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鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 原子结构 元素周期律第3节 元素周期表的应用学案
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这是一份鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 原子结构 元素周期律第3节 元素周期表的应用学案，共13页。学案主要包含了ⅠA族元素性质的递变规律探究，卤族元素性质的递变规律探究，预测元素及其化合物的性质，元素周期表的应用等内容，欢迎下载使用。
一、ⅠA族(除H外)元素性质的递变规律探究
1．原子结构特点
(1)原子结构
(2)对比归纳
①相似性：最外层电子数都是1。
②递变性：随着核电荷数的增加，电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大。
2．单质及化合物性质的递变性
3．碱金属元素的性质与原子结构之间的关系
从Li→Cs，最外层电子数均为1，但随核电荷数的增加，电子层数逐渐增多→原子半径逐渐增大→原子核对最外层电子(1个)的引力逐渐减弱→元素原子的失电子能力逐渐增强→元素的金属性逐渐增强。
某兴趣小组在实验室中完成了如图所示的实验：
(1)请叙述上述实验现象的异同点。
(2)你从上述实验能得出什么样的结论？
提示：(1)相同点有：金属浮在水面上，熔成闪亮的小球，小球四处游动，发出“嘶嘶”的响声；反应后的溶液呈红色。不同点有：钾与水的反应有轻微爆炸声并着火燃烧。
(2)通过上述实验可以得出与水反应剧烈程度：K>Na；金属的活泼性：K>Na。
二、卤族元素性质的递变规律探究
1．卤族元素原子结构和性质的相似性
2．卤族元素性质的递变性
(1)卤族元素单质的物理性质及递变性
(2)卤素单质的结构及化学性质递变性
(3)探究卤族元素性质的相似性和递变性
结论：卤素单质的氧化性：Cl2>Br2>I2；
卤素离子的还原性：I－>Br－>Cl－。
3．卤族元素的性质与原子结构之间的关系
从F→I，随着核电荷数的增加，电子层数逐渐增多→原子半径逐渐增大→原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱→元素原子的得电子能力逐渐减弱→元素的非金属性逐渐减弱。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)同主族元素自上至下，碱金属和卤族元素单质的熔、沸点都逐渐增大。
( )
(2)同主族元素随核电荷数的增加，气态氢化物的稳定性逐渐增强。( )
(3)酸性：HF>HCl>HBr>HI。( )
[答案] (1)× (2)× (3)×
三、预测元素及其化合物的性质(以Si为例)
1．性质的预测
(1)硅元素的原子结构及性质分析
(2)性质预测
2．化学性质验证
(1)单质硅的化学性质
①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF、强碱(如NaOH)溶液反应。
Si＋2F2===SiF4；Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。
Si＋O2 eq \(=====,\s\up9(△))SiO2。
(2)SiO2的化学性质
①具有酸性氧化物的通性。
a.常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
b.高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：
SiO2＋CaO eq \(=====,\s\up9(高温))CaSiO3。
②弱氧化性：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up9(高温))Si(粗)＋2CO↑。
③特性：与氢氟酸(HF)反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
此反应常被用来刻蚀玻璃。
(3)H2SiO3的化学性质。
H2SiO3是一种弱酸，具有酸的性质，但是酸性比碳酸的弱。
验证：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑，故从彼名”。自佛经传入中国后，翻译人员考虑到“马脑”属玉石类，于是巧妙地译成“玛瑙”。
玛瑙的主要成分为二氧化硅，由于其与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色到暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸。
提示：二氧化硅不与水反应，故应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐，再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。
四、元素周期表的应用
1．元素周期表是研究化学的重要工具，可为研究物质结构、发现新元素、合成新物质、寻找新材料提供许多有价值的指导。
2．寻找新材料(连线)
人工合成氨是科学史上的里程碑之一。一百多年来，工业合成氨需要高温高压的苛刻条件，而自然界的生物固氮是在常温常压下进行的。因此高效的人工模拟生物固氮成为催化科学领域的圣杯。
若要研制新型的高效催化剂，应该在元素周期表的什么位置寻找合适的元素？
提示：在元素周期表中的过渡元素部分寻找合适的催化剂。
同主族元素及其物质性质的递变规律
元素在元素周期表中的位置，反映了元素的原子结构和元素的性质，如氮族元素是位于元素周期表ⅤA族的元素，在生活中有广泛应用，如用N2作防腐气体，液氮还可用作制冷剂，P可用于制造农药等。如图是元素周期表的一部分。
1．阴影部分中的元素N在元素周期表中的位置是什么？根据元素周期律，预测H3AsO4与H3PO4酸性强弱的关系是什么？
提示：元素N在元素周期表中的位置是第2周期ⅤA族。同一主族，元素的非金属性从上到下逐渐减弱，故酸性：H3PO4>H3AsO4。
