高考化学大串讲专题20物质结构与性质教案

2019年高考化学大串讲专题20物质结构与性质教案本文简介：专题20物质结构与性质【知识讲解】一、原子结构1.能层与能级由必修的知识，我们已经知道多电子原子的核外电子的能量是不同的，由内而外可以分为：第一、二、三、四、五、六、七……能层符号表示K、L、M、N、O、P、Q……能量由低到高例如：钠原子有11个电子，分布在三个不同的能层上，第一层2个电子，第二层8

2019年高考化学大串讲专题20物质结构与性质教案本文内容：

专题20

物质结构与性质

【知识讲解】

一、原子结构

1.

能层与能级

由必修的知识，我们已经知道多电子原子的核外电子的能量是不同的，由内而外可以分为：

第一、二、三、四、五、六、七……能层

符号表示

K、

L、

M、

N、

O、

P、

Q……

能量由低到高

例如：钠原子有11个电子，分布在三个不同的能层上，第一层2个电子，第二层8个电子，第三层1个电子。由于原子中的电子是处在原子核的引力场中，电子总是尽可能先从内层排起，当一层充满后再填充下一层。理论研究证明，原子核外每一层所能容纳的最多电子数如下：

能

层

一

二

三

四

五

六

七……

符

号

K

L

M

N

O

P

Q……

最多电子数

2

8

18

32

50……

即每层所容纳的最多电子数是：2n2(n：能层的序数)

但是同一个能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级(S、P、d、F)，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。各能层上的能级是不一样的。

能级的符号和所能容纳的最多电子数如下：

能

层

K

L

M

N

O

……

能

级

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

……

最多电子数

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

……

各能层电子数

2

8

18

32

50

……

（1）

每个能层中，能级符号的顺序是ns、np、nd、nf……

（2）

任一能层，能级数=能层序数

（3）

s、p、d、f……可容纳的电子数依次是1、3、5、7……的两倍

各能层所包含的能级类型及各能层、能级最多容纳的电子数见下表：

2.

构造原理

根据构造原理，只要我们知道原子序数，就可以写出几乎所有元素原子的电子排布。

即电子所排的能级顺序：1s

2s

2p

3s

3p

4s

3d

4p

5s

4d

5p

6s

4f

5d

6p

7s……

电子填充的先后顺序（构造原理）为：

1s

2s2p

3s3p

4s3d4p

5s4d5p

6s4f5d6p

7s5f6d7p

ns

(n－2)f

(n－1)d

np

构造原理揭示了原子核外电子的能级分布。不同能层的能级有交错现象，

如E(3d)＞E(4s)、E(4d)＞E(5s)、E(5d)＞E(6s)、E(6d)＞E(7s)、E(4f)＞E(5p)等。

构造原理是书写基态原子电子排布式的依据，也是绘制基态原子电子排布图（即轨道表示式）的主要依据之一。如：Na：1s22s22p63s1，能级符号上面数字是该能级上的电子数。

元素原子的电子排布：（1—36号）

氢

H

1s1

……

钠

Na

1s22s22p63s1

……

钾

K

1s22s22p63s23p***s1

【Ar】4s1

……

有少数元素的基态原子的电子排布对于构造原理有一个电子的偏差，如：

铬

24Cr

[Ar]3d54s1

铜

29Cu

[Ar]3d104s1

例如：写出17Cl（氯）、21Sc(钪)、35Br（溴）的电子排布

氯：1s22s22p63s23p5

钪：1s22s22p63s23p63d14s2

溴：1s22s22p63s23p63d104s24p5

3.电子云和原子轨道：

(1)

电子运动的特点：①质量极小

②运动空间极小

③极高速运动。

因此，电子运动来能用牛顿运动定律来描述，只能用统计的观点来描述。我们不可能像描述宏观运动物体那样，确定一定状态的核外电子在某个时刻处于原子核外空间如何，而只能确定它在原子核外各处出现的概率。

概率分布图看起来像一片云雾，因而被形象地称作电子云。常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来，人们把这种电子云轮廓图成为原子轨道。

S的原子轨道是球形的，能层序数越大，原子轨道的半径越大。

P的原子轨道是纺锤形的，每个P能级有3个轨道，它们互相垂直，分别以Px、Py、Pz为符号。P原子轨道的平均半径也随能层序数增大而增大。

s电子的原子轨道都是球形的(原子核位于球心)，能层序数，2越大，原子轨道的半径越大。这是由于1s，2s，3s……电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。这是不难理解的，打个比喻，神州五号必须依靠推动(提供能量)才能克服地球引力上天，2s电子比1s电子能量高，克服原子

核的吸引在离核更远的空间出现的概率就比1s大，因而2s电子云必然比1s电子云更扩散。

(2)

[重点难点]泡利原理和洪特规则

量子力学告诉我们：ns能级各有一个轨道，np能级各有3个轨道，nd能级各有5个轨道，nf能级各有7个轨道.而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用方向相反的箭头“↑↓”来表示。

