)型等問題都有指導(dǎo)作用，它使化學鍵理論進入到了研究化學反應(yīng)的新階段。