元素的性质与原子结构

文章编号：1005－6629(2008)04－0045－04中图分类号：G633.8 文献标识码：B

教学目标：

1．通过学习碱金属单质和卤素单质的性质变化规律，体会元素性质变化的规律。

2．进一步学习与巩固原子结构决定元素性质的思想方法。

3．初步体验从具体到抽象、从归纳到演绎的化学理论知识学习的一般方法。

教学重点和难点：

1．碱金属单质和卤素单质的性质变化规律

2．原子结构决定元素性质的思想方法的确立

教学过程：

引入：

投影元素周期表：

这是一张元素周期表，上节课我们刚学习了它的结构。请大家帮助我找一找，在这张周期表中我们已经学习过哪些元素的单质。

（钠、镁、铝、铁、铜；氯、硫、氮、硅等）

其中有些是金属元素的单质，有些是非金属元素的单质。请大家能否总结一下，金属元素的单质有哪些通性？非金属元素的单质又有哪些常见的性质？

投影：

金属单质：

都可作还原剂：M-neMn+。

具体表现为：

(1)与非金属单质反应，如与氧气反应生成金属氧化物；2Cu+O22CuO

(2)与水反应，产生氢气；如钠与水反应生成氢氧化钠和氢气，铁在高温时与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气等；2Na+2H2O2NaOH+H2

3Fe+4H2O(气)Fe3O4+4H2

(3)与盐酸、稀硫酸等酸反应，生成氢气；如铝和稀硫酸反应，生成硫酸铝和氢气，但是金属遇到某些酸（如浓硫酸、硝酸等）不产生氢气。

2Al+3H2SO4Al2(SO4)3+3H2

(4)与某些可溶性盐发生置换反应；如铁与硫酸铜溶液反应可生成硫酸亚铁溶液和铜单质；

Fe+CuSO4FeSO4+Cu

非金属单质：都可作氧化剂，也可作还原剂

(1)与氢气反应生成氢化物；Cl2+H22HCl

(2)与金属反应：2Na+Cl2 2NaCl

(3)与氧气反应生成非金属氧化物: S+O2

SO2

(4)与水反应：Cl2+H2OHCl+HClO

(5)与强碱溶液反应： Cl2 + 2NaOH NaCl+ NaClO+H2O

讲解：教材编写专家为什么要在前面让我们学习那么多具体物质的性质呢？在这张周期表中，它们的位置有何特点？

它们分处在不同的族中，是各个族的典型代表物。周期表中已经有一百十几种元素，我们无法在短短的高中阶段学完，我们可以根据原子结构相似的特点，进行归类学习。今天我们将在典型单质和元素周期表的引领下，进一步学习如何采用一定的推理方法，把它们演绎到其他元素单质的学习中，从而达到事半功倍的效果。

下面我们借助最为典型的金属元素――碱金属和最为典型的非金属元素――卤素，通过研究它们单质的化学性质的递变规律，来学习一种化学推理方法。

第一环节：碱金属部分

我们曾经学习过金属钠的相关性质，同主族钾的性质是否与钠的完全相同？（不完全相同）， 我们可以从哪些角度进行比较研究？（与氧气、水、盐溶液等反应），如何进行比较研究？（控制变量法）。

请大家回忆钠与水反应的现象。（交流）

投影演示：

（1）钠与水反应的实验

钠熔化成闪亮的银白色小球；浮在水面上；快速地四处游动；发出吱吱的声响；滴有酚酞的溶液变红色。

（2）钾与水反应的实验

钾熔化成闪亮的银白色小球；浮在水面上；快速地四处游动；发出吱吱的声响；能燃烧并伴有轻微的爆鸣声和紫色的火焰；滴入酚酞溶液显红色。

从上述的实验现象我们可以推知怎样的结论？

钾与水的反应比钠与水的反应更剧烈，说明钾比钠更活泼。

排在周期表下方的铷和铯又如何？

播放录像：铷、铯分别与水反应的实验。

从上述的录像，结合刚才的实验，我们又可以推知怎样的结论？

在钠上方的锂呢？

播放录像：锂与水反应的实验。

钠、钾、铷、铯，它们单质与水反应愈趋活泼，说明它们的单质活动性越来越大。

为什么呢？

阅读并填写：第5页上的表格。

思考：为什么锂、钠、钾、铷、铯，它们的单质活动性会越来越大？

提示：

1. 原子结构有何相同和不同点；变化规律如何？

2. 元素的性质包括元素的原子半径、元素的主要化合价和元素的金属性和非金属性等，你认为这些元素的性质与它们的原子结构有关系吗？

原子的最外层电子都是1个；容易失去最外层的电子而呈现+1价。

原子核外的电子层数不同；随着核电荷数的增加，他们的电子层数逐渐递增，所以原子半径也逐渐增大；使核对最外层电子的吸引逐渐减弱，导致它们的失电子能力依次增强，元素的金属性也随之逐渐增大。

