第一节 原子结构与元素周期表

本节学习目标

• 掌握原子的构成以及质子数、中子数、电子数、质量数之间的关系。
• 理解核外电子分层排布的基本规律和相对稳定结构。
• 掌握元素周期表的周期、族、原子序数及主族元素位置与结构的关系。
• 理解核素、同位素和相对原子质量的区别，能正确书写核素符号。
• 能从最外层电子数解释碱金属、卤族元素性质的相似性。
• 能从电子层数和原子半径变化解释同主族性质的递变，并预测陌生元素的性质。

核心知识点讲解

一、知识对象与物质情境

元素周期表不是元素名称的清单，而是原子结构和元素性质规律的系统表达。本节围绕三个问题展开：原子内部有什么；这些微粒怎样排布；原子结构为什么能决定元素在周期表中的位置和化学性质。

二、核心概念与物质分类

1. 原子的构成

微粒	符号	电性	相对质量	位置
质子	$p$	$+1$	约为 $1$	原子核内
中子	$n$	$0$	约为 $1$	原子核内
电子	$e^{-}$	$-1$	约为质子的 $1/1836$	原子核外

原子质量主要集中在原子核。对于电中性原子：

$$\text{原子序数}=\text{核电荷数}=\text{质子数}=\text{核外电子数}$$

质量数是质子数与中子数之和：

$$A=Z+N$$

核素常写为 ${}_Z^{A}X$，其中 $X$ 是元素符号，$A$ 是质量数，$Z$ 是质子数。

2. 电子层与电子排布

电子在能量不同的区域内运动，可简化为电子层。由内到外依次用 $n=1,2,3,\dots$ 或 $K,L,M,\dots$ 表示；越靠内能量越低，电子通常先排入能量较低的电子层。

基本规律：

• 第 $n$ 层最多容纳 $2n^2$ 个电子。
• 最外层电子数通常不超过 $8$，$K$ 层作最外层时不超过 $2$。
• 次外层电子数通常不超过 $18$。
• 稀有气体原子的最外层达到相对稳定结构：$He$ 为 $2$ 电子，其余通常为 $8$ 电子。

3. 元素周期表

现代元素周期表按原子序数递增排列，共有 $7$ 个周期、$18$ 个纵列。每个横行是一个周期；每个纵列通常对应一个族，其中第 $8$、$9$、$10$ 列共同组成第 $\mathrm{VIII}$ 族。

分类	结构特点
短周期	第一、二、三周期，元素数分别为 $2$、$8$、$8$
长周期	第四至第七周期
主族	由短周期和长周期元素共同构成，传统标记为 $\mathrm{IA}$～$\mathrm{VIIA}$
副族和第 $\mathrm{VIII}$ 族	由长周期元素构成，主要位于周期表中部
$0$ 族	稀有气体元素，位于最右列

对主族元素而言，周期序数通常等于电子层数；主族序数通常等于最外层电子数。$He$ 虽只有 $2$ 个最外层电子，但因达到 $K$ 层稳定结构，位于 $0$ 族。

4. 核素与同位素

核素是具有一定质子数和一定中子数的一种原子。同一元素的不同核素质子数相同、中子数不同，互称同位素。例如 ${}_1^{1}H$、${}_1^{2}H$、${}_1^{3}H$ 互为同位素。

同位素具有相同的核外电子排布，因此化学性质几乎相同；质量数和某些物理性质不同。元素的相对原子质量是各种天然同位素相对原子质量按丰度加权得到的平均值，通常不是整数。

放射性同位素可用于考古断代、医学诊断与治疗、育种、金属探伤等。应用时既要利用射线性质，也要重视辐射防护。

三、关键规律、反应原理与方程式

1. 碱金属元素

碱金属原子最外层都有 $1$ 个电子，容易失去：

$$M-e^{-}=M^{+}$$

因此它们化学性质相似，都有强金属性，能与氧气、水等反应，化合物中通常显 $+1$ 价。代表反应：

$$4Li+O_2\stackrel{\Delta }{\to }2L{i}_{2}O$$ $$2Na+O_2\stackrel{\Delta }{\to }N{a}_2{O}_2$$ $$2Na+2H_{2}O=2NaOH+H_2\uparrow$$ $$2K+2H_{2}O=2KOH+H_2\uparrow$$

