【化學(xué)：高中人教版全套教師用書(shū)WORD版】選修3物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

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第一章 原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 本章說(shuō)明 一、教學(xué)目標(biāo) 1. 了解原子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理，知道原子核外電子的能級(jí)分布，能用電子排布式表示常見(jiàn)元素（1～36號(hào)）原子核外電子的排布。 2. 了解能量最低原理，知道基態(tài)與激發(fā)態(tài)，知道原子核外電子在一定條件下會(huì)發(fā)生躍遷產(chǎn)生原子光譜。 3. 了解原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，知道電子云和原子軌道。 4. 認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)與元素周期系的關(guān)系，了解元素周期系的應(yīng)用價(jià)值。 5. 能說(shuō)出元素電離能、電負(fù)性的涵義，能應(yīng)用元素的電離能說(shuō)明元素的某些性質(zhì)。 6. 從科學(xué)家探索物質(zhì)構(gòu)成奧秘的史實(shí)中體會(huì)科學(xué)探究的過(guò)程和方法，在抽象思維、理論分析的過(guò)程中逐步形成科學(xué)的價(jià)值觀。 二、內(nèi)容分析 1. 地位與功能 本章是在學(xué)生已有原子結(jié)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入地研究原子的結(jié)構(gòu)，從構(gòu)造原理和能量最低原理介紹了原子的核外電子排布以及原子光譜等，并圖文并茂地描述了電子云和原子軌道；在原子結(jié)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)上，介紹了元素周期系、元素周期表及元素周期律?？傊?，本章按照課程標(biāo)準(zhǔn)要求比較系統(tǒng)而深入地介紹了原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)，為后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。盡管本章內(nèi)容比較抽象，是學(xué)習(xí)難點(diǎn)，但作為本書(shū)的第一章，教科書(shū)從內(nèi)容和形式上都比較注意激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠比較系統(tǒng)地掌握原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)，在原子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，并能運(yùn)用原子結(jié)構(gòu)知識(shí)解釋一些化學(xué)現(xiàn)象。 2. 內(nèi)容的選擇與呈現(xiàn) 根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的要求，本章依據(jù)本模塊的“主題1 原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”的要求進(jìn)行內(nèi)容的選取，充分考慮了初中化學(xué)和化學(xué)2中的原子結(jié)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)，注意知識(shí)的銜接與深化。 在第一節(jié)“原子結(jié)構(gòu)”中，在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，教科書(shū)不再重復(fù)建立原子結(jié)構(gòu)的概念，而是直接建立核外電子的能層（即“電子層”）和能級(jí)（即“電子亞層”）的概念，給出每一能層有幾個(gè)能級(jí)，每個(gè)能級(jí)最多可以容納幾個(gè)電子，教科書(shū)沒(méi)有介紹原子核的組成；有了能層和能級(jí)的概念，直接給出構(gòu)造原理，并根據(jù)構(gòu)造原理進(jìn)行核外電子排布；有了構(gòu)造原理，又由構(gòu)造原理引出了能量最低原理，并同時(shí)引出了基態(tài)和激發(fā)態(tài)的概念，以及原子光譜；由于在第二章介紹共價(jià)鍵時(shí)需要涉及電子云和原子軌道等概念，該節(jié)在描述原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)介紹了這兩個(gè)概念，有了原子軌道的概念，結(jié)合原子核外電子的軌道排布式，簡(jiǎn)單介紹了泡利原理和洪特規(guī)則。本節(jié)內(nèi)容在陳述方式上可以說(shuō)是一種倒敘式，即直接給出知識(shí)而不加以理論上解釋，如把構(gòu)造原理看作是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，直接給出了原子核外電子排布的次序。但隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，前面直接給出的一些結(jié)論性的知識(shí)也不斷地得到了解釋。 在第二節(jié)“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”中，首先由原子核外電子排布的變化規(guī)律引出元素周期系，接著介紹了元素周期表，由于學(xué)生對(duì)元素周期表的結(jié)構(gòu)已有一定的了解，為了避免重復(fù)，教科書(shū)設(shè)計(jì)了一個(gè)“科學(xué)探究”，要求學(xué)生從更高的視角來(lái)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)元素周期表的結(jié)構(gòu)；元素周期律的內(nèi)涵比較廣泛，教科書(shū)重點(diǎn)討論了原子半徑、電離能和電負(fù)性的周期性變化，而對(duì)于學(xué)生已知同周期的主族元素的最高化合價(jià)和最低化合價(jià)、金屬性和非金屬性的周期性變化，教科書(shū)設(shè)計(jì)了一個(gè)“學(xué)與問(wèn)”；在本節(jié)的最后設(shè)計(jì)了一個(gè)“科學(xué)探究”，結(jié)合元素周期表與元素的電負(fù)性簡(jiǎn)單介紹了對(duì)角線規(guī)則。本節(jié)在呈現(xiàn)方式上，充分體現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)“科學(xué)探究”和三個(gè)“學(xué)與問(wèn)”，以及兩個(gè)“科學(xué)史話”；另外，教科書(shū)還使用了多樣化的圖表。 除學(xué)科知識(shí)外，本章內(nèi)容的選取也注意了對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度的教育，如“科學(xué)史話”中提供的素材，既有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度的教育，也有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 關(guān)于章圖和節(jié)背景圖的說(shuō)明：①本章章圖由一幅主圖、一幅組圖和一小圖組成，主圖為原子隧道掃描顯微鏡的探測(cè)器正檢測(cè)原子存儲(chǔ)的信息；組圖包含七幅小圖，描述了人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展史；另一小圖是在固體表面操縱原子寫(xiě)出的“原子”兩字。②節(jié)背景圖是用隧道掃描顯微鏡獲得的銅原子的圖像。 