其中，最外层电子数和电子层数是原子结构的组成部分。

元素的主要化合价主要取决于原子的最外层电子数；

元素的原子半径，在最外层电子数相同时，主要取决于原子的电子层数；

元素的金属性强弱是原子的失电子能力决定，而失电子能力和原子的半径有关，同族元素的原子半径又取决于原子的电子层数。

所以元素的原子结构决定了元素的性质。

3. 你认为元素单质的性质与元素的原子结构有关系吗？

由于元素的性质无法用直观的现象进行表达，所以我们只能通过它们的单质及其化合物的性质来反映。

金属元素的单质是由金属原子通过相似的作用力―金属键结合起来（金属键知识将在后面学习到），所以锂、钠、钾、铷、铯单质的结构递变主要取决于它们的原子结构的递变性，碱金属元素的原子结构递变性，也可以通过碱金属单质部分化学性质的递变来反映。实验中碱金属单质与水反应越来越剧烈，是因为从上到下随着核电荷数的增加，电子层数逐渐递增，原子半径逐渐增大，元素的金属性逐渐增大引起的。

由于碱金属元素的原子结构的递变性决定了元素性质的递变性，同时在很大程度上决定了它们单质的部分化学性质递变的规律，所以我们可以根据碱金属元素原子结构的相似性和递变性，通过对典型元素钠及其单质的部分性质研究，来推测其他碱金属元素及其单质的性质。

第二环节：卤素与氢气的反应

刚才我们通过碱金属单质与水反应，初步感知了物质结构决定物质性质，那么卤素的情况是否也能佐证呢？

观察：第7页下面卤素的原子结构，请你试着推测一下氟、氯、溴、碘元素性质的相似性和递变性。

根据碱金属学习，得出“元素的原子结构决定了元素的性质”的结论。

卤素原子的最外层电子都是7个；可以推测它们都容易得到1个电子而呈现-1价。

卤素原子核外的电子层数不同；随着核电荷数的增加，他们的电子层数逐渐递增，可以推测原子半径也逐渐增大，核对最外层电子的吸引逐渐减弱，导致它们的得电子能力依次减弱，元素的非金属性也随之逐渐减弱。

推测：卤素的单质是由卤素原子通过相似的原子间的强烈相互作用形成的（原子间的强烈相互作用将在后续的学习中学习），所以同主族卤素单质的结构递变也主要取决于它们原子结构的递变性。所以我们可以通过他们结构的相似性和递变规律，来推测卤素部分化学性质的递变规律。

下面请你根据刚才所学的知识，以氯气与氢气反应为例来推测卤素单质氟、氯、溴、碘与氢气反应的可能情况。

卤素原子的最外层电子都是7个，它们都容易得到1个电子，可以推测氟、氯、溴、碘都能与氢气反应，并生成氢化物，其中卤素的化合价都应该为-1价。

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随着核电荷数的增加，氟、氯、溴、碘原子中的电子层数逐渐递增，原子半径逐渐增大，非金属性随之逐渐减弱，所以可以推测它们的单质与氢气反应的活动性逐渐递减，表现为反应的条件越来越高，反应的程度越来越小。

查找资料验证：是否如此？请阅读并填写第8页上的相关内容。

根据表中的信息可以得到：氟、氯、溴、碘与氢气反应的剧烈程度越来越小，生成的氢化物的稳定性越来越差。证明氟、氯、溴、碘的非金属活动性依次递减。

需补充说明的是，除了从元素的主要化合价、原子半径和元素的金属性和非金属性角度比较外，我们还可以从单质的活动性、相应氢化物的热稳定性和最高价氧化物对应水化物的酸性强弱来比较。（以卤素为例进行说明）

