原子结构与元素性质 · 考点 · 「元素周期律与元素推断」

考点一 元素周期表结构与元素周期律

• 随周期的↘，主族的↗而↗的性质（从左下 至右上）：

  1. 非金属性

  2. 单质的氧化性（简单阴离子的还原性降低）

  3. 最高价氧化物对应的水化物的酸性（ $\mathrm{F}$ 无含氧酸）

  4. 简单气态氢化物稳定性（单质与 $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$ 反应难度减弱）

  5. 第一电离能（存在例外）

  6. 电负性

  7. 金属单质熔沸点

• 随周期的↗，主族的↘而↗的性质（从右上 至左下）：

  1. 金属性

  2. 单质的还原性（简单阳离子的氧化性降低）

  3. 最高价氧化物对应的水化物的碱性

  4. 与 $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$、酸反应的剧烈程度

  5. 氢化物还原性（非金属性越强，单质的氧化性越强，离子或化合物的还原性越弱）

• 金属氢化物稳定性: 向左上方向增大（同周期左侧金属性强，但同主族向下时原子半径大，键长长，键能小，分子稳定性低，因此左上方稳定）

  $\mathrm{NaH}>\mathrm{MgH}{\phantom{A}}_2>\mathrm{AlH}{\phantom{A}}_3$，$\mathrm{LiH}>\mathrm{NaH}>\mathrm{KH}$。

• 非金属氢化物稳定性: 向右上方向增大（右上方原子半径小，键长短，键能大，分子稳定性高）

  $\mathrm{HF}>\mathrm{HCl}>\mathrm{HBr}>\mathrm{HI}$，$\mathrm{HF}>\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}>\mathrm{NH}{\phantom{A}}_3>\mathrm{CH}{\phantom{A}}_4$

• 氢化物的熔沸点

  同为 分子晶体 的氢化物的熔沸点与 氢键 及 范德华力 有关，在有氢键的情况下，熔沸点较高，且数量越多，熔沸点越高；否则，相对分子质量越大，熔沸点越高

  对于 离子晶体 的氢化物的沸点则一定大于分子晶体

• 原子半径的比较方法

  1. 同周期主族元素，从左到右，原子半径依次滅小

  2. 同主族元素，从上到下，原子半径依次增大

• 离子半径的比较方法

  1. 核外电子排布不同，电子层数多的半径大

  2. 核外电子排布相同，序大径小

考点二 元素推断

前提知识：短周期主族元素与其形成的共价键数目

共价键数目	元素	说明
一个共价键	$\mathrm{H}、\mathrm{F}、\mathrm{Cl}$	$\mathrm{H}$ 最外层有 1 个电子，差 1 个电子满足稀有气体 $\mathrm{He}$ 的 2 电子稳定结构 $\mathrm{F}$、$\mathrm{Cl}$ 最外层有 7 个电子，差 1 个电子满足 8 电子稳定结构 $\mathrm{H}$、$\mathrm{F}$、$\mathrm{C}$ 都是差 1 电子满足稳定结构，所以在化合物中形成 1 个共价键
二个共价键	$\mathrm{O}、\mathrm{S}$	$\mathrm{O}$、$\mathrm{S}$ 最外层有 6 个电子，都是差 2 个电子满足 8 电子稳定结构，所以在化合价中形成 2 个共价键
三个共价键	$\mathrm{B}、\mathrm{N}、\mathrm{P}$	$\mathrm{B}$ 最外层有 3 个电子，可以形成 3 个共价键 $\mathrm{N}$、$\mathrm{P}$ 最外层有 5 个电子，都是差 3 个电子满足 8 电子稳定结构，所以在化合物中形成 3 个共价键
四个共价键	$\mathrm{C}、\mathrm{Si}$	$\mathrm{C}$、$\mathrm{Si}$ 最外层有 4 个电子，都是差 4 个电子满足 8 电子稳定结构，所以在化合物中形成 4 个共价键
得一个电子后，再形成四个共价键	$\mathrm{B}、\mathrm{Al}$	$\mathrm{B}$、$\mathrm{Al}$ 最外层有 3 个电子，在复杂阴离子中，若多得 1 个电子，最外层有 4 个电子后，再差 4 个电子满足 8 电子稳定结构，所以在化合物中形成 4 个共价键
失去一个电子后，再形成四个共价键	$\mathrm{N}、\mathrm{P}$	$\mathrm{N}$、$\mathrm{P}$ 最外层有 5 个电子，在复杂阳离子中，若失去一个电子，最外层有 4 个电子后，再差 4 个电子满足 8 电子稳定结构，所以在化合物中形成 4 个共价键
五个共价键	$\mathrm{P}$	$\mathrm{P}$ 最外层有 5 个电子，可以直接形成 5 个共价键 但要注意的是 P 才能形成 5 个共价键，$\mathrm{N}$ 不能
六个共价键	$\mathrm{S}$	$\mathrm{S}$ 最外层有 6 个电子，可以直接形成 6 个共价键 但要注意的是 $\mathrm{S}$ 才能形成 6 个共价键，$\mathrm{O}$ 不能
七个共价键	$\mathrm{Cl}$	$\mathrm{Cl}$ 最外层有 7 个电子，可以直接形成 7 个共价键 但要注意的是 $\mathrm{Cl}$ 才能形成 7 个共价键，$\mathrm{F}$ 不能