3. 內(nèi)容結(jié)構(gòu) 三、課時(shí)建議 第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)3課時(shí) 第二節(jié) 原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì) 3課時(shí) 復(fù)習(xí)與機(jī)動(dòng) 2課時(shí) 第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 一、教學(xué)設(shè)計(jì) 本節(jié)從介紹原子的誕生（宇宙大爆炸）入手，在介紹能層、能級(jí)的概念后，直接給出構(gòu)造原理并根據(jù)構(gòu)造原理進(jìn)行原子的核外電子排布；在原子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)概念的基礎(chǔ)上介紹電子的躍遷和光譜分析；根據(jù)電子云與原子軌道等概念，進(jìn)一步介紹核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并導(dǎo)出泡利原理和洪特規(guī)則。本節(jié)內(nèi)容比較抽象，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、分析推理能力及抽象概括能力。 教學(xué)重點(diǎn)： 1. 根據(jù)構(gòu)造原理寫(xiě)出1~36號(hào)元素原子的電子排布式； 2. 核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，電子云與原子軌道； 3. 泡利原理、洪特規(guī)則。 教學(xué)難點(diǎn)： 1. 電子云與原子軌道； 2. 基態(tài)、激發(fā)態(tài)與光譜。 具體教學(xué)建議： 1. 結(jié)合本章章圖可以課前安排學(xué)生收集有關(guān)原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展史的材料，課上組織交流討論。通過(guò)活動(dòng)使學(xué)生了解原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展史中各種理論的要點(diǎn)和相關(guān)科學(xué)家的重要貢獻(xiàn)，體會(huì)人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)逐步深入的過(guò)程，科學(xué)理論的發(fā)展是一個(gè)逐步完善的過(guò)程。在活動(dòng)中使學(xué)生感悟科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神和進(jìn)行科學(xué)探索中所具有的科學(xué)態(tài)度。 2. 在介紹能層與能級(jí)時(shí)，可以通過(guò)思考“電子是怎樣在核外空間排布的？”，引發(fā)學(xué)生對(duì)核外電子分層排布的復(fù)習(xí)。根據(jù)學(xué)生已有的核外電子分層排布的知識(shí)進(jìn)一步明確核外電子是按照能量的不同分成不同的能層及能級(jí)。在理解能層與能級(jí)之間的關(guān)系時(shí)，可利用教科書(shū)中的形象比喻：“能層是樓層，能級(jí)是樓梯的階級(jí)”。 3. 對(duì)于構(gòu)造原理的教學(xué)，重點(diǎn)應(yīng)放在應(yīng)用上。構(gòu)造原理給出了電子的排布次序，教學(xué)時(shí)要求學(xué)生會(huì)應(yīng)用構(gòu)造原理寫(xiě)出基態(tài)原子的電子排布式，不要求學(xué)生深究構(gòu)造原理中能級(jí)次序的原因。 4. 對(duì)于電子云與原子軌道的教學(xué)，可以運(yùn)用電腦模擬或制作原子軌道模型等手段幫助學(xué)生理解電子云與原子軌道的概念。 教學(xué)方案參考 【方案Ⅰ】問(wèn)題探究學(xué)習(xí)能層、能級(jí)和構(gòu)造原理 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景：從宇宙大爆炸、原子的誕生等素材引發(fā)學(xué)生探索原子奧秘的興趣。 提出問(wèn)題：組織學(xué)生交流課前收集的有關(guān)原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的歷史資料，結(jié)合本章章圖中人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的圖示，形成對(duì)現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論的初步認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提出問(wèn)題——核外電子是怎樣排布的？ 問(wèn)題探究：（1）學(xué)生根據(jù)已有的核外電子分層排布的知識(shí)，結(jié)合“學(xué)與問(wèn)”的三個(gè)問(wèn)題，閱讀教科書(shū)，形成對(duì)能層、能級(jí)的認(rèn)識(shí)；（2）讓學(xué)生帶著問(wèn)題去分析構(gòu)造原理（教科書(shū)中的圖12），探究其中的規(guī)律。 討論與交流：根據(jù)上述問(wèn)題學(xué)生發(fā)表自己的見(jiàn)解，并相互交流補(bǔ)充。 總結(jié)評(píng)價(jià)：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)核外電子排布所遵循的規(guī)律和方法。（1）根據(jù)構(gòu)造原理給出的電子排布次序，可以寫(xiě)出基態(tài)原子的電子排布式；（2）對(duì)于處在不同能層的英文字母不同的能級(jí)，電子排布的先后次序?yàn)椋?n－2)f、(n－1)d、ns。 應(yīng)用反饋：通過(guò)練習(xí)書(shū)寫(xiě)一些元素（如N、Cl、K、Fe等）原子的核外電子排布式，進(jìn)一步掌握構(gòu)造原理。 【方案Ⅱ】問(wèn)題解決學(xué)習(xí)原子基態(tài)、激發(fā)態(tài)與光譜 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景：利用錄像播放或計(jì)算機(jī)演示日常生活中的一些光現(xiàn)象，如霓虹燈光、激光、節(jié)日燃放的五彩繽紛的焰火等。 提出問(wèn)題：這些光現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的？ 問(wèn)題探究：指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書(shū)，引導(dǎo)學(xué)生從原子中電子能量變化的角度去認(rèn)識(shí)光產(chǎn)生的原因。 問(wèn)題解決：聯(lián)系原子的電子排布所遵循的構(gòu)造原理，理解原子基態(tài)、激發(fā)態(tài)與電子躍遷等概念，并利用這些概念解釋光譜產(chǎn)生的原因。 應(yīng)用反饋：舉例說(shuō)明光譜分析的應(yīng)用，如科學(xué)家們通過(guò)太陽(yáng)光譜的分析發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氦，化學(xué)研究中利用光譜分析檢測(cè)一些物質(zhì)的存在與含量，還可以讓學(xué)生在課后查閱光譜分析方法及應(yīng)用的有關(guān)資料以擴(kuò)展他們的知識(shí)面。 【方案Ⅲ】問(wèn)題探究學(xué)習(xí)電子云、原子軌道、泡利原理及洪特規(guī)則 提出問(wèn)題：組織學(xué)生從質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)范圍等方面對(duì)比核外電子運(yùn)動(dòng)和宏觀物體運(yùn)動(dòng)的區(qū)別，得出不能用描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)論，并提出問(wèn)題——如何描述電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)？ 