同主族从上到下，电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引减弱，失电子能力增强，所以碱金属的金属性和与水反应的剧烈程度增强。

2. 卤族元素

卤素原子最外层都有 $7$ 个电子，容易得到 $1$ 个电子：

$$X+e^{-}=X^{-}$$

卤素单质与氢气反应的难易由 $F_2$ 到 $I_2$ 逐渐降低，相应气态氢化物的稳定性也逐渐降低。卤素单质的氧化性顺序为：

$$F_2>C{l}_2>B{r}_2>I_2$$

较强氧化性的卤素单质能置换较弱卤素的离子：

$$C{l}_2+2B{r}^{-}=2C{l}^{-}+B{r}_2$$ $$C{l}_2+2I^{-}=2C{l}^{-}+I_2$$ $$B{r}_2+2I^{-}=2B{r}^{-}+I_2$$

同主族从上到下，原子半径增大，得电子能力减弱，因此非金属性和单质氧化性逐渐减弱。

四、典型转化模型与分析方法

1. 粒子数量计算

读 ${}_Z^{A}X$ 时先确定：质子数 $Z$；中子数 $A-Z$；中性原子电子数 $Z$。离子电子数还要考虑电荷：阳离子电子数为 $Z-$所带正电荷数，阴离子电子数为 $Z+$所带负电荷数。

2. 由结构定位置

对前 $20$ 号主族元素：电子层数决定周期，最外层电子数决定主族。例：$2,8,2$ 表示第三周期、$\mathrm{IIA}$ 族的 $Mg$。

3. 由位置推性质

周期和族 → 电子层数、最外层电子数 → 得失电子倾向 → 金属性或非金属性 → 单质和化合物性质

预测陌生同族元素时，先利用“最外层电子数相同”判断相似性，再利用“电子层数和半径变化”判断递变性，最后用已知同族反应作类比，但要保留物质个性和反应条件。

五、实验现象、装置与证据

钾在空气中加热燃烧比钠更剧烈；钾投入水中迅速熔化、游动，常燃烧甚至发生爆炸，酚酞变红。该对比说明 $K$ 比 $Na$ 更易失电子，金属性更强。实验必须由教师演示，取小块金属并远距离观察。

氯水分别加入 $KBr$、$KI$ 溶液可生成 $B{r}_2$、$I_2$；溴水加入 $KI$ 可生成 $I_2$。由置换方向可建立 $C{l}_2>B{r}_2>I_2$ 的氧化性顺序。颜色判断容易受氯水本身颜色影响，应设置同体积氯水或溴水作对照。

卤素单质由 $F_2$ 到 $I_2$ 颜色逐渐加深，常温状态由气态经液态到固态，熔、沸点总体升高。这些是物理性质递变，不能直接等同于非金属性强弱证据。

六、题型应用与迁移

• 原子与离子组成：综合核素符号、电荷和电子数求 $A$、$Z$、$N$。
• 周期表定位：由电子排布确定周期和主族，或由位置写出价电子特征。
• 同位素判断：质子数相同、中子数不同；质量数相同不一定互为同位素。
• 同主族递变：解释碱金属反应剧烈程度、卤素置换和氢化物稳定性。
• 陌生元素预测：利用同族相似性和递变性预测铷、铯、溴、碘等的性质。

重点梳理

1. 原子序数与粒子数关系

只有中性原子满足“质子数＝电子数”。离子仍以质子数决定元素种类，但电子数随得失电子改变。质量数只计算质子和中子，不包括电子。

2. 电子排布与稳定结构

$2n^2$ 是第 $n$ 层的最大容量，不表示该层在任何原子中都一定排满；“最外层不超过 $8$”也不能单独决定全部电子排布。题目通常限定前 $20$ 号元素时再使用简化排布规律。

