高中化学鲁科版 (2019)必修 第二册第1节 原子结构与元素性质第1课时导学案

第1章 原子结构  元素周期律

第1节　原子结构与元素性质

第1课时　原子结构——原子核　核素

一、原子构成

1．原子及其构成微粒

2．质量数

二、元素、核素和同位素

1．概念辨析

2．氢元素的三种核素

3.同位素的分类

(1)同位素分为稳定同位素和放射性同位素。

(2)放射性同位素的应用：

同位素示踪(如P)和用作放射源。

具有相同数目质子和相同数目中子的一种原子叫做核素。质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素。

1．判断下列说法是否正确：

(1)原子核中质子带正电、中子不带电，核外电子带负电，原子不显电性。(　√　)

提示：每个质子带一个单位正电荷，每个核外电子带一个单位负电荷，中子不带电，原子中质子数等于核外电子数，故整个原子不显电性。

(2)所有原子均有质子、中子和电子。(　×　)

提示：H没有中子。

(3)某种硫原子的中子数是18，则其质量数是34。(　√　)

提示：根据质量数＝质子数＋中子数可得。

(4)质量数就是相对原子质量。(　×　)

提示：质量数是质子数和中子数的近似整数值。

2．教材交流·研讨中提及：原子的相对质量在数值上与原子核内的质子数和中子数有什么关系？

提示：电子的质量很小，可以忽略不计，原子核的质量主要集中在原子核上，所以原子核的质量可以看作原子核中质子的质量和中子质量之和。

3．生物体在生命存活期间保留的一种碳原子——碳­14(C)会在其死亡后衰变，测量考古遗址中发现的遗物里碳­14的数量，可以推断出它的存在年代。

你知道碳­14的“14”是什么含义吗？这种碳原子的质子数、中子数、核外电子数分别是多少？

提示：碳­14的“14”是指这种碳原子的质量数为14，此碳原子的质子数为6、中子数为8、核外电子数为6。

原子结构及原子各微粒之间的关系

材料一：14C能够测得出土文物所处年代，14C的衰变极有规律，其精确性被称为自然界的“标准时钟”，我国曾用14C法测定许多出土文物的年代，如测定湖南长沙马王堆女尸死亡的年代，结果与古籍资料记载的相符。

材料二：锎­252，核素符号252Cf，半衰期为2.645a，可用于制作小型中子源、医用、辐射育种、活化分析、湿度测量和科学研究等不同领域。1 mg锎(Cf)每秒钟约能放出2.34×109个中子，在医学上常用作治疗恶性肿瘤的中子源。

识别原子结构

(1)请分析14C和14N的原子结构异同点。

提示：质量数相同，质子数和中子数都不同。

(2)锎原子(Cf)质子数、中子数和质量数分别是多少？

提示：98　154　252

掌握原子结构

(1)已知钠原子的质子数是11，质量数为23，则其中子数是多少？

提示：中子数为23－11＝12。

(2)已知R原子中有b个中子，R2＋核外有a个电子。则R原子的质量数是多少？

提示：a＋b＋2。R2＋核外有a个电子，则R原子的质子数为a＋2，质量数为a＋b＋2。

1．构成原子微粒的应用

(1)质子数决定元素的种类。

(2)质子数和中子数决定原子的质量。

(3)原子的最外层电子数决定元素的化学性质。

2．构成原子或离子的微粒间的三种关系

(1)质量关系：质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)。

(2)等量关系：核电荷数＝质子数，对原子而言，核电荷数＝质子数＝核外电子数。

(3)大小关系

3.元素符号周围数字的含义

【典例】(2021•平顶山高一检测)1940年科学家用α粒子轰击Bi时发现了元素At，其反应为Bi＋HeAt＋2n，则At的中子数为(　　)

A．126　　　B．85　　　C．127　　　D．211

解析:选A。用α粒子轰击Bi时发现了元素At，其反应为Bi＋HeAt＋2n，依据质量守恒、电荷守恒规律可知：A＝209＋4－1×2＝211，Z＝83＋2＝85，则At的中子数为211－85＝126。

(1)写出质量数是218，质子数是85的一种砹(At)原子。(关键能力——理解与辨析)

提示：At

(2)上述题目中推断砹(At)原子的质子数和质量数时运用了哪种定律？(关键能力——分析与推测)

提示：用到了质量数和质子数的质量守恒定律。

1．(2021•如皋高一检测)Se广泛应用于机械的无损检测。下列关于Se的说法正确的是(　　)

A．质子数是75    B．中子数是34

C．电子数是34    D．质量数是109

解析:选C。Se的质子数是34，故A错误；Se的中子数是75－34＝41，故B错误；原子中电子数等于质子数，Se的电子数是34，故C正确；Se质量数是75，故D错误。