問(wèn)題探究：（1）指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書(shū)的相關(guān)內(nèi)容，分析理解電子在原子核外空間出現(xiàn)概率的方式來(lái)描述電子的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)電腦動(dòng)畫(huà)演示電子云的形成過(guò)程、用模型直觀地展示原子軌道等手段認(rèn)識(shí)電子云和原子軌道的概念；（2）根據(jù)教科書(shū)中“科學(xué)探究”給出的第二周期基態(tài)原子的電子排布圖，組織學(xué)生討論電子在同一能級(jí)上排布的規(guī)律。 討論與交流：讓學(xué)生發(fā)表自己的見(jiàn)解，并相互交流補(bǔ)充。 總結(jié)評(píng)價(jià)：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)核外電子在同一能級(jí)上排布時(shí)所遵循的規(guī)律。（1）一個(gè)軌道上最多只能容納2個(gè)電子且自旋方向相反即泡利原理；（2）電子在同一能級(jí)上排布時(shí)，總是優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)不同的軌道而且自旋方向相同，即洪特規(guī)則。 應(yīng)用反饋：通過(guò)練習(xí)一些元素（如N、O、Mg、Si等）原子的電子排布圖，加深對(duì)泡利原理和洪特規(guī)則的理解。 二、活動(dòng)建議 【科學(xué)探究】 1. 每個(gè)原子軌道里最多只能容納2個(gè)電子。 2. 當(dāng)電子排布在同一能級(jí)時(shí)，總是優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)不同的軌道而且自旋方向相同。 教科書(shū)在此設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)探究，具有承上啟下的作用，一方面把剛介紹的原子軌道圖形用方框來(lái)代表，有了方框表示法就有了元素基態(tài)原子的電子排布的軌道表示式；通過(guò)探究第二周期元素基態(tài)原子的電子排布的軌道表示式，引出了泡利原理和洪特規(guī)則。在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)的過(guò)程中，要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察，既要觀察每種元素基態(tài)原子的電子排布圖，也要觀察整個(gè)第二周期元素基態(tài)原子的電子排布的特點(diǎn)。在全面觀察的基礎(chǔ)上，要注意引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并組織學(xué)生把發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行交流。 三、問(wèn)題交流 【學(xué)與問(wèn)】 1. 原子核外電子的每一個(gè)能層最多可容納的電子數(shù)為2n2。 2. 每個(gè)能層所具有的能級(jí)數(shù)等于能層的序數(shù)（n）。 3. 英文字母相同的不同能級(jí)中所容納的最多電子數(shù)相同。 【思考與交流】 1. 銅、銀、金的外圍電子排布不符合構(gòu)造原理。 2. 符號(hào)［Ne］表示Na的內(nèi)層電子排布與稀有氣體元素Ne的核外電子排布相同。 O：［He］2s22p4Si：［Ne］3s23p2Fe：［Ne］3s23p63d64s2或［Ar］3d64s2 四、習(xí)題參考答案 1. A、D 2. D 3. B 4. C 5. C 6. C是Mg的基態(tài)原子的電子排布式，而A、B、D都不是基態(tài)原子的電子排布。 第二節(jié) 原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì) 一、教學(xué)設(shè)計(jì) 本節(jié)內(nèi)容分為兩部分：第一部分在復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)及元素周期表相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，從原子核外電子排布的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合元素周期表進(jìn)一步探究元素在周期表中的位置與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第二部分在復(fù)習(xí)元素的核外電子排布、元素的主要化合價(jià)、元素的金屬性與非金屬性周期性變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從原子半徑、電離能以及電負(fù)性等方面探究元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律。教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意幫助學(xué)生根據(jù)元素原子核外電子排布特點(diǎn)，以及從原子半徑、電離能及電負(fù)性等方面加深對(duì)元素周期律、元素周期表及元素“位—構(gòu)—性”三者關(guān)系的理解。 教學(xué)重點(diǎn)： 1. 元素的原子結(jié)構(gòu)與元素周期表結(jié)構(gòu)的關(guān)系； 2. 電離能、電負(fù)性與元素性質(zhì)的關(guān)系； 3. 原子半徑、第一電離能、電負(fù)性的周期性變化。 教學(xué)難點(diǎn)： 1. 元素周期表的分區(qū)； 2. 電離能、電負(fù)性。 具體教學(xué)建議： 1. 可以以問(wèn)題思考的形式復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)、元素周期律和元素周期表的相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從元素原子核外電子排布特征的角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、理解原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中位置的關(guān)系。 2. 對(duì)于電離能和電負(fù)性概念的教學(xué)，應(yīng)突出電離能、電負(fù)性與元素性質(zhì)間的關(guān)系。在了解電離能概念和概念要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解元素電離能與元素性質(zhì)間的關(guān)系。通過(guò)教科書(shū)中圖1-21列舉的Li ~ Ne、Na ~ Ar第一電離能數(shù)值，討論元素的第一電離能與元素金屬性、非金屬性的關(guān)系。通過(guò)“學(xué)與問(wèn)”表格中所列的Na、Mg、Al的逐級(jí)電離能的數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生尋找其中的規(guī)律并分析：Na、Mg、Al的電離能為什么會(huì)逐漸增大？Na、Mg、Al的逐級(jí)電離能數(shù)據(jù)為什么會(huì)出現(xiàn)突變？這與它們的化合價(jià)有何關(guān)系？等等。從而加深學(xué)生對(duì)電離能與元素性質(zhì)關(guān)系的理解。 