2．元素硫的最高正价和最低负价的代数和是多少？在一定条件下，S与H2反应有一定难度，请判断：在相同条件下Se与H2反应的难度比S与H2反应的难度更大还是更小？
提示：S的最高正价为＋6，最低负价是－2，二者代数和是4，元素非金属性越强，与氢气化合越容易。同主族从上到下非金属性逐渐减弱，Se与H2化合难度更大。
同主族元素原子结构与性质的递变规律
【例题】 运用元素周期律分析，下列说法中错误的是 ( )
A．Ra是第7周期ⅡA族元素，Ra(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性强
B．As是第4周期ⅤA族元素，AsH3的还原性比NH3的还原性弱
C．Cs的原子半径比Na的原子半径大，Cs与水反应比Na与水反应更剧烈
D．Cl的核电荷数比Al的核电荷数大，Cl的原子半径比Al的原子半径小
B [同主族元素，自上而下，随原子序数的增大，元素的金属性增强，非金属性减弱，ⅡA族元素Mg和Ra，原子序数：MgMg(OH)2，A项正确；ⅤA族元素N和As，原子序数：NAs，其对应阴离子的还原性：N3－Cl，D项正确。]
[变式旁通] (1)A选项中Ra是第7周期ⅡA族元素，则第5周期ⅡA族元素对应的最高价氧化物对应的水化物是________。
(2)B选项中的As是第4周期ⅤA族元素，则H3AsO4的酸性比HNO3的________(填“强”或者“弱”)。
提示：(1)Sr(OH)2。第5周期ⅡA族元素为Sr，最高化合价为＋2价，最高价氧化物对应的水化物是Sr(OH)2。
(2)弱。As与N都属于ⅤA族元素，同主族元素非金属性从上到下逐渐减弱，即AsH3AsO4。
1．下列关于物质性质变化的比较，不正确的是( )
A．稳定性强弱：HF>HCl>HBr>HI
B．原子半径大小：Na>S>O
C．碱性强弱：KOH>NaOH>LiOH
D．还原性强弱：F－>Cl－>I－
D [非金属性强弱：F＞Cl＞I，对应阴离子的还原性依次增强。]
2．砷为第4周期ⅤA族元素，根据它在元素周期表中的位置推测，砷不可能具有的性质是 ( )
A．AsH3比NH3稳定性强
B．可以存在－3、＋3、＋5等多种化合价
C．As2O5对应水化物的酸性比H3PO4弱
D．砷的非金属性比磷弱
A [N、P、As均为ⅤA族元素，分别位于第2、3、4周期，根据元素周期律判断，As比N、P非金属性弱，NH3比AsH3稳定性强，H3AsO4(As2O5的对应水化物)的酸性比H3PO4弱。As与N、P同在ⅤA族，N和P都有－3、＋3、＋5的化合价，则As也有－3、＋3、＋5的化合价。]
碱金属元素、卤素单质的相似性和递变性
1．ⅠA族中的元素都是碱金属元素吗？
提示：不是。ⅠA族中除氢元素外的其余元素都是金属元素，俗称碱金属元素。
2．碱金属元素在空气中燃烧都生成过氧化物吗？
提示：不是。碱金属元素随着原子序数的递增，金属活泼性逐渐增强，在空气中燃烧的产物也越来越复杂。锂生成氧化锂，钠生成过氧化钠，钾、铷、铯等生成更复杂的氧化物。
3．钾的金属性比钠强，钾可以将钠从NaCl溶液中置换出来吗？
提示：不能。因为Na、K的金属性很强，Na＋、K＋的氧化性比H＋的弱，所以将钾放入NaCl溶液中，K置换水中＋1价的氢原子，而不置换出钠。
4．卤素单质与水反应都能生成氢卤酸和次卤酸吗？
提示：不是。氯、溴、碘的单质与水反应生成相应的氢卤酸和次卤酸，而氟气与水反应生成氢氟酸和氧气，化学方程式为2F2＋2H2O===4HF＋O2。
1．碱金属性质的递变规律
(1)随着原子序数的递增，碱金属元素的原子失电子能力逐渐增强，金属性逐渐增强，它们与水反应越来越容易，与O2反应的产物越来越复杂。
(2)碱金属都具有还原性，并且从Li到Cs逐渐增强。
2．卤素单质性质的相似性
(1)与H2反应：X2＋H2===2HX(一定条件)。
(2)与活泼金属(如Na)反应：2Na＋X2 eq \(=====,\s\up9(点燃))2NaX
(3)与H2O反应：
①H2O＋X2===HX＋HXO(X＝Cl、Br、I)
②2H2O＋2F2===4HF＋O2
3．卤素单质性质的递变性
(1)氧化性与还原性。
随着原子序数的递增：卤素单质的氧化性逐渐减弱，卤素阴离子的还原性逐渐增强。
(2)与H2反应的难易及氢化物的稳定性。
随着原子序数的递增：①与H2反应越来越难，生成的氢化物的稳定性越来越差，氢化物的还原性越来越强。
②氢化物都易溶于水，其水溶液的酸性依次增强。
(3)卤素单质与变价金属(如铁)反应时，F2、Cl2、Br2生成高价卤化物如FeX3，而I2只能生成低价卤化物如FeI2。
4．卤素单质的特殊性
(1)F2能与水反应，因此，F2不能从溶液中置换出其他卤素单质。
(2)通常情况下，氟没有正价，所以氟没有含氧酸。
(3)溶解性：通常情况下，除F2外，卤素单质在水中的溶解度都不大，但是均易溶于有机溶剂。
(4)卤素单质都有毒，液溴易挥发，保存时常用水密封。
1．下列与碱金属元素有关的比较中不正确的是( )
A．锂与水反应不如钠与水反应剧烈
B．还原性：K>Na，故K可以从NaCl溶液中置换出金属钠
C．熔、沸点：Li>Na>K
D．碱性：LiOHB [K不能在溶液中置换出金属钠，因为K首先和水发生反应。]
2．下列关于ⅦA族元素的说法中不符合递变规律的是( )
A．F2、Cl2、Br2、I2的氧化性逐渐减弱
B．F－、Cl－、Br－、I－的还原性逐渐增强
C．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱
D．HF、HCl、HBr、HI水溶液的酸性逐渐减弱
D [从F到I原子半径逐渐增大。单质的氧化性逐渐减弱，则其对应阴离子的还原性逐渐增强，故A、B两项均正确；从F到I，其气态氢化物的热稳定性逐渐减弱，C项正确；F－半径较小，与氢结合稳定，HF在水中难以电离出H＋，为弱酸，故酸性强弱关系为HF3．X、Y是元素周期表中ⅦA族中的两种元素，下列叙述中能说明X的非金属性比Y强的是 ( )
A．X原子的电子层数比Y原子的电子层数多
B．X的氢化物的酸性比Y的氢化物酸性强
C．X的气态氢化物比Y的气态氢化物稳定
D．Y的单质能将X从NaX的溶液中置换出来