总结：

1. 一般少几个电子满足 8 电子稳定结构（ $\mathrm{H}$ 是满足 2 电子稳定结构），就会形成几个共价键。

2. 不满足 8 电子稳定结构的情况：

   1. $\mathrm{B}$、$\mathrm{Al}$ 若只形成 3 个共价键（且无孤电子对），则不满足 8 电子稳定结构

   2. $\mathrm{P}$、$\mathrm{S}$、$\mathrm{Cl}$ 分别形成 $5$、$6$、$7$ 个共价键时，也不满足 $8$ 电子稳定结构

   3. 一些电子总数为奇数的分子，如 $\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2$、$\mathrm{NO}$，不满足 $8$ 电子稳定结构

   4. 只要有 $\mathrm{H}$ 原子出现时，所有原子不可能都满足 $8$ 电子稳定结构

3. 一定要注意阴离子多出的电子落在哪种元素，阳离子少的电子从哪种元素扣，判定方式如下：

   1. 与正常的共价键数目不一样，例如 $\mathrm{O}$ 理应形成 $2$ 个共价键，若给定的结构式中 $\mathrm{O}$ 只形成 $1$ 个共价键，可知 $\mathrm{O}$ 多一个电子，最外层 $7$ 电子，所以只形成 $1$ 个共价键

   2. $\mathrm{X}$ 原子形成的共价键数目若有两种，得失电子算在 $\mathrm{X}$ 原子上

      如：，$\mathrm{X}$ 既形成 $1$ 个共价键也形成 $2$ 个共价键，可知该 $-1$ 价阴离子多出的 $1$ 个电子算在 $\mathrm{X}$ 上，因此 $\mathrm{X}$ 最外层有 $6$ 个电子，若限定该离子的元素都是短周期元素，则 $\mathrm{W}$ 为 $\mathrm{S}$，$\mathrm{X}$ 为 $\mathrm{O}$

   3. 复杂离子中，若其他元素的多个原子形成的共价键数目都只有 $1$ 种，而 $\mathrm{X}$ 只有 $1$ 个原子，得失电子算在 $\mathrm{X}$ 原子上

      如：，由于所有 $\mathrm{Z}$ 形成的共价键数目都是 2 ，所有 $\mathrm{Y}$ 形成的共价键数目都是 4 ，而 $\mathrm{X}$ 只有 1 个原子，因此该阴离子多出的 1 个电子算在 $\mathrm{X}$ 上，可知 $\mathrm{X}$ 得 1 个电子后形成 4 个共价键，若限定该离子的元素都是短周期元素，则 $\mathrm{X}$ 可以是 $\mathrm{B}$ 或 $\mathrm{Al}$