電負(fù)性概念的教學(xué)，可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教科書(shū)中圖123所列元素的電負(fù)性數(shù)據(jù)與元素性質(zhì)間規(guī)律的探究，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：金屬元素的電負(fù)性較小，非金屬元素的電負(fù)性較大；元素的電負(fù)性越小，元素的金屬性越強(qiáng)，元素的電負(fù)性越大，元素的非金屬性越強(qiáng)，電負(fù)性的大小可以作為判斷元素金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的尺度。 3. 可利用數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行教學(xué)，如利用教科書(shū)中圖120引導(dǎo)學(xué)生推出原子半徑的變化規(guī)律：同一周期元素從左到右，原子半徑逐漸減??；同一主族元素從上到下，原子半徑逐漸增大。利用教科書(shū)中圖121探索元素的第一電離能的變化規(guī)律。利用教科書(shū)中圖123探究電負(fù)性周期性變化的規(guī)律：同一周期的元素的電負(fù)性從左到右逐漸增大；同一主族的元素的電負(fù)性從上到下逐漸減小。 教學(xué)方案參考 【方案Ⅰ】問(wèn)題探究學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)與元素周期表的關(guān)系 回憶復(fù)習(xí)：（1）元素原子核外電子排布的周期性變化有什么特點(diǎn)？（2）元素周期表的結(jié)構(gòu)如何？（3）元素的原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中的位置有什么關(guān)系？ 提出問(wèn)題：元素原子的核外電子排布與元素周期表的關(guān)系是怎樣的？進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究原子結(jié)構(gòu)與元素周期表的關(guān)系。 討論與思考：結(jié)合上述問(wèn)題開(kāi)展課堂討論，復(fù)習(xí)相關(guān)的原子結(jié)構(gòu)與元素周期表知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從元素原子核外電子排布特征的角度進(jìn)一步思考原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中位置的關(guān)系。 問(wèn)題探究與討論：結(jié)合教科書(shū)中的“科學(xué)探究”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題探究，并在探究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論下列問(wèn)題：（1）為什么元素周期系中的周期不是單調(diào)的？試用構(gòu)造原理加以解釋；（2）將元素周期表分成s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)、f區(qū)和ds區(qū)的依據(jù)是什么？（3）元素周期表中的區(qū)與族存在著什么樣的關(guān)系？ 總結(jié)評(píng)價(jià)：在學(xué)生討論交流的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納出元素的外圍電子排布的特征與元素周期表結(jié)構(gòu)的關(guān)系；元素原子的核外電子排布與元素在周期表中的位置、元素性質(zhì)三者間的關(guān)系。 【方案Ⅱ】問(wèn)題解決學(xué)習(xí)原子半徑、電離能和電負(fù)性周期性變化的規(guī)律 回憶復(fù)習(xí)：隨著元素原子的核電荷數(shù)的遞增，核外電子排布、化合價(jià)、金屬性和非金屬性等發(fā)生周期性的變化。 提出問(wèn)題：元素的原子半徑、電離能、電負(fù)性等隨著元素原子的核電荷數(shù)的遞增是否也呈現(xiàn)周期性變化？ 問(wèn)題解決：（1）指導(dǎo)學(xué)生分析教科書(shū)中的圖120，找出主族元素原子半徑在同一周期、同一主族中的變化規(guī)律，并分析發(fā)生這種變化的原因； （2）指導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書(shū)相關(guān)內(nèi)容，了解電離能的概念，理解“氣態(tài)”“基態(tài)”“電中性”“失去一個(gè)電子”等要點(diǎn)。通過(guò)教科書(shū)中圖1-21列舉的Li ~ Ne、Na ~ Ar第一電離能數(shù)值，找出元素的第一電離能與元素金屬性、非金屬性的關(guān)系，以及元素第一電離能發(fā)生周期性變化的規(guī)律；（3）根據(jù)教科書(shū)中的圖1-23，找出元素電負(fù)性發(fā)生周期性變化的規(guī)律，以及元素的電負(fù)性與元素性質(zhì)間的關(guān)系。 討 論與交流：通過(guò)上述解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)活動(dòng)后，組織學(xué)生參與課堂討論與交流互補(bǔ)，得出規(guī)律或結(jié)論。 總結(jié)評(píng)價(jià)：在分析討論的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)原子半徑、第一電離能、電負(fù)性發(fā)生周期性變化的規(guī)律；總結(jié)利用數(shù)據(jù)和圖表探索規(guī)律的思想方法。 二、活動(dòng)建議 【科學(xué)探究1】 1. 元素周期表共有7個(gè)周期，每個(gè)周期包括的元素?cái)?shù)目分別為：第一周期2種；第二周期8種；第三周期8種；第四周期18種；第五周期18種；第六周期32種；第七周期為不完全周期。每個(gè)周期開(kāi)頭第一個(gè)元素的最外層電子的排布通式為ns1，結(jié)尾元素的最外層電子的排布通式為ns2np6。因?yàn)榈谝恢芷谠刂挥幸粋€(gè)1s能級(jí)，其結(jié)尾元素的電子排布式為1s2，跟其他周期的結(jié)尾元素的電子排布式不同。 2. 元素周期表共有18個(gè)縱列；每個(gè)縱列的價(jià)電子層的電子總數(shù)相等。 3. s區(qū)有2個(gè)縱列，d區(qū)有8個(gè)縱列，p區(qū)有6個(gè)縱列；從元素的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)可以看出，s區(qū)、d區(qū)和ds區(qū)的元素在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)容易失去最外層電子及倒數(shù)第二層的d電子，呈現(xiàn)金屬性，所以s區(qū)、d區(qū)和ds區(qū)的元素都是金屬。 4. 元素周期表可分為主族、副族和0族；從教科書(shū)中圖1-16可知，副族元素（包括d區(qū)和ds區(qū)的元素）介于s區(qū)元素（主要是金屬元素）和p區(qū)（主要是非金屬元素）之間，處于由金屬元素向非金屬元素過(guò)渡的區(qū)域，因此，把副族元素又稱為過(guò)渡元素。 5. 這是由元素的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)和元素周期表中元素性質(zhì)遞變規(guī)律決定的，在元素周期表中，同周期元素從左到右非金屬性逐漸增強(qiáng)，金屬性逐漸減弱，同主族元素從上到下非金屬性逐漸減弱，金屬性逐漸增強(qiáng)，結(jié)果使元素周期表右上角三角區(qū)域內(nèi)的元素主要呈現(xiàn)出非金屬性。 6. 由于元素的金屬性和非金屬性之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界線，處于非金屬三角區(qū)邊緣的元素既能表現(xiàn)出一定的非金屬性，又能表現(xiàn)出一定的金屬性，因此，這些元素常被稱為半金屬或準(zhǔn)金屬。 【科學(xué)探究2】 1. （略） 2. 