C [A选项中X原子电子层数多于Y，因此在同族中X在Y的下方，根据同主族元素由上向下，非金属性减弱可知，X的非金属性比Y弱，故A错误；B中的氢化物都不是最高价氧化物对应水化物，不能通过比较它们酸性强弱来判断非金属性强弱；C项比较的是氢化物的稳定性，X的氢化物稳定，说明其非金属性强，举例：稳定性HF>HCl>HBr>HI；D中Y单质能够将X从其盐溶液中置换出来，说明Y非金属性强于X，与题干相反。]
硅及其化合物的特性
1．“硅酸可以由硅酸钠与盐酸、硫酸等反应制得”则将少量CO2通入Na2SiO3溶液会发生反应吗？为什么？
提示：会发生反应生成硅酸，反应的化学方程式为H2O＋CO2＋Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓，因为C和Si同主族，而C的非金属性比Si强，因此硅酸的酸性比碳酸的还弱，上述反应符合强酸制弱酸的原理。
2．根据反应SiO2＋Na2CO3 eq \(=====,\s\up9(高温))CO2↑＋Na2SiO3，能判断硅酸的酸性比碳酸强吗？为什么？
提示：不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的，不是在水溶液环境中进行的。反应能发生是因为产物CO2是气体能脱离反应体系，使反应正向进行。
硅及其化合物的特性
1．硅的特性
(1)一般情况下，非金属单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅熔、沸点高，硬度大；非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力。
(2)非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si却能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(3)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up9(高温))Si＋2CO↑。
(4)非金属单质跟碱液的反应一般非金属单质既作氧化剂又作还原剂，且无H2放出，但Si与碱液(如NaOH溶液)反应只作还原剂，且放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
2．硅的化合物的特性
(1)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。
(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的却很高。
(3)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(4)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下Na2CO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up9(高温))Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因是CO2是低沸点、易挥发的气体，SiO2是高沸点、难挥发的固体。
(5)无机酸一般易溶于水，但H2SiO3却难溶于水。且易分解：H2SiO3 eq \(=====,\s\up9(△))SiO2＋H2O↑。
1．下列有关说法中正确的是( )
A．硅是非金属元素，与任何酸都不发生反应
B．SiO2溶于水生成硅酸，其水溶液显酸性
C．硅的性质很稳定，但在自然界中不存在游离态
D．二氧化硅是酸性氧化物，可以与碱反应，但是不能与酸反应
C [Si可与HF反应，A错，SiO2不溶于水，B错，SiO2也可与HF反应，D错。]
2．下列说法正确的是 ( )
A．SiO2既可以和NaOH溶液反应，也可以和HF溶液反应，所以SiO2是两性氧化物
B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶
C．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池
D．陶瓷的烧制不涉及化学变化
B [SiO2是酸性氧化物，与NaOH反应生成盐和水，而与HF反应的生成物中没有盐，故A错误；向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸反应生成硅酸，硅酸是白色胶状物，故B正确；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，石英是二氧化硅，不导电，故C错误；烧制陶瓷的过程中有新物质生成，涉及化学变化，故D错误。]
1．钾和钠的性质相似，下列说法中能较好地解释这个事实的是( )
A．最外层电子数相同 B．都是金属元素
C．原子半径相差不大 D．最高化合价相同
A [A项，钠和钾都位于元素周期表ⅠA族，原子最外层电子数相同，性质相似，正确；B项，金属元素有很多种，但性质不完全相似，错误；C项，同主族元素的原子半径相差较大，但性质相似，错误；D项，最高化合价相同的元素性质不一定相同，如Mg、Cu的最高化合价都为＋2价，但性质不同，错误。]
2．碱性位于KOH和Mg(OH)2之间的氢氧化物是 ( )
A．RbOH B．Al(OH)3
C．LiOH D．NaOH
D [根据元素周期律，Na的失电子能力介于K与Mg之间，所以NaOH的碱性位于KOH与Mg(OH)2之间。]
3．某主族元素原子的O层上只有1个电子，下列描述正确的是( )
A．其单质在常温下跟水反应不如钠剧烈
B．其原子半径比钾原子半径小
C．其碳酸盐易溶于水
D．其氢氧化物不能使氢氧化铝溶解
C [由题意可知该元素在元素周期表的第5周期ⅠA族，是Rb，据同主族元素的递变性，Rb比Na活泼，与水反应更剧烈，A错；同主族元素自上而下原子半径逐渐增大，Rb的半径比K大，B错；因Na2CO3、K2CO3易溶于水，则Rb2CO3易溶于水，C正确；RbOH碱性比NaOH强，RbOH能使Al(OH)3溶解，D错误。]
4．元素周期表中某区域的一些元素多用于制造半导体材料，它们是( )
A．左下方区域的金属元素
