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

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2019-2020年高一化學(xué)第一章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律教學(xué)資源 新課標(biāo) 人教版 必修2 1.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(xué)、自然科學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐各方面都有重要意義。 （1）在哲學(xué)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(shí)，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(gè)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(rèn)為元素是互相孤立的形而上學(xué)觀點(diǎn)。通過(guò)元素周期律和周期表的學(xué)習(xí)，可以加深對(duì)物質(zhì)世界對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律的認(rèn)識(shí)。 （2）在自然科學(xué)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(guò)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(cè)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(xué)的許多部門(mén)，首先是化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地球化學(xué)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?cè)谥芷诒碇幸欢ǖ膮^(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。 ① 農(nóng)藥多數(shù)是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。 ② 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。 ③ 催化劑的選擇：人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，已發(fā)現(xiàn)過(guò)渡元素對(duì)許多化學(xué)反應(yīng)有良好的催化性能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些元素的催化性能跟它們?cè)拥膁軌道沒(méi)有充滿有密切關(guān)系。于是，人們努力在過(guò)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(guò)渡元素作催化劑，特別是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)少量稀土元素能大大改善催化劑的性能。 ④ 耐高溫、耐腐蝕的特種合金材料的制?。涸谥芷诒砝飶蘑驜到ⅥB的過(guò)渡元素，如鈦、鉭、鉬、鎢、鉻，具有耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。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(jī)、坦克等的不可缺少的金屬。 ⑤ 礦物的尋找：地球上化學(xué)元素的分布跟它們?cè)谠刂芷诒砝锏奈恢糜忻芮械穆?lián)系。科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：相對(duì)原子質(zhì)量較小的元素在地殼中含量較多，相對(duì)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(jià)，處于巖石深處的元素多數(shù)呈現(xiàn)低價(jià)；堿金屬一般是強(qiáng)烈的親石元素，主要富集于巖石圈的最上部；熔點(diǎn)、離子半徑、電負(fù)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(guò)程中，電負(fù)性小的、離子半徑較小的、熔點(diǎn)較高的元素和化合物往往首先析出，進(jìn)入晶格，分布在地殼的外表面。 有的科學(xué)家把周期表中性質(zhì)相似的元素分為十個(gè)區(qū)域，并認(rèn)為同一區(qū)域的元素往往是伴生礦，這對(duì)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(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，金屬原子易失電子而變成陽(yáng)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(duì)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(duì)外層電子吸引力的強(qiáng)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(lái)表示原子失電子的難易，并用電子親合能來(lái)表示原子與電子結(jié)合的難易。 從元素的一個(gè)最低能態(tài)的氣態(tài)原子中去掉1個(gè)電子成為一價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子時(shí)所需消耗的能量叫該元素的第一電離能，從一價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子中再去掉1個(gè)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(shuō)來(lái)，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(gè)氣態(tài)原子獲得1個(gè)電子成為一價(jià)氣態(tài)陰離子時(shí)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(shuō)來(lái)，元素的電子親合能越大，它的非金屬性越強(qiáng)。 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(fù)性。元素的電負(fù)性同電離能和電子親合能有一定的聯(lián)系。我們可把電負(fù)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(fù)性較小，金屬的電負(fù)性越小，它的活動(dòng)性越強(qiáng)。非金屬的電負(fù)性較大，非金屬的電負(fù)性越大，它的活動(dòng)性也越強(qiáng)。 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(lái)越難，得電子能力逐漸增強(qiáng)，因此金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。