2．医学界通过用放射性14C标记的C60，发现C60的羧酸衍生物在特定条件下可断裂DNA杀死细胞，抑制艾滋病。关于14C的下列说法中正确的是(　　)

A．14C原子与C60中普通碳原子的化学性质不同

B．14C原子与14N原子所含中子数相同

C．14C是C60的同素异形体

D．14C与12C、13C的质子数相同，化学性质相近

解析:选D。互为同位素的原子化学性质相同，故A错误、D正确；14C原子中的中子数为8，14N原子中的中子数为7，故B错误；14C为核素，C60的同素异形体应为单质，故C错误。

补偿训练:

据报道，放射性同位素钬Ho可有效治疗肝癌。该同位素原子核内的中子数与核外电子数之差是(　　)

A．32        B．67         C．99         D．166

解析:选A。Ho的核外电子数为67，中子数为166－67＝99，中子数与核外电子数之差为99－67＝32。

碘­131是元素碘的一种放射性同位素，为人工放射性核素(核裂变产物)，符号为131I，半衰期为8.3天。正常情况下自然界是不会存在的。在核医学中，碘­131除了以NaI溶液的形式直接用于甲状腺功能检查和甲状腺疾病治疗外，还可用来标记许多化合物，供体内或体外诊断疾病用。如碘­131标记的玫瑰红钠盐和马尿酸钠就是常用的肝、胆和肾等的扫描显像剂。

根据以上材料，回答下列问题：

(1)碘­131原子的质量数、质子数、中子数各是多少？

(2)碘­129(129I)主要来源于宇生放射性核素，它的核内中子数与质子数的差值是多少？

(3)131I和127I为碘元素的两种不同原子，这两种原子的中子数差值是多少？

解析:(1)碘­131原子的质量数为131，由于碘元素是53号元素，故质子数为53，中子数为131－53＝78。

(2)129I中子数为129－53＝76，则中子数和质子数的差值为76－53＝23。

(3)131I和127I为碘元素的两种核素，质子数相同，因此这两种核素的中子数差值就为两核素的质量数之差：131－127＝4。

答案：(1)质量数为131，质子数为53，中子数为78。

(2)23　(3)4

元素、核素及同素异形体

材料一：重氢D 2是制造氢弹的原料(我国1967年6月17日成功爆炸第一颗氢弹)，1g D2全部聚合为氦时可释放10万千瓦小时的能量，且核聚变产生的污染小，不会造成放射性垃圾。海水中约含35亿吨D2，按目前能源消耗的水平，其能量足够全世界人用上200亿年，因此称为“未来的燃料”。

材料二：科学家选用放射性同位素，用特殊的方法照射不同部位的肿瘤。如I可以治疗患甲状腺肿瘤的病人。由于甲状腺中富含碘，因而放射性的I集中在甲状腺中，其放射出的射线可杀死腺体中的病变细胞，而不影响人体的其他组织。

探究不同核素的性质异同

(1)你知道H与D的关系吗？

提示：互为同位素。

(2)你能写出钠和重水反应的化学方程式吗？

提示：2Na＋2D2O===2NaOD＋D2↑。

(3)氢的三种原子的原子结构可用图示形象地表示：

其中“●”表示质子或电子，“○”表示中子，则①②③分别代表什么？它们的关系如何？

提示：H、D、T，互为同位素。

探究放射性同位素的用途

(1)你知道I与I的物理性质和化学性质有哪些异同吗？

提示：I与I的核外电子数和电子排布都相同，只是中子数和质量数不同，故物理性质不同，但化学性质相同。

(2)放射性同位素都是对人类有害的吗？举例说明。

提示：放射性同位素不都是对人类有害的。利用放射性同位素给金属制品探伤、抑制马铃薯和洋葱等发芽，延长贮存保鲜期。在医疗方面，放射性同位素可用于疾病的诊断、治疗等(只要合理的均可以)。

核素、同位素、同素异形体的比较

思考讨论:

(1)(情境应用)2020年全球新型冠状病毒肆虐，新型冠状病毒肺炎治疗方案之一是对低氧血症的患者进行有效氧疗(即吸氧治疗)。请思考：O2与O2是同位素吗？它们的物理性质和化学性质是否相同？ O与O之间的转化是化学变化吗？

提示：O2与O2不是同位素，同位素是对原子而言的，两种分子不是同位素；O2与O2的化学性质相同，物理性质不同，因为O与O的化学性质由原子的最外层电子数决定，而物理性质与核素的质量数有关；原子是化学变化中的最小微粒，原子核发生变化，则原子种类发生变化，故O与O之间的转化不属于化学变化。