B．金属元素和非金属元素分界线附近的元素
C．右上方区域的非金属元素
D．稀有气体元素
B [半导体材料Si、Ge位于金属元素和非金属元素分界线附近。]
5．下表为元素周期表的一部分，请回答有关问题：
(1)⑤和⑧的元素符号分别是________和________。
(2)表中最活泼的金属是________(填写元素符号，下同)，非金属性最强的元素是________。
(3)表中能形成两性氢氧化物的元素是________，分别写出该元素的氢氧化物与⑥和⑨的最高价氧化物对应水化物反应的化学方程式：
________________________________________________________________
________________________________________________________________，
________________________________________________________________。
(4)请设计一个实验，比较⑦与⑩的单质氧化性的强弱：
________________________________________________________________
________________________________________________________________。
[解析] 根据元素周期表中元素的位置可以确定各种元素，如表所示：
[答案] (1)Si Ar (2)K F
(3)Al 2Al(OH)3＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋6H2O
Al(OH)3＋KOH===K[Al(OH)4]
(4)取无色溴化钠的水溶液少许，向其中加入新制氯水，溶液变橙红色
学 习 任 务
1．以ⅠA族和ⅦA族为例，掌握同一主族内元素性质递变规律与原子结构的关系，培养“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。
2．从“宏观辨识与微观探析”的视角学习金属、非金属在元素周期表中的位置及其性质的递变规律。
3．能设计实验探究同主族元素的非金属性、金属性强弱，培养“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。
结构及性质
规律
原子半径
eq \(――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(原子半径增大))
单质的还原性
eq \(――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(单质还原性增强))
与水、氧气反应
的剧烈程度
eq \(―――――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(与H2O、O2反应越来越剧烈))
最高价氧化物对应
水化物的碱性
eq \(――――――――――――――――――→,\s\up9(LiOH NaOH KOH RbOH CsOH),\s\d10(碱性逐渐增强))
元素(名
称与符号)
氟(F)
氯(Cl)
溴(Br)
碘(I)
原子结构示意图
最外层电子数
都为7
最高正价
无
＋7价
最低负价
都为－1价
自然界中存在形态
全部以化合态形式存在
最高价含氧酸
无
HClO4
HBrO4
HIO4
气态氢化物
HF
HCl
HBr
HI
单质
物理性质
F2
Cl2
Br2
I2
颜色
浅黄绿色
黄绿色
深红棕色
紫黑色
状态
气体
气体
液体
固体
密度
逐渐增大
熔、沸点
逐渐升高
结构及化学性质
规律
原子半径
eq \(――――――――――→,\s\up9(F Cl Br I),\s\d10(原子半径逐渐增大))
单质的氧化性
eq \(――――――――――→,\s\up9(F2 Cl2 Br2 I2),\s\d10(氧化性逐渐减弱))
阴离子的还原性
eq \(――――――――――→,\s\up9(F－ Cl－ Br－ I－),\s\d10(还原性逐渐增强))
与H2化合的
难易程度
eq \(――――――――――→,\s\up9(F2 Cl2 Br2 I2),\s\d10(与H2化合越来越难))
氢化物的稳定性
eq \(――――――――――→,\s\up9(HF HCl HBr HI),\s\d10(稳定性逐渐减弱))
最高价氧化物对
应水化物的酸性
eq \(――――――――――→,\s\up9(HClO4 HBrO4 HIO4),\s\d10(酸性逐渐减弱))
实验操作
实验现象
化学方程式
静置后，液体分层，上层无色，下层橙色
Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2
静置后，液体分层，上层无色，下层紫色
Br2＋2KI===2KBr＋I2
静置后，液体分层，上层无色，下层紫色
Cl2＋2KI===2KCl＋I2
原子结构示意图
最高正价
最低负价
元素类别
得电子能力
＋4
－4
非金属元素
较弱
硅及其化合物的化学式
化学性质预测
预测依据
Si
化学性质不活泼，但是在一定条件下能与氧气等发生化学反应，由于其性质的特殊性，可能还具有独特的性质
与碳元素同主族，与碳单质具有相似的化学性质
SiO2
具有酸性氧化物的通性，能与碱、碱性氧化物等发生反应，可能也具有一定的特性
与碳元素同主族，与CO2具有相似的化学性质
H2SiO3
具有酸的性质，能与碱反应，但酸性较弱，酸性弱于碳酸
同主族元素性质的相似性和递变规律
内容
同主族(自上而下)
原子结构
电子层数
增多
最外层电子数
相同
原子半径
逐渐增大
元素性质
原子得电子能力
减弱
原子失电子能力
增强
元素的金属性
增强
元素的非金属性
减弱
元素的主要化合价
最高正价数＝主族
序数(F无正价，O无最高正价)
单质和化合物
单质还原性与氧化性
还原性增强，氧化性减弱
非金属元素气态氢化物的形成及稳定性
形成由易到难，稳定性由强到弱
最高价氧化
物对应的水
化物酸碱性
酸性
减弱
碱性
增强
非金属气态氢化物的还原性
增强
离子氧化
还原能力
阳离子氧化性
减弱
阴离子还原性
增强