一个原子轨道里最多只能容纳2个电子，而且自旋方向相反，这个原理成为泡利原理。

推理各电子层的轨道数和容纳的电子数。

当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则是洪特规则。

洪特规则的特例：对于同一个能级，当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的。

特例：

24Cr

1s22s22p63s23p63d54s1

29Cu

1s22s22p63s23p63d104s1

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

3d

3d

↑

↑

↑

↑

↑

半充满

全充满

轨道表示式：用“□”表示轨道，用“↑”或“↓”表示容纳的电子。

1s

1s

↓↑

↑

如：1H

2He

1s

2s

1s

2s

2p

↑

↓↑

↓↑

↑

↑

↓↑

3Li

6C

注意：ns能级各有1个轨道，np能级各有3个轨道，nd能级各有5个轨道，nf能级各有7个轨道。而每个轨道里最多能容纳2个电子，通常称为电子对，用方向相反的箭头“↑↓”来表示。“↑”

“↓”表示自选方向相反。

4.

基态、激发态、光谱

1．基态：最低能量状态。如处于最低能量状态的原子称为基态原子。

2．激发态：较高能量状态（相对基态而言）。如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子。

3．光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收（基态→激发态）和放出（基态→激发态）能量，产生不同的光谱——原子光谱（吸收光谱和发射光谱）。利用光谱分析可以发现新元素或利用特征谱线鉴定元素。

小结：原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。处于最低能量的原子叫做基态原子。

当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，将释放能量。光（辐射）是电子释放能量的重要形式之一。

不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱。许多元素是通过原子光谱发现的。在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析。

例1碳、氧、氮、镁、铬、铁、铜是几种重要的元素，请回答下列问题：

(1)在第二周期的元素中，第一电离能介于B

与N之间的元素有_________种。

(2)查阅相关资料发现MgO的熔点比CuO的熔点高得多，其原因是_____________。

(3)Fe

与CO能形成一种重要的催化剂Fe(CO)5，该分子中σ键与π键个数比为______________。请写出一个与CO互为等电子体的离子：________________。

(4)金属铬是一种银白色，极硬，耐腐蚀的金属，铬的化合物种类繁多，如：Gr2(SO4)3、K2Cr2O7以及配离子[Cr(H2O)3(NH3)3]3+。

①K2Cr2O7具有很强的氧化性，能直接将CH3CH2OH

氧化成CH3COOH，试写出基态铬原子的价层电子排布式__________；CH3COOH

分子中碳原子的杂化类型为___________。

②该配离子[Cr(H2O)3(NH3)3]3+中，中心离子的配位数为_______，NH3的VSEPR模型为_______。

③铜铬合金的晶胞如图所示，已知晶胞中Cr

和Cu原子间的最近距离为

apm,则该晶体的密度为_______g·cm-3

(用含a的代数式表示，设NA为阿伏加德罗常数的值)。

【答案】3

Mg2+半径比Cu2+半径小，MgO的晶格能比CuO高，因此MgO的熔点高

1∶1

C22-、CN-

d54s1

sp3、sp2

6

四面体形

例2（1）基态铜原子的核外电子排布式为______________________

，有______个未成对电子

（2）已知A和B为第三周期元素，其原子的第一至第四电离能如下表所示：

下列有关A、B的叙述不正确的是___________

a.

离子半径A离子晶体>分子晶体。

金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等沸点很高，如汞、镓、铯等沸点很低，金属晶体一般不参与比较。

2．原子晶体

由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。如熔点：金刚石>石英>碳化硅>硅。

3．离子晶体

一般地说，阴、阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。

4．分子晶体

(1)分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常的高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

(2)组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，如SnH4>GeH4>SiH4>CH4，F2CH3CH3。

(4)同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。

例如：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>

>。

(5)同分异构体的芳香烃，其熔、沸点高低顺序是邻>间>对位化合物。

5．金属晶体

金属离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：NaK>Rb>Cs。

特别提醒

(1)金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔点很高，如汞、镓、铯等熔点很低。

(2)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如金属晶体Na晶体的熔点(98

℃)小于分子晶体AlCl3晶体的熔点(190

℃)。

(3)并非存在氢键的分子晶体的熔、沸点就高，分子内形成氢键，一般会使分子晶体的熔、沸点降低。例如邻羟基苯甲醛()由于形成分子内氢键，比对羟基苯甲醛()的熔、沸点低。

几种常见的晶体模型

1．原子晶体(金刚石和二氧化硅)

(1)金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，C—C

键之间的夹角是109°28′，最小的环是六元环。含有1

mol

C的金刚石中，形成的共价键有2

mol。

(2)SiO2晶体中，每个Si原子与4个O成键，每个O原子与2个硅原子成键，最小的环是十二元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子。