(2)氧的同位素在地理学中被用作年代确定的参考，常用于冰川的断代。氧的同位素在地球科学中广泛用于确定成岩成矿物质来源及成岩成矿温度。在生物学和医学上有广泛应用前景。自然界中氧以16O、17O、18O三种同位素的形式存在。

上图中有几种元素？几种核素？这些核素之间属于何种关系？

提示：上图中有1种元素，3种核素，这3种核素是同一种元素的不同核素，互称同位素。

【典例】2020年1月19日17时55分，“玉兔二号”受光照成功自主唤醒，进入第十四月昼。3月1日20时6分，“玉兔二号”月球车顺利完成第十五月昼的科学探测工作，进入月夜休眠。月球车一般用Pu作为热源材料。

下列关于94Pu的说法正确的是(　　)

A．94Pu与92U互为同位素

B．94Pu与94Pu互为同素异形体

C．94Pu与92U具有完全相同的化学性质

D．94Pu与94Pu具有相同的最外层电子数

【思维建模】解答本类试题思维流程如下：

解析:选D。A项，94Pu与92U的质子数不同，不能互称为同位素，A项错误；94Pu与94Pu互为同位素，B项错误；94Pu与92U不属于同种元素，化学性质不同，C项错误；94Pu与94Pu为同种元素，核外电子排布相同，最外层电子数相同，D项正确。

(1)94Pu原子中中子数为多少？(关键能力——理解与辨析)

提示：144。中子数＝质量数－质子数＝238－94＝144。

(2)94Pu与94Pu的化学性质是否相同？(关键能力——分析与推测)

提示：相同，由于它们的核外电子排布相同，最外层电子数相同，因此化学性质相同。

1．(2021•东营高一检测)镆(Mc)是一种人工合成的放射性金属元素。关于Mc、Mc的描述正确的是(　　)

A．属于同种原子　　　　 B．属于同种元素

C．中子数相同       D．属于同素异形体

解析:选B。Mc、Mc所含有的中子数不同，不是同种原子，故A错误；Mc、Mc的质子数都是115，属于同一种元素，故B正确；Mc、Mc所含有的中子数不同，故C错误；Mc、Mc不是同素异形体，故D错误。

2．(双选)金属钛有“生物金属”之称。下列有关Ti和Ti的说法正确的是(　　)

A．Ti和Ti原子中均含有22个中子

B．Ti和Ti在周期表中位置相同

C．Ti和Ti的物理性质不同

D．Ti和Ti为同一核素

解析:选B、C。中子数＝质量数－质子数，则Ti原子中的中子数为48－22＝26，Ti原子中的中子数为50－22＝28，A错误；Ti和Ti的质子数相同，所以是同一种元素，在周期表中的位置相同，B正确；Ti和Ti互为同位素，同位素的物理性质不同，化学性质相同，C正确；核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子，由于Ti和Ti各有一定数目的质子和中子，因此是两种不同的核素，D错误。

补偿训练:

下列各组中属于同位素关系的是(　　)

A．金刚石与石墨　　　　　 B．T2O与H2O

C．40K与39K        D．16O与16O2－

解析:选C。A中金刚石与石墨是由碳元素形成的不同单质，属于同素异形体；B中T2O与H2O是化合物；D中16O2－是离子，16O与16O2－的关系为同一种元素形成的不同的微粒。

北京王府井古人类文化遗址博物馆向世人展示“北京人”狩猎、烧火、制造工具的遗迹。博物馆300多平方米的展厅里，陈列着原址发掘出土的石砧、石锤、石片，还有原始牛、斑鹿、鸵鸟、鱼类等古生物的骨骼及古人类制成的骨铲、骨片等工具。再现25 000年前斑鹿跳跃、鸵鸟欢腾、望山听水、野猪生息景象。

(1)“25 000年”是怎样测出来的呢？

提示：“25 000年”是通过测定遗迹里的一种碳原子——碳­14(14C)原子的数量来推断出的。

(2)碳­14原子和作为相对原子质量标准的碳­12原子(12C)在原子结构上有什么异同？

提示：14C原子与12C原子具有相同的质子数，不同的中子数。

课堂测评

1．(水平1)BaSO4在医疗上称作钡餐。下列关于Ba的说法正确的是(　　)

A．中子数是56　　　　　　 B．核外电子数是81

C．质量数是137       D．相对分子质量是137

解析:选C。Ba的质子数为56，质量数为137，中子数＝质量数－质子数＝137－56＝81，故A错误；核外电子数＝质子数＝56，故B错误；Ba的质子数为56，质量数为137，故C正确；相对原子质量的近似整数值是137，故D错误。

2．(水平1)已知R2＋核外有a个电子，b个中子。表示R原子符号正确的是(　　)