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
0
2
①
②
3
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
4
⑨
⑩
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
0
2
①N
②F
3
③Mg
④Al
⑤Si
⑥S
⑦Cl
⑧Ar
4
⑨K
⑩Br
一、ⅠA族(除H外)元素性质的递变规律探究
1．原子结构特点
(1)原子结构
(2)对比归纳
①相似性：最外层电子数都是1。
②递变性：随着核电荷数的增加，电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大。
2．单质及化合物性质的递变性
3．碱金属元素的性质与原子结构之间的关系
从Li→Cs，最外层电子数均为1，但随核电荷数的增加，电子层数逐渐增多→原子半径逐渐增大→原子核对最外层电子(1个)的引力逐渐减弱→元素原子的失电子能力逐渐增强→元素的金属性逐渐增强。
某兴趣小组在实验室中完成了如图所示的实验：
(1)请叙述上述实验现象的异同点。
(2)你从上述实验能得出什么样的结论？
提示：(1)相同点有：金属浮在水面上，熔成闪亮的小球，小球四处游动，发出“嘶嘶”的响声；反应后的溶液呈红色。不同点有：钾与水的反应有轻微爆炸声并着火燃烧。
(2)通过上述实验可以得出与水反应剧烈程度：K>Na；金属的活泼性：K>Na。
二、卤族元素性质的递变规律探究
1．卤族元素原子结构和性质的相似性
2．卤族元素性质的递变性
(1)卤族元素单质的物理性质及递变性
(2)卤素单质的结构及化学性质递变性
(3)探究卤族元素性质的相似性和递变性
结论：卤素单质的氧化性：Cl2>Br2>I2；
卤素离子的还原性：I－>Br－>Cl－。
3．卤族元素的性质与原子结构之间的关系
从F→I，随着核电荷数的增加，电子层数逐渐增多→原子半径逐渐增大→原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱→元素原子的得电子能力逐渐减弱→元素的非金属性逐渐减弱。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)同主族元素自上至下，碱金属和卤族元素单质的熔、沸点都逐渐增大。
( )
(2)同主族元素随核电荷数的增加，气态氢化物的稳定性逐渐增强。( )
(3)酸性：HF>HCl>HBr>HI。( )
[答案] (1)× (2)× (3)×
三、预测元素及其化合物的性质(以Si为例)
1．性质的预测
(1)硅元素的原子结构及性质分析
(2)性质预测
2．化学性质验证
(1)单质硅的化学性质
①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF、强碱(如NaOH)溶液反应。
Si＋2F2===SiF4；Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。
Si＋O2 eq \(=====,\s\up9(△))SiO2。
(2)SiO2的化学性质
①具有酸性氧化物的通性。
a.常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
b.高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：
SiO2＋CaO eq \(=====,\s\up9(高温))CaSiO3。
②弱氧化性：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up9(高温))Si(粗)＋2CO↑。
③特性：与氢氟酸(HF)反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
此反应常被用来刻蚀玻璃。
(3)H2SiO3的化学性质。
H2SiO3是一种弱酸，具有酸的性质，但是酸性比碳酸的弱。
验证：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑，故从彼名”。自佛经传入中国后，翻译人员考虑到“马脑”属玉石类，于是巧妙地译成“玛瑙”。
玛瑙的主要成分为二氧化硅，由于其与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色到暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸。
提示：二氧化硅不与水反应，故应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐，再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。
四、元素周期表的应用
1．元素周期表是研究化学的重要工具，可为研究物质结构、发现新元素、合成新物质、寻找新材料提供许多有价值的指导。
2．寻找新材料(连线)
人工合成氨是科学史上的里程碑之一。一百多年来，工业合成氨需要高温高压的苛刻条件，而自然界的生物固氮是在常温常压下进行的。因此高效的人工模拟生物固氮成为催化科学领域的圣杯。
若要研制新型的高效催化剂，应该在元素周期表的什么位置寻找合适的元素？
提示：在元素周期表中的过渡元素部分寻找合适的催化剂。
同主族元素及其物质性质的递变规律
元素在元素周期表中的位置，反映了元素的原子结构和元素的性质，如氮族元素是位于元素周期表ⅤA族的元素，在生活中有广泛应用，如用N2作防腐气体，液氮还可用作制冷剂，P可用于制造农药等。如图是元素周期表的一部分。
1．阴影部分中的元素N在元素周期表中的位置是什么？根据元素周期律，预测H3AsO4与H3PO4酸性强弱的关系是什么？
提示：元素N在元素周期表中的位置是第2周期ⅤA族。同一主族，元素的非金属性从上到下逐渐减弱，故酸性：H3PO4>H3AsO4。
2．元素硫的最高正价和最低负价的代数和是多少？在一定条件下，S与H2反应有一定难度，请判断：在相同条件下Se与H2反应的难度比S与H2反应的难度更大还是更小？