在短周期中這種遞變很顯著，但在長(zhǎng)周期中，自左至右，元素的金屬性減弱很慢。因?yàn)殚L(zhǎng)周期中過(guò)渡元素增加的電子進(jìn)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(jìn)入倒數(shù)第三層，即填入f軌道），所以在長(zhǎng)周期的前半部各元素的原子中，最外層電子數(shù)不超過(guò)2個(gè)，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(zhǎng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)。 3.元素周期表的終點(diǎn)在哪里？ 1869年俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫?qū)?dāng)時(shí)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(lèi)到底是否有限？周期表有否終點(diǎn)？ 20世紀(jì)30～40年代，人們發(fā)現(xiàn)了92號(hào)元素，就有人提出92號(hào)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(shí)間又合成近20種元素，元素周期表的尾巴增長(zhǎng)了。這時(shí)又有人預(yù)言，105號(hào)元素該是周期表的盡頭了，其理由是核電荷越來(lái)越大，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)也越來(lái)越大，質(zhì)子間的排斥力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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106～109號(hào)元素。這些元素存在的時(shí)間很短，如107號(hào)元素半衰期只有2 μs，照此推算元素周期表是否到盡頭了？ 1969年起，理論物理學(xué)家從理論上探索“超重元素”存在的可能性，他們認(rèn)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(shuō)，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(hào)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(huì)被填滿，第八周期也將填滿（按理論計(jì)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(guò)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)踐，能否不斷合成新元素至今還是一個(gè)謎，科學(xué)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，企圖合成新元素，其結(jié)果將會(huì)如何，人們正拭目以待。 更為有趣的是，有些科學(xué)家還提出元素周期表可以向負(fù)方向發(fā)展，這是由于科學(xué)上發(fā)現(xiàn)了正電子、負(fù)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(diǎn)若有一朝被實(shí)踐證實(shí)，元素周期表當(dāng)然可以出現(xiàn)核電荷數(shù)為負(fù)數(shù)的反元素，向負(fù)向發(fā)展也就順理成章了。 4.化學(xué)鍵理論發(fā)展簡(jiǎn)介 化學(xué)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(wèn)題。歷史上曾出現(xiàn)各種理論，從貝采里烏斯的二元學(xué)說(shuō)起，到熱拉爾的類(lèi)型論、凱庫(kù)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(guò)了一個(gè)多世紀(jì)的努力，終于逐漸形成現(xiàn)代的化學(xué)鍵理論。 1812年，貝采里烏斯發(fā)表了二元學(xué)說(shuō)。當(dāng)時(shí)已知道水經(jīng)電解后，氫氣從負(fù)極析出，氧氣從正極析出。他從電解現(xiàn)象中得到啟發(fā)，認(rèn)為每種化合物都是由電性相反的兩部分組成。電解時(shí)，正的部分在負(fù)極析出，負(fù)的部分則在正極析出。例如， 它們靠正電性和負(fù)電性兩部分以靜電吸引結(jié)合而成穩(wěn)定分子。二元學(xué)說(shuō)較好地解釋無(wú)機(jī)化合物，解釋有機(jī)化合物則遇到了困難。 熱拉爾完全拋棄了二元學(xué)說(shuō)，提出類(lèi)型論，他把化合物分為四類(lèi)： 這四個(gè)母體化合物中的氫被各種基團(tuán)所取代，可得到各種各樣的化合物。例如： 類(lèi)型論只能總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使有機(jī)化合物初步系統(tǒng)化，但沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性。 1857年，凱庫(kù)勒提出碳是四價(jià)，并注意到碳的原子價(jià)不分正負(fù)，因而碳與碳原子可以結(jié)合形成鏈狀。后來(lái)，凱庫(kù)勒又提出在芳香族化合物里，碳具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)于苯分子提出了凱庫(kù)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(kù)勒的理論對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。 1861年，布特列洛夫提出了化學(xué)結(jié)構(gòu)理論。他認(rèn)為分子不是原子的簡(jiǎn)單堆積，而是原子按一定順序排列的化學(xué)結(jié)合；這樣結(jié)合起來(lái)的每個(gè)原子之間有復(fù)雜的化學(xué)力相互作用。這種化學(xué)力的分配叫做物質(zhì)的化學(xué)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(rèn)為每一個(gè)分子只能有一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 1893年，維爾納提出了配位理論來(lái)解釋絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)。認(rèn)為金屬有兩種原子價(jià)，即主價(jià)和副價(jià)，后者或稱配位數(shù)。每一種金屬有一定副價(jià)。主價(jià)必須由負(fù)離子來(lái)滿足，而副價(jià)則可由負(fù)離子或中性分子來(lái)滿足。副價(jià)有方向性，如副價(jià)為6時(shí)，指向正八面體的六個(gè)頂點(diǎn)。副價(jià)為4時(shí)有兩種情況，可以指向正方形的四個(gè)角，或指向正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。 