A．baR      B．R

C．R     D．R

解析:选D。R2＋是原子失去2个电子形成的，原子核外有a＋2个电子，核内有b个中子，a＋2个质子，表示R原子符号正确的是R。

3．(水平1)碘有多种放射性同位素，如碘­125、碘­129和碘­131等，下列说法中正确的是(　　)

A．I和I的质子数相同，互称为同位素

B．I和I的中子数相同，互称为同位素

C．I和I的核外电子数相同，是同一种核素

D．I、I和I的质量数不同，不能互称为同位素

解析:选A。I、I和I的质子数均为53，但中子数不等(分别为72、76、78)，为碘元素的三种不同核素，它们之间互称为同位素。

4．(水平2)核内中子数为N的R2＋，质量数为A，则n g它的氧化物中所含质子的物质的量是(　　)

A．(A－N＋8) mol　　　 B．(A－N＋10) mol

C．(A－N＋2) mol        D．(A－N＋6) mol

解析:选A。由题意可知，它的氧化物可表示为RO，1个R原子的质子数为A－N，所以1个“RO”所含质子数为A－N＋8，则n g RO中所含质子的物质的量为(A－N＋8) mol。

5．(水平2)某元素一种同位素原子的质子数为m，中子数为n，则下列叙述正确的是(　　)

A．不能由此确定元素的相对原子质量

B．该元素的相对原子质量为m＋n

C．若12C原子的质量为W g，则该原子的质量为(m＋n)W g

D．核内中子的总质量小于质子的总质量

解析:选A。由核素的相对原子质量、元素的相对原子质量的含义及求法、原子核的组成及各粒子间的关系可解本题。元素的相对原子质量等于其各种天然存在的同位素的相对原子质量与它们所占的原子个数百分比的乘积之和。由于所给元素的其他同位素不能确定，所以该元素的相对原子质量就不能确定，因此，A项正确，B项错误。核素的相对原子质量等于该原子的质量与12C原子质量的的比值，即Ar＝，若该原子的相对原子质量用质量数(m＋n)代替进行近似计算，那么该原子的质量应为(m＋n)W g，C项错误。因m与n的大小关系不确定，故无法比较核内中子总质量与质子总质量的大小，D项错误。

6．(水平2)14C是一种放射性同位素，在高层大气中由宇宙射线产生的中子或核爆炸产生的中子轰击14N可使它转变为14C，14N＋n―→14C＋H。下列说法正确的是(　　)

A．14C和14N互为同位素

B．14C和C60互为同素异形体

C．人体内，由于新陈代谢作用也存在14C

D．当14 g核素14N完全被轰击时，吸收中子(n)的质量约为6.02×1023 g

解析:选C。A项，14C和14N是不同元素的核素，它们不互为同位素。B项，14C是一种核素，C60是一种单质，14C和C60不互为同素异形体。C项，由大气、植物、动物和人体相互之间有碳元素的循环可知，人体内由于新陈代谢作用也存在14C。D项，在14N＋n―→14C＋H中，当14 g核素14N完全被轰击时，吸收中子约1 mol，1 mol中子的质量约为1 g。

7．科学家们发现氢元素有三种同位素。

(1)分别写出它们的名称：__________、________、__________。写出用作制造氢弹原料的同位素：__________。

(2)已知氯有2种常见同位素35Cl、37Cl，氯气与氢气形成的氯化氢分子的相对分子质量有__________种。

(3)质量相同的HO和DO所含质子数之比为__________，中子数之比为__________。

解析:(1)氢元素的三种同位素的名称分别为氕、氘、氚。H和H都可用作制造氢弹。

(2)氯化氢有H35Cl、H37Cl、D35Cl、D37Cl、T35Cl、T37Cl，但H37Cl与T35Cl的相对分子质量相同，所以相对分子质量有5种。

(3)设质量都为1 g，HO与DO的质子数之比为∶＝10∶9，中子数之比为(×8)∶(×10)＝8∶9。

答案：(1)氕　氘　氚　H、H(或D、T)　(2)5

(3)10∶9　8∶9

补偿训练:

(1)日本大地震和海啸造成核电站爆炸，发生核泄漏，使碘­131、铯­137等放射性核素扩散到空气和海洋中。碘­131的原子核中，中子数与质子数之差为__________。

(2)下列原子：C、N、H、Na、C、U、K、I、U中共有__________种元素，__________种核素。

(3)在H3O＋中，质子数、中子数、电子数之比为__________；在NH3D＋中，质子数、中子数、电子数之比为__________。

解析:(1)碘­131原子核中有131－53＝78个中子，中子数与质子数之差为78－53＝25。(2)有C、N、H、Na、U、K、I7种元素。(3)1个H3O＋中有11个质子，8个中子，10个电子；1个NH3D＋中有11个质子，8个中子、10个电子。

答案：(1)25　(2)7　9　(3)11∶8∶10　11∶8∶10