提示：S的最高正价为＋6，最低负价是－2，二者代数和是4，元素非金属性越强，与氢气化合越容易。同主族从上到下非金属性逐渐减弱，Se与H2化合难度更大。
同主族元素原子结构与性质的递变规律
【例题】 运用元素周期律分析，下列说法中错误的是 ( )
A．Ra是第7周期ⅡA族元素，Ra(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性强
B．As是第4周期ⅤA族元素，AsH3的还原性比NH3的还原性弱
C．Cs的原子半径比Na的原子半径大，Cs与水反应比Na与水反应更剧烈
D．Cl的核电荷数比Al的核电荷数大，Cl的原子半径比Al的原子半径小
B [同主族元素，自上而下，随原子序数的增大，元素的金属性增强，非金属性减弱，ⅡA族元素Mg和Ra，原子序数：Mg
[变式旁通] (1)A选项中Ra是第7周期ⅡA族元素，则第5周期ⅡA族元素对应的最高价氧化物对应的水化物是________。
(2)B选项中的As是第4周期ⅤA族元素，则H3AsO4的酸性比HNO3的________(填“强”或者“弱”)。
提示：(1)Sr(OH)2。第5周期ⅡA族元素为Sr，最高化合价为＋2价，最高价氧化物对应的水化物是Sr(OH)2。
(2)弱。As与N都属于ⅤA族元素，同主族元素非金属性从上到下逐渐减弱，即As
1．下列关于物质性质变化的比较，不正确的是( )
A．稳定性强弱：HF>HCl>HBr>HI
B．原子半径大小：Na>S>O
C．碱性强弱：KOH>NaOH>LiOH
D．还原性强弱：F－>Cl－>I－
D [非金属性强弱：F＞Cl＞I，对应阴离子的还原性依次增强。]
2．砷为第4周期ⅤA族元素，根据它在元素周期表中的位置推测，砷不可能具有的性质是 ( )
A．AsH3比NH3稳定性强
B．可以存在－3、＋3、＋5等多种化合价
C．As2O5对应水化物的酸性比H3PO4弱
D．砷的非金属性比磷弱
A [N、P、As均为ⅤA族元素，分别位于第2、3、4周期，根据元素周期律判断，As比N、P非金属性弱，NH3比AsH3稳定性强，H3AsO4(As2O5的对应水化物)的酸性比H3PO4弱。As与N、P同在ⅤA族，N和P都有－3、＋3、＋5的化合价，则As也有－3、＋3、＋5的化合价。]
碱金属元素、卤素单质的相似性和递变性
1．ⅠA族中的元素都是碱金属元素吗？
提示：不是。ⅠA族中除氢元素外的其余元素都是金属元素，俗称碱金属元素。
2．碱金属元素在空气中燃烧都生成过氧化物吗？
提示：不是。碱金属元素随着原子序数的递增，金属活泼性逐渐增强，在空气中燃烧的产物也越来越复杂。锂生成氧化锂，钠生成过氧化钠，钾、铷、铯等生成更复杂的氧化物。
3．钾的金属性比钠强，钾可以将钠从NaCl溶液中置换出来吗？
提示：不能。因为Na、K的金属性很强，Na＋、K＋的氧化性比H＋的弱，所以将钾放入NaCl溶液中，K置换水中＋1价的氢原子，而不置换出钠。
4．卤素单质与水反应都能生成氢卤酸和次卤酸吗？
提示：不是。氯、溴、碘的单质与水反应生成相应的氢卤酸和次卤酸，而氟气与水反应生成氢氟酸和氧气，化学方程式为2F2＋2H2O===4HF＋O2。
1．碱金属性质的递变规律
(1)随着原子序数的递增，碱金属元素的原子失电子能力逐渐增强，金属性逐渐增强，它们与水反应越来越容易，与O2反应的产物越来越复杂。
(2)碱金属都具有还原性，并且从Li到Cs逐渐增强。
2．卤素单质性质的相似性
(1)与H2反应：X2＋H2===2HX(一定条件)。
(2)与活泼金属(如Na)反应：2Na＋X2 eq \(=====,\s\up9(点燃))2NaX
(3)与H2O反应：
①H2O＋X2===HX＋HXO(X＝Cl、Br、I)
②2H2O＋2F2===4HF＋O2
3．卤素单质性质的递变性
(1)氧化性与还原性。
随着原子序数的递增：卤素单质的氧化性逐渐减弱，卤素阴离子的还原性逐渐增强。
(2)与H2反应的难易及氢化物的稳定性。
随着原子序数的递增：①与H2反应越来越难，生成的氢化物的稳定性越来越差，氢化物的还原性越来越强。
②氢化物都易溶于水，其水溶液的酸性依次增强。
(3)卤素单质与变价金属(如铁)反应时，F2、Cl2、Br2生成高价卤化物如FeX3，而I2只能生成低价卤化物如FeI2。
4．卤素单质的特殊性
(1)F2能与水反应，因此，F2不能从溶液中置换出其他卤素单质。
(2)通常情况下，氟没有正价，所以氟没有含氧酸。
(3)溶解性：通常情况下，除F2外，卤素单质在水中的溶解度都不大，但是均易溶于有机溶剂。
(4)卤素单质都有毒，液溴易挥发，保存时常用水密封。
1．下列与碱金属元素有关的比较中不正确的是( )
A．锂与水反应不如钠与水反应剧烈
B．还原性：K>Na，故K可以从NaCl溶液中置换出金属钠
C．熔、沸点：Li>Na>K
D．碱性：LiOH
2．下列关于ⅦA族元素的说法中不符合递变规律的是( )
A．F2、Cl2、Br2、I2的氧化性逐渐减弱
B．F－、Cl－、Br－、I－的还原性逐渐增强
C．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱
D．HF、HCl、HBr、HI水溶液的酸性逐渐减弱
D [从F到I原子半径逐渐增大。单质的氧化性逐渐减弱，则其对应阴离子的还原性逐渐增强，故A、B两项均正确；从F到I，其气态氢化物的热稳定性逐渐减弱，C项正确；F－半径较小，与氢结合稳定，HF在水中难以电离出H＋，为弱酸，故酸性强弱关系为HF
A．X原子的电子层数比Y原子的电子层数多
B．X的氢化物的酸性比Y的氢化物酸性强
C．X的气态氢化物比Y的气态氢化物稳定
D．Y的单质能将X从NaX的溶液中置换出来
C [A选项中X原子电子层数多于Y，因此在同族中X在Y的下方，根据同主族元素由上向下，非金属性减弱可知，X的非金属性比Y弱，故A错误；B中的氢化物都不是最高价氧化物对应水化物，不能通过比较它们酸性强弱来判断非金属性强弱；C项比较的是氢化物的稳定性，X的氢化物稳定，说明其非金属性强，举例：稳定性HF>HCl>HBr>HI；D中Y单质能够将X从其盐溶液中置换出来，说明Y非金属性强于X，与题干相反。]
硅及其化合物的特性
1．“硅酸可以由硅酸钠与盐酸、硫酸等反应制得”则将少量CO2通入Na2SiO3溶液会发生反应吗？为什么？