3. 周期和族的读取

周期看电子层数，主族看最外层电子数。最外层电子数相同使同主族化学性质相似；电子层数从上到下增加又带来递变。

4. 同位素与相对原子质量

同位素是原子之间的关系，不是单质之间或元素之间的关系。质量数是某一核素的整数，元素相对原子质量是天然同位素的加权平均值。

难点突破

1. “相似性”不等于“完全相同”

同主族元素价电子数相同，因此反应类型和主要化合价相似；但原子半径、核吸引和物态不同，反应程度、产物和条件可能不同。例如锂燃烧主要生成 $L{i}_{2}O$，钠燃烧主要生成 $N{a}_2{O}_2$，不能机械类推产物。

2. 氧化性、非金属性与离子还原性

卤素非金属性越强，单质越易得电子，单质氧化性越强；相应卤离子越难失电子，还原性越弱。因此：

$$C{l}_2>B{r}_2>I_2\text{而}{I}^{-}>B{r}^{-}>C{l}^{-}\text{（还原性）}$$

3. 核素符号综合题

若某 $X^{2-}$ 含 $18$ 个电子，则中性原子有 $16$ 个电子，$Z=16$。若中子数为 $16$，则 $A=32$，核素为 ${}_{16}^{32}S$。解题时先由离子电荷还原中性原子电子数。

例题讲解

例题一：核素与离子组成

某二价阴离子 $X^{2-}$ 含 $18$ 个电子，核内中子数为 $16$。确定元素、质量数和核素符号。

分析： 阴离子比中性原子多 $2$ 个电子，所以 $Z=18-2=16$，元素为硫。质量数 $A=16+16=32$。

答案： 元素为 $S$，质量数为 $32$，核素符号为 ${}_{16}^{32}S$。

例题二：卤素置换推断

向两份无色溶液中分别加入少量氯水，一份出现溴的颜色，另一份出现碘的颜色；再向后一份加入溴水也能生成碘。说明非金属性顺序。

方程式： $C{l}_2+2B{r}^{-}=2C{l}^{-}+B{r}_2$，$C{l}_2+2I^{-}=2C{l}^{-}+I_2$，$B{r}_2+2I^{-}=2B{r}^{-}+I_2$。

结论： 单质氧化性和元素非金属性均为 $Cl>Br>I$。

反思： 置换反应只能证明给定条件下的相对强弱；结论需与反应方向一致。

易错点整理

常见错误表现	错因分析	正确处理步骤
把质量数当相对原子质量	混淆单个核素与元素平均值	质量数为整数，相对原子质量常为加权平均值
认为等质量数原子互为同位素	忽略质子数条件	同位素必须质子数相同、中子数不同
离子电子数仍等于质子数	忘记得失电子	根据电荷增减电子数
由同族直接判定所有产物相同	只看相似性	同时分析递变性、反应条件和元素个性
卤素置换顺序写反	未分清氧化剂与还原剂	强氧化性单质置换弱氧化性单质的阴离子
把颜色加深作为非金属性证据	混淆物理和化学性质	用得电子能力、置换和氢化物稳定性判断

考点考证点整理

考点一：原子组成与核素符号

• 出题思路：给核素符号、离子电子数或质子中子关系，求各种粒子数。
• 关键条件：中性原子还是离子；电荷正负；质量数是否给出。
• 解答要点：用 $A=Z+N$，电子数按离子电荷调整，元素由 $Z$ 确定。
• 易扣分点：把质量数写在元素符号右上角；阴阳离子电子数增减方向错误。

考点二：周期表结构与位置判断

• 出题思路：由电子排布确定位置，或由位置推断价电子和主要化合价。
• 关键条件：是否为主族元素；是否在前 $20$ 号元素范围；$He$ 等特例。
• 解答要点：电子层数定周期，最外层电子数定主族；写清周期和族。
• 易扣分点：把列序数直接等同所有元素的最外层电子数。