鋰和鎂在過(guò)量的氧氣中燃燒，不形成過(guò)氧化物，只生成正常氧化物；鈹和鋁的氫氧化物都是兩性氫氧化物；硼和硅的含氧酸酸性的強(qiáng)度很接近，都是弱酸。教科書(shū)上幾對(duì)處于對(duì)角的元素在性質(zhì)上相似，可以粗略認(rèn)為它們的電負(fù)性相近的緣故。 三、問(wèn)題交流 【學(xué)與問(wèn)1】 同周期的主族元素從左到右，元素最高化合價(jià)和最低化合價(jià)逐漸升高；金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。 【學(xué)與問(wèn)2】 同周期主族元素從左到右，原子半徑逐漸減小。其主要原因是由于核電荷數(shù)的增加使核對(duì)電子的引力增加而帶來(lái)原子半徑減小的趨勢(shì)大于增加電子后電子間斥力增大帶來(lái)原子半徑增大的趨勢(shì)。 同主族元素從上到下，原子半徑逐漸增大。其主要原因是由于電子能層增加，電子間的斥力使原子的半徑增大。 【學(xué)與問(wèn)3】 1. 第一電離能越小，越易失電子，金屬的活潑性就越強(qiáng)。因此堿金屬元素的第一電離能越小，金屬的活潑性就越強(qiáng)。 2. 氣態(tài)電中性基態(tài)原子失去一個(gè)電子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)正離子所需要的最低能量叫做第一電離能（用I1表示），從一價(jià)氣態(tài)基態(tài)正離子中再失去一個(gè)電子所需消耗的能量叫做第二電離能（用I2表示），依次類推，可得到I3、I4……同一種元素的逐級(jí)電離能的大小關(guān)系：I1Na>Mg （4）H2O 2H2O+2Na ＝2NaOH+H2↑> （5）NaBr （6）18 6CO2和SO2。 7X在第二周期ⅥA族，Y在第三周期ⅥA族；SO2和SO3。 *8（略）*9（略）*10（略 教學(xué)資源1 1. 原子概念和原子結(jié)構(gòu)模型的演變 人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)史可以大致劃分為5個(gè)階段：（1）古代原子論；（2）道爾頓原子論；（3）湯姆生原子模型和盧瑟福原子模型；（4）波爾原子模型；（5）原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型。 （1）古代原子論 古希臘原子論有以下5個(gè)要點(diǎn)： ①所有物體都是由原子構(gòu)成的。原子極小，看不到，不能繼續(xù)被分割成更小的組成部分。 ②原子之間是虛空。古希臘原子論者的“虛空”就是“真空”。 ③原子完完全全是實(shí)實(shí)在在的固體。換句話說(shuō)，原子內(nèi)部不再有虛空。 ④原子是均一的，或者說(shuō)，是沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。 ⑤原子是不同的。即大小不同，形狀不同，重量（質(zhì)量）不同。 （2）道爾頓原子論 1805年道爾頓明確地提出了他的原子論，這個(gè)理論的要點(diǎn)有：每一種元素有一種原子（他稱其為“簡(jiǎn)單原子”）；同種原子質(zhì)量相同，不同種原子質(zhì)量不同；原子不可再分；一種原子不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子；化學(xué)反應(yīng)只是改變了原子的結(jié)合方式，使反應(yīng)前的物質(zhì)變成反應(yīng)后的物質(zhì)。道爾頓還創(chuàng)立了相對(duì)原子質(zhì)量的概念，認(rèn)為相對(duì)原子質(zhì)量是一種原子不同于另一種原子的本質(zhì)特征。正是道爾頓的原子的概念明確地與化學(xué)元素掛起鉤來(lái)，道爾頓的原子論可稱為“化學(xué)原子論”。道爾頓建立的化學(xué)原子論揭示了物質(zhì)的組成和化學(xué)變化的本質(zhì)，確立了化學(xué)組成和變化的定量基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了化學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展。圖1-1是道爾頓用來(lái)表示原子的符號(hào)，是最早的元素符號(hào)。 (某些化合物的錯(cuò)誤組成是由于錯(cuò)誤的相對(duì)原子質(zhì)量導(dǎo)致的） 圖1-1道爾頓的（簡(jiǎn)單）原子和復(fù)合原子（分子） （3）湯姆生原子模型和盧瑟福原子模型 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)原子中存在電子以后，又于1904年提出了一種原子模型，認(rèn)為原子是一個(gè)平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了正電荷，從而形成了中性原子。 1911年盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了“行星系式”原子模型：“在原子的中心有一個(gè)帶正電荷的核，它的質(zhì)量幾乎等于原子的全部質(zhì)量，電子在它的周圍沿著不同的軌道運(yùn)動(dòng)，就像行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。電子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力和原子核對(duì)電子的吸引力達(dá)到平衡，因此電子能夠與原子核保持一定的距離，正像行星和太陽(yáng)保持一定的距離一樣。原子越重，正電荷也就越大，電子數(shù)也越多?！? （4）波爾原子模型 盧瑟福的原子帶核模型中沒(méi)有原子核外電子的結(jié)構(gòu)。1913年, 年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在總結(jié)當(dāng)時(shí)最新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)（普朗克黑體輻射和量子概念、愛(ài)因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等）的基礎(chǔ)上建立了氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)模型, 解釋了氫原子光譜，后人稱為玻爾理論，該理論的主要內(nèi)容包括“行星模型”“定態(tài)假設(shè)”“量子化條件”“躍遷規(guī)則”等內(nèi)容。波爾原子模型認(rèn)為：電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運(yùn)動(dòng)。 （5）原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子力學(xué)模型 由于原子結(jié)構(gòu)（核外電子運(yùn)動(dòng)）的量子學(xué)模型難度較大，在此不作專門(mén)討論。 2. 原子的起源和演化 （1）宇宙之初 現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為現(xiàn)今的宇宙起源于一次“大爆炸”。構(gòu)成現(xiàn)今宇宙的所有物質(zhì)在爆炸前聚集在一個(gè)密度極大、溫度極高的原始核中。由于某種未明原因，宇宙的原始核發(fā)生了大爆炸，宇宙物質(zhì)均勻地分布到整個(gè)宇宙空間。一開(kāi)始，宇宙中只有中子，中子的半衰期是67830 s。一個(gè)中子發(fā)生衰變將同時(shí)得到一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子： n → p + e- + t1/2=11.3 min 這就是說(shuō)，大爆炸后的第11 min左右，整個(gè)宇宙充滿著幾乎等量的中子（n）、質(zhì)子（p）和電子（e-），還有反中微子（）（注：按照現(xiàn)代粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，物質(zhì)由12種基本粒子構(gòu)成，它們是：6種夸克（下夸克、上夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克）和6種輕子（電子、電子中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子）。