提示：会发生反应生成硅酸，反应的化学方程式为H2O＋CO2＋Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓，因为C和Si同主族，而C的非金属性比Si强，因此硅酸的酸性比碳酸的还弱，上述反应符合强酸制弱酸的原理。
2．根据反应SiO2＋Na2CO3 eq \(=====,\s\up9(高温))CO2↑＋Na2SiO3，能判断硅酸的酸性比碳酸强吗？为什么？
提示：不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的，不是在水溶液环境中进行的。反应能发生是因为产物CO2是气体能脱离反应体系，使反应正向进行。
硅及其化合物的特性
1．硅的特性
(1)一般情况下，非金属单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅熔、沸点高，硬度大；非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力。
(2)非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si却能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(3)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up9(高温))Si＋2CO↑。
(4)非金属单质跟碱液的反应一般非金属单质既作氧化剂又作还原剂，且无H2放出，但Si与碱液(如NaOH溶液)反应只作还原剂，且放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
2．硅的化合物的特性
(1)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。
(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的却很高。
(3)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(4)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下Na2CO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up9(高温))Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因是CO2是低沸点、易挥发的气体，SiO2是高沸点、难挥发的固体。
(5)无机酸一般易溶于水，但H2SiO3却难溶于水。且易分解：H2SiO3 eq \(=====,\s\up9(△))SiO2＋H2O↑。
1．下列有关说法中正确的是( )
A．硅是非金属元素，与任何酸都不发生反应
B．SiO2溶于水生成硅酸，其水溶液显酸性
C．硅的性质很稳定，但在自然界中不存在游离态
D．二氧化硅是酸性氧化物，可以与碱反应，但是不能与酸反应
C [Si可与HF反应，A错，SiO2不溶于水，B错，SiO2也可与HF反应，D错。]
2．下列说法正确的是 ( )
A．SiO2既可以和NaOH溶液反应，也可以和HF溶液反应，所以SiO2是两性氧化物
B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶
C．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池
D．陶瓷的烧制不涉及化学变化
B [SiO2是酸性氧化物，与NaOH反应生成盐和水，而与HF反应的生成物中没有盐，故A错误；向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸反应生成硅酸，硅酸是白色胶状物，故B正确；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，石英是二氧化硅，不导电，故C错误；烧制陶瓷的过程中有新物质生成，涉及化学变化，故D错误。]
1．钾和钠的性质相似，下列说法中能较好地解释这个事实的是( )
A．最外层电子数相同 B．都是金属元素
C．原子半径相差不大 D．最高化合价相同
A [A项，钠和钾都位于元素周期表ⅠA族，原子最外层电子数相同，性质相似，正确；B项，金属元素有很多种，但性质不完全相似，错误；C项，同主族元素的原子半径相差较大，但性质相似，错误；D项，最高化合价相同的元素性质不一定相同，如Mg、Cu的最高化合价都为＋2价，但性质不同，错误。]
2．碱性位于KOH和Mg(OH)2之间的氢氧化物是 ( )
A．RbOH B．Al(OH)3
C．LiOH D．NaOH
D [根据元素周期律，Na的失电子能力介于K与Mg之间，所以NaOH的碱性位于KOH与Mg(OH)2之间。]
3．某主族元素原子的O层上只有1个电子，下列描述正确的是( )
A．其单质在常温下跟水反应不如钠剧烈
B．其原子半径比钾原子半径小
C．其碳酸盐易溶于水
D．其氢氧化物不能使氢氧化铝溶解
C [由题意可知该元素在元素周期表的第5周期ⅠA族，是Rb，据同主族元素的递变性，Rb比Na活泼，与水反应更剧烈，A错；同主族元素自上而下原子半径逐渐增大，Rb的半径比K大，B错；因Na2CO3、K2CO3易溶于水，则Rb2CO3易溶于水，C正确；RbOH碱性比NaOH强，RbOH能使Al(OH)3溶解，D错误。]
4．元素周期表中某区域的一些元素多用于制造半导体材料，它们是( )
A．左下方区域的金属元素
B．金属元素和非金属元素分界线附近的元素
C．右上方区域的非金属元素
D．稀有气体元素
B [半导体材料Si、Ge位于金属元素和非金属元素分界线附近。]
5．下表为元素周期表的一部分，请回答有关问题：
(1)⑤和⑧的元素符号分别是________和________。
(2)表中最活泼的金属是________(填写元素符号，下同)，非金属性最强的元素是________。
(3)表中能形成两性氢氧化物的元素是________，分别写出该元素的氢氧化物与⑥和⑨的最高价氧化物对应水化物反应的化学方程式：