考点三：核素、同位素与应用

• 出题思路：判断同位素关系、计算中子数、解释考古或医学用途。
• 关键条件：质子数、中子数、丰度和放射性。
• 解答要点：同位素质子数相同而中子数不同；相对原子质量为加权平均。
• 易扣分点：称“元素互为同位素”；认为同位素化学性质完全不同。

考点四：碱金属和卤素递变

• 出题思路：比较反应剧烈程度、置换方向、氢化物稳定性或预测陌生同族元素。
• 关键条件：同主族方向、原子半径、最外层电子数、具体反应条件。
• 解答要点：结构变化—得失电子能力—金属性/非金属性—实验事实完整论证。
• 易扣分点：只给排序无解释；把卤离子还原性与卤素单质氧化性同向排列。

练习题

基础训练

1. ${}_{17}^{35}Cl$ 的质子数、中子数、电子数各是多少？${}_{17}^{35}C{l}^{-}$ 的电子数是多少？
2. ${}_6^{12}C$ 与 ${}_6^{14}C$ 是什么关系？二者哪些微粒数相同？
3. 核外电子排布为 $2,8,3$ 的元素位于哪一周期、哪一主族？
4. 写出钠、钾分别与水反应的方程式，并比较反应剧烈程度。

巩固训练

5. 比较 $Li$、$Na$、$K$ 的原子半径、金属性和与水反应剧烈程度。
6. 比较 $C{l}_2$、$B{r}_2$、$I_2$ 的氧化性及 $C{l}^{-}$、$B{r}^{-}$、$I^{-}$ 的还原性。
7. 写出氯水与 $KBr$、$KI$ 以及溴水与 $KI$ 反应的离子方程式。
8. 原子序数为 $19$ 的元素位于周期表什么位置？预测其主要化合价及与水反应的产物。

提升训练

9. 某元素有两种天然同位素，质量数分别为 $10$、$11$，丰度分别为 $20.0\%$、$80.0\%$。用质量数近似核素相对原子质量，求该元素的相对原子质量。
10. 第 $117$ 号元素最外层有 $7$ 个电子。判断其周期和族，并比较它与 $I$ 的非金属性强弱、对应简单阴离子的还原性强弱。

练习题答案

1. ${}_{17}^{35}Cl$ 有 $17$ 个质子、$18$ 个中子、$17$ 个电子；$C{l}^{-}$ 有 $18$ 个电子。
2. 二者互为同位素；质子数和中性原子电子数相同，中子数和质量数不同。
3. 有 $3$ 个电子层、$3$ 个最外层电子，位于第三周期、$\mathrm{IIIA}$ 族，为 $Al$。
4. $2Na+2H_{2}O=2NaOH+H_2\uparrow$；$2K+2H_{2}O=2KOH+H_2\uparrow$。$K$ 原子半径更大，更易失电子，反应更剧烈。
5. 原子半径 $K>Na>Li$；金属性和与水反应剧烈程度均为 $K>Na>Li$。
6. 单质氧化性 $C{l}_2>B{r}_2>I_2$；阴离子还原性 $I^{-}>B{r}^{-}>C{l}^{-}$。
7. $C{l}_2+2B{r}^{-}=2C{l}^{-}+B{r}_2$；$C{l}_2+2I^{-}=2C{l}^{-}+I_2$；$B{r}_2+2I^{-}=2B{r}^{-}+I_2$。
8. 电子排布为 $2,8,8,1$，位于第四周期、$\mathrm{IA}$ 族，为 $K$；主要显 $+1$ 价，与水生成 $KOH$ 和 $H_2$。
9. 相对原子质量约为 $10\times 20.0\%+11\times 80.0\%=10.8$。
10. 第 $117$ 号元素位于第七周期、$\mathrm{VIIA}$ 族。它在 $I$ 下方，非金属性比 $I$ 弱；其简单阴离子更易失电子，还原性比 $I^{-}$ 强。