2000年7月21日，在美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的國(guó)際小組用3年時(shí)間從600多萬(wàn)個(gè)粒子的軌跡中鑒定出4個(gè)粒子是τ中微子，12種基本粒子的存在已全部被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此外，還有一種存在暗物質(zhì)的理論，但至今尚無(wú)任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)暗物質(zhì)的存在。）。這時(shí)的溫度在500106 K左右。約經(jīng)歷10個(gè)中子半衰期，即2 h后，宇宙中的絕大部分物質(zhì)便是氫原子了，盡管其間也合成了相當(dāng)數(shù)量的氦原子。其后，氫原子和氦原子凝集成星團(tuán)，其他原子之生從此開(kāi)始。由現(xiàn)今觀察到的宇宙直徑可以推算出來(lái)，宇宙的年齡至今約140億年了。氫仍然是宇宙中最豐富的元素，約占所有原子總數(shù)的88.6%，氦的豐度則約為氫的豐度的1/8，它們加在一起占宇宙原子總數(shù)的99.7%以上。上述宇宙大爆炸理論描述的元素誕生的情景使人回想起，早在1815年普魯特（W.Prout）就曾經(jīng)預(yù)言過(guò)所有元素之母是氫，盡管他的預(yù)言因根據(jù)不足，100多年來(lái)一直遭人嘲笑。 （2）氫燃燒 宇宙大爆炸形成的氫和氦冷凝成星團(tuán)，由于自身的引力收縮作用釋放熱能，溫度穩(wěn)步上升到約107 K，引發(fā)了稱之為“氫燃燒”的核反應(yīng)： 1H + 1H → 2H + e+ + μe （e+ － 正電子，μe — 中微子） 2H + 1H → 3H + γ （γ— 高能量光子） 3H + 3He →4He + 21H 這三個(gè)反應(yīng)的半衰期差別很大。以太陽(yáng)為例，第一個(gè)反應(yīng)的半衰期為1.41010 a，第二個(gè)反應(yīng)短得只有0.6 s，第三個(gè)反應(yīng)則為106 a。于是總的結(jié)果是： 4 1H → 4He + 2e+ + 2νe 由于氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹さ馁|(zhì)量虧損，則會(huì)釋放出巨大的能量。如果一個(gè)恒星的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)，每秒有600109 kg的氫經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)?95.5109 kg氦，則有虧損的4.5106 kg質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，以光和熱的形式釋放。 （3）氦燃燒 氫燃燒使近10%的氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹r(shí)，若恒星的質(zhì)量足夠大，由于引力收縮，溫度繼續(xù)升高，發(fā)生“氦燃燒”得到12C： 反應(yīng)得到的12C導(dǎo)致誕生16O、20Ne、24Mg等原子的新的氦燃燒反應(yīng)： （4）碳燃燒 由氦燃燒得到的足夠大的紅巨星的密度若達(dá)到104 g/cm3，會(huì)發(fā)生如下的“碳燃燒”： 12C + 12C → 24Mg + γ 12C + 12C → 23Na +1H 12C + 12C → 20Ne +4He 碳燃燒得到的元素的質(zhì)量數(shù)為20左右，但還有氫和氦生成，為繼續(xù)生成新元素成為可能。 （5）α過(guò)程 質(zhì)量大于1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的紅巨星在碳燃燒后再次收縮使溫度上升到109 K左右，引發(fā)了一個(gè)吸收γ射線而放出α粒子的核反應(yīng)：20Ne(γ,α)16O，這是一個(gè)吸熱反應(yīng)（括號(hào)前是反應(yīng)物，括號(hào)后是生成物，括號(hào)里逗號(hào)前的是反應(yīng)吸收的粒子，逗號(hào)后是反應(yīng)放出的粒子）。反應(yīng)放出的氦核（即α粒子）熔入12C核產(chǎn)生更多的16O，熔入20Ne核產(chǎn)生更多的24Mg，熔入24Mg核產(chǎn)生28Si，熔入28Si產(chǎn)生32S，熔入32S核產(chǎn)生36Ar，最后，反應(yīng)停止再生成40Ca。這個(gè)過(guò)程稱為α過(guò)程。在α過(guò)程中還發(fā)生其他核反應(yīng)得到鈦、鈧等元素。發(fā)生α過(guò)程后，紅巨星演變成白矮星。 （6）e過(guò)程 對(duì)于質(zhì)量處于1.4~3.5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，氫燃燒的同時(shí)會(huì)發(fā)生氦燃燒，發(fā)生猛烈的爆炸，向星際噴發(fā)大量物質(zhì)，稱為“超新星爆發(fā)”。幾秒鐘或幾分鐘之內(nèi)溫度升至3109 K以上，導(dǎo)致許多新的核反應(yīng)，產(chǎn)生從鈦到銅各種原子，其中56Fe的豐度最大。這個(gè)過(guò)程叫做e過(guò)程。 （7）重元素的誕生 更重的原子的誕生被認(rèn)為是在紅巨星中發(fā)生“中子俘獲”和“質(zhì)子俘獲”的結(jié)果。中子俘獲不僅誕生了質(zhì)量數(shù)Ar=63~209的核素，還得到更多的質(zhì)量數(shù)Ar=23~46的核素。質(zhì)子俘獲過(guò)程誕生了36種核素，從最輕的74Se到最重的196Hg。壽命最長(zhǎng)的重核素如232Th(t1/2=1.41010a)、238U(t1/2=4.5109a)和235U(t1/2=7.0108a)的半衰期很長(zhǎng)，釷的半衰期甚至與宇宙年齡（約1.81010a）相仿，因此，對(duì)于太陽(yáng)系而言，它們肯定誕生在太陽(yáng)系之前，因?yàn)樘?yáng)系的年齡為4.6109~5.0109 a。 最后需要指出，太陽(yáng)的質(zhì)量不大，是一個(gè)年輕的恒星，尚未發(fā)生氦燃燒，不可能合成比氦重的原子，因此，太陽(yáng)以及太陽(yáng)系各星體，包括地球的組成中的所有比氦重的原子都是在形成太陽(yáng)系時(shí)從其他星體的噴發(fā)物質(zhì)中俘獲的。太陽(yáng)中重元素的存在，特別是碳和氮的存在卻大大催化了太陽(yáng)的氫燃燒。這種催化反應(yīng)被稱為C-N循環(huán)。 （8）宇宙大爆炸理論的是非 有3個(gè)觀察事實(shí)支撐了宇宙大爆炸理論。它們是：整個(gè)宇宙的元素豐度、宇宙的背景輻射以及恒星光譜的紅移現(xiàn)象。早在1925—1928年人們就用光譜技術(shù)得出了宇宙元素豐度。大爆炸理論很好地解釋了元素豐度分布位于氫氦、碳氮氧、鐵等處的峰值的存在。1965年探測(cè)到，整個(gè)星際空間的溫度不是0 K而是2.7 K，相當(dāng)于存在一個(gè)各向同性的黑體熱輻射，稱為宇宙的背景輻射。大爆炸理論認(rèn)為這是大爆炸的殘余。早在1842年奧地利科學(xué)家多普勒（C. J.Doppler 1803—1853）就發(fā)現(xiàn)，聲波的波長(zhǎng)會(huì)因物體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)自星體的光的波長(zhǎng)都長(zhǎng)于地球上同一種元素的光譜數(shù)據(jù)，稱為“紅移”。大爆炸理論用星體因大爆炸后的膨脹而背離我們運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋紅移。