________________________________________________________________
________________________________________________________________，
________________________________________________________________。
(4)请设计一个实验，比较⑦与⑩的单质氧化性的强弱：
________________________________________________________________
________________________________________________________________。
[解析] 根据元素周期表中元素的位置可以确定各种元素，如表所示：
[答案] (1)Si Ar (2)K F
(3)Al 2Al(OH)3＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋6H2O
Al(OH)3＋KOH===K[Al(OH)4]
(4)取无色溴化钠的水溶液少许，向其中加入新制氯水，溶液变橙红色
学 习 任 务
1．以ⅠA族和ⅦA族为例，掌握同一主族内元素性质递变规律与原子结构的关系，培养“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。
2．从“宏观辨识与微观探析”的视角学习金属、非金属在元素周期表中的位置及其性质的递变规律。
3．能设计实验探究同主族元素的非金属性、金属性强弱，培养“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。
结构及性质
规律
原子半径
eq \(――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(原子半径增大))
单质的还原性
eq \(――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(单质还原性增强))
与水、氧气反应
的剧烈程度
eq \(―――――――――――――→,\s\up9(Li Na K Rb Cs),\s\d10(与H2O、O2反应越来越剧烈))
最高价氧化物对应
水化物的碱性
eq \(――――――――――――――――――→,\s\up9(LiOH NaOH KOH RbOH CsOH),\s\d10(碱性逐渐增强))
元素(名
称与符号)
氟(F)
氯(Cl)
溴(Br)
碘(I)
原子结构示意图
最外层电子数
都为7
最高正价
无
＋7价
最低负价
都为－1价
自然界中存在形态
全部以化合态形式存在
最高价含氧酸
无
HClO4
HBrO4
HIO4
气态氢化物
HF
HCl
HBr
HI
单质
物理性质
F2
Cl2
Br2
I2
颜色
浅黄绿色
黄绿色
深红棕色
紫黑色
状态
气体
气体
液体
固体
密度
逐渐增大
熔、沸点
逐渐升高
结构及化学性质
规律
原子半径
eq \(――――――――――→,\s\up9(F Cl Br I),\s\d10(原子半径逐渐增大))
单质的氧化性
eq \(――――――――――→,\s\up9(F2 Cl2 Br2 I2),\s\d10(氧化性逐渐减弱))
阴离子的还原性
eq \(――――――――――→,\s\up9(F－ Cl－ Br－ I－),\s\d10(还原性逐渐增强))
与H2化合的
难易程度
eq \(――――――――――→,\s\up9(F2 Cl2 Br2 I2),\s\d10(与H2化合越来越难))
氢化物的稳定性
eq \(――――――――――→,\s\up9(HF HCl HBr HI),\s\d10(稳定性逐渐减弱))
最高价氧化物对
应水化物的酸性
eq \(――――――――――→,\s\up9(HClO4 HBrO4 HIO4),\s\d10(酸性逐渐减弱))
实验操作
实验现象
化学方程式
静置后，液体分层，上层无色，下层橙色
Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2
静置后，液体分层，上层无色，下层紫色
Br2＋2KI===2KBr＋I2
静置后，液体分层，上层无色，下层紫色
Cl2＋2KI===2KCl＋I2
原子结构示意图
最高正价
最低负价
元素类别
得电子能力
＋4
－4
非金属元素
较弱
硅及其化合物的化学式
化学性质预测
预测依据
Si
化学性质不活泼，但是在一定条件下能与氧气等发生化学反应，由于其性质的特殊性，可能还具有独特的性质
与碳元素同主族，与碳单质具有相似的化学性质
SiO2
具有酸性氧化物的通性，能与碱、碱性氧化物等发生反应，可能也具有一定的特性
与碳元素同主族，与CO2具有相似的化学性质
H2SiO3
具有酸的性质，能与碱反应，但酸性较弱，酸性弱于碳酸
同主族元素性质的相似性和递变规律
内容
同主族(自上而下)
原子结构
电子层数
增多
最外层电子数
相同
原子半径
逐渐增大
元素性质
原子得电子能力
减弱
原子失电子能力
增强
元素的金属性
增强
元素的非金属性
减弱
元素的主要化合价
最高正价数＝主族
序数(F无正价，O无最高正价)
单质和化合物
单质还原性与氧化性
还原性增强，氧化性减弱
非金属元素气态氢化物的形成及稳定性
形成由易到难，稳定性由强到弱
最高价氧化
物对应的水
化物酸碱性
酸性
减弱
碱性
增强
非金属气态氢化物的还原性
增强
离子氧化
还原能力
阳离子氧化性
减弱
阴离子还原性
增强
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
0
2
①
②
3
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
4
⑨
⑩
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA
0
2
①N
②F
3
③Mg
④Al
⑤Si
⑥S
⑦Cl
⑧Ar
4
⑨K
⑩Br
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