2．分子晶体

(1)干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个。

(2)冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1

mol

H2O的冰中，最多可形成2

mol“氢键”。

3．离子晶体

(1)NaCl型：在晶体中，每个Na＋同时吸引6个Cl－，每个Cl－同时吸引6个Na＋，配位数为6。每个晶胞含4个Na＋和4个Cl－。

(2)CsCl型：在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs＋，每个Cs＋吸引8个Cl－，配位数为8。

4．石墨晶体

石墨层状晶体中，层与层之间的作用是分子间作用力，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。

5．常见金属晶体的原子堆积模型

结构型式

常见金属

配位数

晶胞

面心立方最密堆积A1

Cu、Ag、Au

12

体心立方堆积A2

Na、K、Fe

8

六方最密堆积A3

Mg、Zn、Ti

12

特别提醒

(1)判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想象法。如NaCl晶体中，Na＋周围的Na＋数目(Na＋用“○”表示)：

每个面上有4个，共计12个。

(2)常考的几种晶体主要有干冰、冰、金刚石、SiO2、石墨、CsCl、NaCl、K、Cu等，要熟悉以上代表物的空间结构。当题中信息给出与某种晶体空间结构相同时，可以直接套用某种结构。

例5

（1）假设元素周期表可以发展到第八周期，而且电子仍按照构造原理填入能级，第八周期应为_____种元素。

（2）已知N-N、N=N和N≡N键能之比为1.00:2.17:4.90,而C-C、C=C、C≡C键能之比为1.00:1.77:2.34.如何用这些数据理解氮分子不容易发生加成反应而乙炔容易发生加成反应?___

（3）下图是两种具有相同分子式的有机物——邻羟基苯甲酸和对羟基苯甲酸的结构简式。已知它的沸点相差很大，其中对羟基苯甲酸沸点较高，如何从氢键的角度来解释？_______

邻羟基苯甲酸

对羟基苯甲酸

（4）离子晶体如食盐，很脆，经不起锤击；原子晶体如石英，同样很脆，也经不起锤击。然而食盐和石英的摩氏硬度却相差极大，应如何解释？____________________________________

（5）如图依次是金属钠、金属锌、碘、金刚石晶胞的示意图，

i：上图的碘晶体中碘分子的排列有____种不同取向，晶胞平均含_______个原子。

ii：金属锌晶胞参数依次为：a=266.49

pm，b=266.49

pm，c=494.68

pm，α=90°,β=90°，γ=120°，则该晶胞的底面积为

___________cm2.。（只列式不计算）。

【答案】50

前者每多出两条键其键能大于原来的三倍,要破坏需要吸收的能量更多；后者每增加两条化学键其键能增加量却小于原来的3倍,要破坏需要吸收的能量更少。

邻羟基苯甲酸可以形成分子内氢键，使熔沸点偏低，对羟基苯甲酸可以形成分子间氢键，使熔沸点偏高，则对羟基苯甲酸的沸点比邻羟基苯甲酸的高。

离子晶体和原子晶体的晶体类型不同，使它们的性质存在很大差异

2

8

266.49

×sin60°×266.49

×10—14

【解析】（1）通过分析每一周期的元素种类可知，第一周期遵循2×12，第二、三周期遵循2×22，第四、五周期遵循2×32，第六、七周期遵循2×42；据此可以得出第八周期的元素种类数为2×52，即50种；

（2）键能数据表明，N≡N键能大于N—N键能的三倍，而C≡C键能却小于C—C键能的三倍，说明乙烯和乙炔中的π键不牢固，故易发生加成反应，而氮分子中

N≡N

非常牢固，所以氮分子不易发生加成反应；

例6

微量元素硼对植物生长及人体健康有着十分重要的作用，也广泛应用于新型材料的制备。

(1)基态硼原子的价电子轨道表达式是_______________。与硼处于同周期且相邻的两种元素和硼的第一电离能由大到小的顺序为___________。

(2)晶体硼单质的基本结构单元为正二十面体，其能自发地呈现多面体外形，这种性质称为晶体的________。

(3)B的简单氢化物BH3不能游离存在，常倾向于形成较稳定的B2H6或与其他分子结合。

①B2H6分子结构如图，则B原子的杂化方式为________。

②氨***(NH3BH3)被认为是最具潜力的新型储氢材料之一，分子中存在配位键，提供孤电子对的成键原子是______，写出一种与氨***互为等电子体的分子_____(填化学式)。

(4)以硼酸(H3BO3)为原料可制得硼氢化钠(NaBH4)，它是有机合成中的重要还原剂。BH的键角是________，立体构型为___________。

(5)磷化硼(BP)是受高度关注的耐磨材料，可作为金属表面的保护层，其结构与金刚石类似，晶胞结构如图所示。磷化硼晶胞沿z轴在平面的投影图中，B原子构成的几何形状是_______；已知晶胞边长为458

pm，则磷化硼晶体的密度是____g·cm－3(列式并计算，结果保留两位有效数字，已知4．583＝96．07)。

【答案】

C＞Be＞B

自范性

sp3杂化

N

C2H6

109°28

正四面体

正方形

＝2．9