以上是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論，它們是概括了大量化學(xué)事實(shí)而提出來(lái)的，又能解釋許多事實(shí)，但限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)水平，對(duì)許多問(wèn)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(jià)是怎樣產(chǎn)生的？非相鄰原子之間的相互作用是怎樣的？進(jìn)入20世紀(jì)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(xué)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(rèn)為：① 原子價(jià)可分為共價(jià)和電價(jià)，共價(jià)是由兩個(gè)原子共有電子對(duì)而成，電價(jià)是靠正負(fù)離子的靜電引力而成。② 原子得失電子或共有電子，如果外層電子達(dá)到稀有氣體的結(jié)構(gòu)時(shí)最穩(wěn)定（即所謂八隅律）。 用八隅律解釋共價(jià)鍵的飽和性，有很多例外，而共價(jià)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(jià)電子和各原子核間的相互作用，原子間的一個(gè)化學(xué)鍵是一對(duì)電子。由于電子理論中引進(jìn)的電子概念是靜止的，所以，還不能解釋清楚共價(jià)鍵的本質(zhì)問(wèn)題。 1927年，海特勒和倫敦用量子力學(xué)處理氫分子獲得成功，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代的化學(xué)鍵理論。目前流行的化學(xué)鍵理論有電子配對(duì)理論（或稱價(jià)鍵理論）、分子軌道理論以及配位場(chǎng)理論。價(jià)鍵理論認(rèn)為，成鍵的電子只是價(jià)電子，而其他電子仍是在各自的原子周?chē)\(yùn)動(dòng)。價(jià)鍵法與化學(xué)家熟悉的電子配對(duì)、八隅律等概念符合，因此較易為人們所接受，同時(shí)，用它處理分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，價(jià)鍵的概念較明晰，因而一直為許多教科書(shū)所采用。但對(duì)許多化學(xué)現(xiàn)象，如氧分子的順磁性、氮分子的特殊穩(wěn)定性等，價(jià)鍵理論都無(wú)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(gè)分子看作一個(gè)整體，整個(gè)分子中的各原子核形成一定的勢(shì)場(chǎng)，所有的電子都在這勢(shì)場(chǎng)的一定的分子軌道中運(yùn)動(dòng)。電子在分子軌道中運(yùn)動(dòng)，同樣遵循能量最低原理。近年來(lái)，由于分子軌道對(duì)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(jià)鍵理論簡(jiǎn)介 對(duì)共價(jià)鍵本質(zhì)問(wèn)題的探討一直是化學(xué)鍵理論中的重大研究課題。為了闡明共價(jià)鍵的形成，20世紀(jì)30年代以后建立了兩種化學(xué)鍵理論：一種是現(xiàn)代價(jià)鍵理論，另一種是分子軌道理論?，F(xiàn)行中學(xué)教材中介紹的基本上是現(xiàn)代價(jià)鍵理論。 由于20世紀(jì)初建立的經(jīng)典價(jià)鍵理論遇到許多不能解決的矛盾，對(duì)共價(jià)鍵的本質(zhì)也解釋不清，為了解決這些矛盾，1927年德國(guó)化學(xué)家海特勒和倫敦首先將量子力學(xué)理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中。后來(lái)鮑林等又發(fā)展了這一理論，建立了現(xiàn)代價(jià)鍵理論（Valence Bond Theory），簡(jiǎn)稱VB法，又稱電子配對(duì)法。該理論認(rèn)為：原子在未化合前有未成對(duì)電子，這些未成對(duì)的電子，如果自旋方向相反的話，則可兩兩結(jié)合成電子對(duì)，這時(shí)原子軌道發(fā)生重疊，電子在兩核間出現(xiàn)機(jī)會(huì)較多，電子云密度較大，體系的能量降低，就能形成一個(gè)共價(jià)鍵；一個(gè)電子與另一個(gè)電子配對(duì)后就不能再與第三個(gè)電子配對(duì)；原子軌道重疊愈多，所形成的共價(jià)鍵就愈穩(wěn)定，等等。 現(xiàn)代價(jià)鍵理論不但可解釋共價(jià)鍵的飽和性和方向性問(wèn)題，而且在得到雜化軌道理論充實(shí)后，還能解釋許多分子的幾何構(gòu)型問(wèn)題。值得注意的是現(xiàn)代價(jià)鍵理論不受經(jīng)典價(jià)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(gè)電子，而分別是4個(gè)和6個(gè)電子。 但現(xiàn)代價(jià)鍵理論在解釋有些分子的形成時(shí)，也遇到了困難。例如，它只能從原子軌道的重疊定性地說(shuō)明共價(jià)鍵的穩(wěn)定性，而不能給予近乎定量的解釋?zhuān)凰矡o(wú)法解釋氧分子和硼分子等為什么具有順磁性等問(wèn)題。另外，在解釋較復(fù)雜的分子以及有大π鍵的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)時(shí)也與實(shí)際偏差較大，因?yàn)樵摾碚撊狈?duì)分子作為一個(gè)整體的全面考慮。如果認(rèn)為分子中的電子已不再?gòu)膶儆谌魏我粋€(gè)組成原子的原子軌道，而是在屬于整個(gè)分子的若干分子軌道中運(yùn)動(dòng)，這似乎還比較合理，于是分子軌道理論（Molecular Orbital Theory），簡(jiǎn)稱MO法，便應(yīng)運(yùn)而生。 MO理論認(rèn)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(yùn)動(dòng)。在不違背每一個(gè)分子軌道只容納兩個(gè)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(shí)，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(duì)它都適用。 利用分子軌道理論不僅可解釋現(xiàn)代價(jià)鍵理論所不能解釋的問(wèn)題（如O2和B2分子的順磁性等問(wèn)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(duì)于處理多原子π鍵體系，解釋離域效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)等方面的問(wèn)題，都能更好地反映客觀實(shí)際。1965年在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國(guó)伍德沃德和德國(guó)霍夫曼又提出了分子軌道對(duì)稱守恒原理。它對(duì)解釋和預(yù)示一系列化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的難易程度，以及了解產(chǎn)物的立體構(gòu)型等問(wèn)題都有指導(dǎo)作用，它使化學(xué)鍵理論進(jìn)入到了研究化學(xué)反應(yīng)的新階段。