迄今為止，除了大爆炸理論，尚沒(méi)有另一種理論能夠這樣全面解釋這3個(gè)基本觀察事實(shí)。 大爆炸理論是不是宇宙起源的終極理論？還有沒(méi)有可能創(chuàng)造一種完全不同的理論來(lái)否定宇宙大爆炸理論，正像達(dá)爾文進(jìn)化論否定了神創(chuàng)論一樣？這還不能定論。還有，即使認(rèn)為宇宙大爆炸是客觀事實(shí)，至今人們?nèi)噪y以就涉及宇宙年齡、宇宙大小和宇宙膨脹速度3個(gè)宇宙學(xué)基本數(shù)據(jù)相關(guān)的所謂“哈勃常數(shù)”的取值達(dá)成一致意見(jiàn)，因?yàn)楂@得它的主要依據(jù)是來(lái)自遠(yuǎn)離地球的星體的光譜強(qiáng)度，而人們無(wú)法知道某一強(qiáng)度的光究竟是因?yàn)樾求w離地球的遠(yuǎn)近還是星體發(fā)光的強(qiáng)弱所致，也難以確切估計(jì)它達(dá)到地球之前被吸收了多少。我們相信，隨著新事實(shí)的發(fā)現(xiàn)，如黑洞、暗物質(zhì)或反物質(zhì)、反引力等，在21世紀(jì)十分有可能產(chǎn)生一種新的宇宙學(xué)，當(dāng)然也十分可能只是修正大爆炸理論。不過(guò)，即使大爆炸理論被推翻，我們?cè)诖擞懻摰降囊约吧形瓷婕暗闹T多從氫燃燒開(kāi)始的元素誕生理論似乎不會(huì)受到根本的影響。 （摘編自北京師范大學(xué)等編《無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)第四版）》，高等教育出版社，2002年版） 3. 對(duì)構(gòu)造原理的一些說(shuō)明 （1）能量最低原理 構(gòu)造原理是元素隨原子序數(shù)的遞增，絕大多數(shù)基態(tài)原子的核外電子的排布規(guī)律。在教科書(shū)中，我們是用一張圖來(lái)表述這個(gè)規(guī)律的。構(gòu)造原理的提出是在量子力學(xué)建立以前，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，是可以通過(guò)原子光譜確定的。在教科書(shū)中，只要求學(xué)生把這個(gè)原理作為一個(gè)事實(shí)知道這個(gè)原理，沒(méi)有要求對(duì)它作任何解釋。 首先應(yīng)當(dāng)指出，在許多其他教科書(shū)中，把對(duì)構(gòu)造原理的解釋，如“能級(jí)交錯(cuò)”“屏蔽效應(yīng)”“鉆穿效應(yīng)”等寫(xiě)在構(gòu)造原理之前，把它們作為構(gòu)造原理提出的依據(jù)。我們認(rèn)為這種觀念是值得商榷的，并認(rèn)為“能級(jí)交錯(cuò)”“屏蔽效應(yīng)”“鉆穿效應(yīng)”等，只是對(duì)構(gòu)造原理的解釋而已，構(gòu)造原理并不是這些解釋的邏輯結(jié)果。 其次應(yīng)該指出，多電子原子的電子排布，是以一系列假設(shè)和近似為基礎(chǔ)的，如當(dāng)描述該體系的一個(gè)電子時(shí)，不描述其他電子，而將其他電子對(duì)該電子的排斥集中到原子核上，得到所謂“單電子函數(shù)”，或稱“獨(dú)立子”，這種近似稱為中心力場(chǎng)近似。只有作這種近似，才使描述多電子原子體系中的電子成為可能，才可借用氫原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即1s，2s，2p……來(lái)描述它們；這時(shí)，電子的能量被稱為“軌道能”，而每一個(gè)電子的軌道能多大，不僅跟原子核電荷多少有關(guān)，而且還與核外存在幾個(gè)電子以及這些電子處于什么狀態(tài)（1s，2s，2p……）有關(guān)。例如，F(xiàn)e和Fe2+，核電荷數(shù)都是26，然而，對(duì)于核外有26個(gè)電子的Fe，按［Ar］3d64s2排布得到的軌道能的總和小于按［Ar］3d8排布的軌道能總和，因而基態(tài)Fe的電子排布是前者而不是后者；而對(duì)于核外只有24個(gè)電子的Fe2+，按［Ar］3d6排布的軌道能總和比按［Ar］3d44s2排布的軌道能總和小，因而基態(tài)Fe2+的電子排布是前者而不是后者。換句話說(shuō)，4s軌道和3d軌道的能量哪個(gè)低，不是一成不變的，而是隨核電荷數(shù)、電子數(shù)、電子所處的狀態(tài)3個(gè)因素相關(guān)的，是動(dòng)態(tài)可變的。因此，在教科書(shū)中，能量最低原理的表述是“整個(gè)原子處于能量最低的狀態(tài)”，而不是說(shuō)電子填充到能量最低的軌道中去。 （2）能級(jí)交錯(cuò) 在以上討論中，我們并沒(méi)有提到“能級(jí)交錯(cuò)”。其實(shí)，對(duì)于多電子原子，本來(lái)就只有軌道能而無(wú)所謂“能層”，說(shuō)“能層”只是跟氫原子對(duì)比的形象化說(shuō)法所作的近似，因而鮑林（L.Pauling）稱其為“近似能級(jí)”（即能層）。在只有1個(gè)電子的氫原子中，主量子數(shù)相同的各能級(jí)中的電子的能量是相同的，如4s，4p，4d，4f的能量是相等的，然而在多電子原子中，由于處于不同能級(jí)的電子受到其他電子的相互作用（排斥力不同），導(dǎo)致同一能層不同能級(jí)的電子的能量不同，即對(duì)于多電子原子來(lái)說(shuō)，由于原子中各電子之間的相互作用，當(dāng)電子處在不同狀態(tài)時(shí)，其能量不僅與主量子數(shù)n有關(guān)，而且還與角量子數(shù)l有關(guān)。例如，在主量子數(shù)n相同時(shí)，l的數(shù)值越大，其電子的能量越高。也就是說(shuō)在同一能層中，s電子的能量低于p電子，p電子低于d電子，d電子低于f電子的能量： E4s ＜E4p＜E4d ＜E4f l取值：0 1 2 3 是由元素的精細(xì)光譜實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，一般地說(shuō)，電子的能量完全取決于主量子數(shù)n和角量子數(shù)l，如果n、l的數(shù)值相同，則電子的能量就相同，由不同的n和l組成的各分層，如2s，3p，4d……其能量必然不同，從能量的角度看，這些分層也常稱為能級(jí)。 鮑林根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出了多電子原子中原子軌道的近似能級(jí)圖。應(yīng)當(dāng)指出的是，鮑林近似能級(jí)圖中的能級(jí)順序只是指價(jià)電子層中填入電子時(shí)各能級(jí)能量的相對(duì)高低，正如前面已經(jīng)指出的，當(dāng)電子填入原子軌道后，電子的能量會(huì)發(fā)生變化，各電子的軌道能不再維持鮑林的近似能級(jí)圖順序。 對(duì)于n和l值都不同的原子軌道的能級(jí)能量高低，我國(guó)化學(xué)家徐光憲歸納出這樣的規(guī)律，即用該軌道的（n+0.7l）值來(lái)判斷，（n+0.7l）值越小，能級(jí)的能量越低。如4s和3d兩個(gè)能級(jí)，它們的（n+0.7l）值分別為（4+0.70）=4.0和（3+0.72）=4.4，因此E4s＜E3d，這種現(xiàn)象稱為能級(jí)交錯(cuò)。 （3）屏蔽效應(yīng) 在多電子原子中，一個(gè)電子不僅受到原子核的引力，還要受到其他電子的排斥力。如鋰原子核帶有三個(gè)正電荷，核外有三個(gè)電子，第一層有兩個(gè)電子，第二層有一個(gè)電子，對(duì)于第二層的這一個(gè)電子來(lái)說(shuō)，除了受核對(duì)它的吸引力以外，還受到第一層兩個(gè)電子對(duì)它的排斥力的作用，這種排斥力實(shí)際上相當(dāng)于減弱了原子核對(duì)外層電子的吸引力，相當(dāng)于使核的有效電荷數(shù)減少。我們把由于其他電子對(duì)某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，使有效核電荷降低，消弱了核電荷對(duì)該電子的吸引，這種作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。 