至此，我们进一步学习和明确了物质结构决定物质性质这样一个基本的思想方法。

第三环节：卤素单质间的置换反应

探究：我们能否设计一个实验，进一步“证明氯、溴、碘的非金属活动性逐渐减小”这样一个推测？

实验研究的特点，就是通过实验用明显的现象或数据，把看不见、摸不着的课题本质展现出来。

我们可以通过选取卤素的某个相关性质，通过观察它们的实验现象，从反应的条件、反应的剧烈程度等角度来比较它们的活泼性。

讨论、设计方案（可能的方案有）：

方案1：氯、溴、碘与金属的反应。观察反应的条件、剧烈程度来推测它们的活动性大小。

实验录像：氯、溴、碘与金属锑的反应。氯与锑常温下就能反应；溴与锑加热后才能反应；碘与锑长时间加热也无明显现象。证明氯、溴、碘的活泼性依次减弱。

方案2：氯、溴、碘与水的反应。

无法观察反应的程度，不可取。

方案3：氯、溴、碘相互间的置换反应。如何利用最少的实验加以证明？

溴化钠溶液中滴加氯水，然后加少量四氯化碳萃取，如果下层的溶液由无色变为橙色，证明氯可以置换溴。

碘化钾溶液中滴加溴水，然后加少量四氯化碳萃取，如果下层的溶液由无色变为紫红色，证明溴可以置换碘。

由上述两个实验可知，氯、溴、碘的活泼性依次减弱。

方案4：测氢化物的热稳定性。（测受热分解的温度，较复杂）

方案5：测最高价氧化物对应水化物的酸性强弱。（如何比较？与水溶液酸性强弱有区别，应观察高价氧化物对应水化物中O-H键，受该元素吸引后容易断裂的程度。这很难用现象来表达，所以作为实验研究的方案不合适。）

在学习阶段形成多种方案并不是最终目的，首先我们期望通过各种方案的设计，能够充分调动自己原有的学习经验并把它纳入到自己新的知识结构中，形成并完善更为丰富、复杂的知识网络。问题解决的第一层次是想办法解决问题；第二层次是想更多的办法解决问题；第三层次是优选方案想更好的办法解决问题。优选方案的原则是方案可靠、现象明显、操作简便、安全绿色，并用实验进行验证。实际上科学家在科学研究中，也经常会优先考虑简单易行的方案进行研究。

讨论、评价设计方案：

学生实验验证：

溴化钠溶液中滴加氯水，然后加少量四氯化碳振荡，下层的溶液由无色变为橙色。证明氯可以置换出溴。

碘化钾溶液中滴加溴水，然后加少量四氯化碳振荡，下层的溶液由无色变为紫红色。证明溴可以置换出碘。

补充资料

利用Br2和I2在有机溶剂中溶解度大于在水中的溶解度的特点，我们可以利用四氯化碳等溶剂，把少量的溴和碘从它们的水溶液中聚集起来，从而便于实验现象的观察。用这种方法我们可以检验水中少量的溴和碘的单质。

讲解：由上述实验探究，我们进一步认识了元素（物质）性质与原子（物质）结构的关系。今后我们将在碱金属和卤素的基础上，应用上述的原理，对周期表中的其他主族元素进行演绎与推理，从而更好、更有效地完成高中化学的学习任务。

预测：氧族元素及其单质的性质递变规律。可能的角度有：

元素的性质：主要化合价为-2价；从上到下原子半径逐渐增大，非金属性逐渐减弱。

单质的活动性：从上到下逐渐减小。如2H2S+O22H2O+S

（氢化物热稳定性从上到下越来越差，水分子受热时3000℃才分解，而硫化氢分子受热300℃左右就已经分解。

最高价氧化物对应水化物的酸性从上到下越来越弱）

作业：

1.其实，同主族元素的单质除了化学性质有递变规律外，它们在物理性质上也表现出一定的相似性和规律性。

如：碱金属单质的物理性质，见第7页表格中的信息。

还如：卤素单质的物理性质，见第8页表格中的信息。

请找出它们的相似性和规律性。

2. 利用上述的原理我们不仅可以根据主族元素中典型的元素及其单质、化合物的性质来推测其他元素及其单质、化合物的相关性质，我们还可以利用同周期元素的原子结构递变规律来推测它们性质的递变性。

小结：

1. 今天我们通过实验和信息处理的方式，学习了碱金属和卤素单质的性质递变规律，并体会了碱金属和卤族元素的结构与性质的关系，进一步明确了原子结构决定元素性质的思想方法。

2.利用周期表，通过体验感知―推理验证―归纳整理―演绎推理（应用规律解决问题）的一般科学研究的思维方法，我们也初步体验了从具体到抽象、从归纳到演绎的化学理论知识学习的一般方法。

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”

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