方法：

1. 利用原子结构推断元素

   1. 利用原子结构及元素在周期表中的位置推断

      $$\mathrm{原}{\mathrm{子}}_Z^{A}X\{\begin{array}{l}\mathrm{原}\mathrm{子}\mathrm{核}\{\begin{array}{l}\mathrm{中}\mathrm{子}(\mathrm{决}\mathrm{定}\mathrm{核}\mathrm{素}\mathrm{的}\mathrm{种}\mathrm{类})N\mathrm{个}\\ \mathrm{质}\mathrm{子}(\mathrm{决}\mathrm{定}\mathrm{元}\mathrm{素}\mathrm{的}\mathrm{种}\mathrm{类})Z\mathrm{个}\end{array}\\ \mathrm{原}\mathrm{子}\mathrm{核}\mathrm{外}\mathrm{电}\mathrm{子}Z\mathrm{个}\end{array}$$

      1. 电荷角度：核内质子数($Z$)= 核电荷数 = 核外电子数 = 原子序数

      2. 质量角度：质量数($A$)= 质子数($Z$)+中子数($N$)

      3. 原子电子层数 $=$ 周期序数

      4. 原子最外层电子数 $=$ 主族序数

   2. 根据元素主要化合价的关系推断

      1. 确定元素在周期表中的位置：最高化合价 $=$ 最外层电子数 $=$ 主族序数 ($\mathrm{O}$ 无最高正价、$\mathrm{F}$ 无正价)

      2. 如果已知非金属元素的最低化合价（或简单阴离子的符号），则常先求出最高化合价：最高化合价 $=8-|\text{最低化合价}|$，再确定元素在周期表中的位置

   3. 根据原子半径的递变规律推断

      同周期主族元素中左边元素的原子半径一般比右边元素的大，同主族中下边元素的原子半径比上边元素的大

2. 利用元素周期表的片段推断元素

   1. 元素周期表中第一周期只有 $\mathrm{H}$ 和 $\mathrm{He}$ 两种元素，如果推断时已知元素位于不同周期，可优先考虑或排除第一周期的 $\mathrm{H}$，简化推断思路

   2. 短周期中主族序数与周期序数相同的元素有 $\mathrm{H}、\mathrm{Be}、\mathrm{Al}$

3. 根据物质的转化关系推断元素

   常见元素提示词：

   1. $\mathrm{H}$：原子半径最小，同位素没有中子，密度最小的气体

   2. $\mathrm{C}$：形成化合物最多的元素，单质有三种常见的同素异形体(金刚石、石墨、富勒烯)，${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}14}\mathrm{C}$ 可用于测定年代

   3. $\mathrm{N}$：空气中含量最多的气体( $78\mathrm{\%}$ )单质有情性，化合时价态很多，化肥中的重要元素

   4. $\mathrm{O}$：地壳中含量最多的元素，空气中含量第 $2$ 的气体( $21\mathrm{\%}$ )。生物体中含量最多的元素，与生命活动关系密切的元素，有两种气态的同素异形体

   5. $\mathrm{F}$：除 $\mathrm{H}$ 外原子半径最小，无正价，不存在含氧酸，氧化性最强的单质

   6. $\mathrm{Na}$：短周期元素中原子半径最大，焰色反应为黄色

   7. $\mathrm{Mg}$：烟火、照明弹中的成分，植物叶绿素中的元素，铝热反应的引燃剂

   8. $\mathrm{Al}$：地壳中含量第三多的元素、含量最多的金属，两性的单质，常温下遇强酸会钝化

   9. $\mathrm{Si}$：地壳中含量第二多的元素，半导体工业的支柱

   10. $\mathrm{P}$：有两种常见的同素异形体（白磷红磷），制造火药的原料（红磷）、化肥中的重要元素

   11. $\mathrm{S}$：单质为淡黄色固体，能在火山口发现，制造黑火药的原料

   12. $\mathrm{Cl}$：单质为黄绿色气体，海水中含量最多的元素，氯碱工业的产物之一

   13. $\mathrm{K}$：焰色反应呈紫色（透过蓝色钻玻璃观察）。化肥中的重要元素

   14. $\mathrm{Ca}$：人体内含量最多的矿质元素，骨骼和牙齿中的主要矿质元素

   15. 地壳元素：$\mathrm{O}、\mathrm{Si}、\mathrm{Al}、\mathrm{Fe}、\mathrm{Ca}$