屏蔽效應(yīng)與原子內(nèi)電子的多少和電子所處的軌道有關(guān)，內(nèi)層電子對(duì)外層電子的屏蔽作用較大，電子越靠近原子核，它對(duì)外層電子屏蔽作用越大，同層電子屏蔽作用較小，外層電子對(duì)內(nèi)層電子幾乎沒(méi)有屏蔽作用。 （4）鉆穿效應(yīng) 由電子云徑向分布圖可以看出，n值較大的電子在離核較遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率大，但在離核較近的區(qū)域也有概率較小的峰出現(xiàn)，這種外層電子鉆到內(nèi)層空間而靠近原子核的現(xiàn)象稱為鉆穿效應(yīng)。鉆穿效應(yīng)主要表現(xiàn)在鉆入內(nèi)層的小峰上，峰的數(shù)目越多，鉆穿效應(yīng)越大。電子的鉆穿效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)是相互聯(lián)系的，某電子的鉆穿效應(yīng)越強(qiáng)，其被屏蔽的可能性就越小。鉆穿效應(yīng)可以用來(lái)解釋能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。 4. 有關(guān)電子云的一些問(wèn)答 （1）電子云圖中的小點(diǎn)的總數(shù)可多可少嗎？ 電子云圖中的小點(diǎn)的總數(shù)是可多可少的。這要看你“記錄”的電子在核外空間出現(xiàn)的次數(shù)。通俗地講，每個(gè)小點(diǎn)相當(dāng)于一次記錄。如果電子云圖里有500個(gè)小點(diǎn)，就相當(dāng)于記錄了500次;如果有10 000個(gè)點(diǎn)，就相當(dāng)于記錄了10 000次。記錄的次數(shù)越多，小點(diǎn)就越多。 （2）如何制作電子云圖？ 用計(jì)算機(jī)程序可以制作電子云圖。如果在上課時(shí)能夠直接上網(wǎng)，可打開(kāi)如下網(wǎng)站：http://www.phy.davidson.edu/StuHome/cabell_f/Density.html，在該網(wǎng)頁(yè)的電子概率密度applet程序上直接輸入主量子數(shù)（n）、角量子數(shù)(l)和磁量子數(shù)（m），可快速地得到不同狀態(tài)的電子云的圖像。該程序得到的圖像還分為單色（實(shí)為Ψ2即ρ的圖像）和彩色（實(shí)為Ψ的圖像），該網(wǎng)站還有徑向函數(shù)的曲線可供教師參考（建議不要在教學(xué)中討論）。 圖1－2概率與概率密度 （3）為什么說(shuō)電子云圖是電子的概率密度分布圖而不是概率分布圖？ 首先，我們需要理解概率的概念。無(wú)論電子云圖里有多少個(gè)點(diǎn)，我們都必須設(shè)定這張圖的總概率P=1（即100%）。如圖1-2中共有500個(gè)點(diǎn)，在圖的左上角的方框內(nèi)有18個(gè)點(diǎn)，我們就可以說(shuō)，在這個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域里找到電子的概率為P=18/500=0.036；同樣，在圖的左上角的橢球形區(qū)域內(nèi)找到電子的概率為P=5/500=0.01。 其次，我們來(lái)討論概率密度。概率密度等于概率除以體積，用希臘小寫(xiě)字母ρ（讀音“ru”）為符號(hào)，概率與概率密度的關(guān)系式是：ρ=P/V。設(shè)圖中的某體積為V的區(qū)域（就說(shuō)是左上角的橢球內(nèi)吧）的概率密度為ρ=P/V。如果我們?cè)僭O(shè)這個(gè)橢球區(qū)域里小點(diǎn)的分布是完全均勻的，接著我們僅考察半個(gè)橢球的概率密度，我們得到它的概率密度為ρ=(P/2)/(V/2)，結(jié)果仍為P/V！如果我們?nèi)∵@個(gè)橢球里更小的區(qū)域，假設(shè)在這個(gè)區(qū)域里電子的概率分布（即小點(diǎn)的分布）仍是均勻的，結(jié)果概率密度還等于ρ=P/V！把所取的區(qū)域劃定得更小，等于小點(diǎn)的體積（只要這個(gè)體積不等于零就行），這個(gè)微小的區(qū)域內(nèi)的概率密度仍等于ρ=P/V！由此可見(jiàn)，電子云圖中的每個(gè)點(diǎn)都代表了電子在一個(gè)微小區(qū)域里出現(xiàn)的概率密度，而電子云圖給出了這些小點(diǎn)在空間里的分布，小點(diǎn)越密處，電子的概率密度越大，因此，電子云圖是電子的概率密度分布圖！ 教學(xué)資源2 5. 長(zhǎng)式周期表中主副族的劃分 近年來(lái)，長(zhǎng)式周期表為許多國(guó)家所采用。但是在這種周期表中關(guān)于主族和副族的劃分方法，曾引起過(guò)爭(zhēng)議。1923年，戴明（Deming）把包含典型元素的族定為主族，在族序數(shù)后標(biāo)以符號(hào)A，把過(guò)渡元素的各族定為副族，在族序數(shù)后標(biāo)以符號(hào)B。我國(guó)基本上采用Deming的劃分法，只是把稀有氣體定為0族，而且對(duì)它和第Ⅷ族均不劃分主、副族，不標(biāo)A、B符號(hào)。另一種劃分法是把堿金屬、堿土金屬和除銅族、鋅族外的過(guò)渡元素均定為主族，標(biāo)以符號(hào)A，把銅族、鋅族以及其后的各族均定為副族，標(biāo)以符號(hào)B。1970年國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）支持這種劃分法。由于在長(zhǎng)式周期表中主、副族的劃分方式不一致，在學(xué)術(shù)界引起了混亂。因此，在1989年國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)建議不再劃分主、副族，把長(zhǎng)式周期表的各族自左至右統(tǒng)一編號(hào)為1~18列?，F(xiàn)在許多國(guó)家已經(jīng)采用了這種表述形式。長(zhǎng)式周期表主副族元素劃分方式的演變見(jiàn)表1－1。 在長(zhǎng)式周期表中氫的位置也有一個(gè)演變過(guò)程。從前把氫放在長(zhǎng)式周期表的上中部，以兩條線分別跟堿金屬和鹵素相連，表示氫既跟堿金屬相似，又跟鹵素相似。另一些周期表把氫放在堿金屬或者鹵素的頂部，個(gè)別的還在堿金屬和鹵素的頂部都標(biāo)上氫。1989年，國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)推薦的18列周期表中，把氫列在堿金屬的頂部，這跟近年來(lái)研究金屬氫取得進(jìn)展及制得Na-（相當(dāng)于H-）化合物、發(fā)現(xiàn)鋰鍵（相當(dāng)于氫鍵）等有關(guān)。 表1-1長(zhǎng)式周期表主副族劃分方式的演變 6. 元素周期系的遠(yuǎn)景 元素的存在，是與原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是與原子核的穩(wěn)定性有關(guān)。人們發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)大于83（鉍之后）的元素，都是放射性元素，而原子序數(shù)在92之后（超鈾元素）的元素，全部是用人工方法合成的元素（Np、Pu在自然界中也有，但含量極微）。目前已公認(rèn)了112號(hào)元素的合成方法。人們要問(wèn)：新的人工合成的元素究竟還可以合成多少種？ 物理學(xué)家根據(jù)原子核結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，認(rèn)為周期系最后可能出現(xiàn)的是原子序數(shù)為175的元素。人工合成的元素，將會(huì)完成第七周期（零族元素的原子序數(shù)應(yīng)為118），并進(jìn)入第八周期，甚至第九周期。在未來(lái)的第八、九周期中，原子中的電子依次填充新的能級(jí)——5g能級(jí)和6g能級(jí)。依照已有的規(guī)律，可以推知g能級(jí)最多能容納18個(gè)電子。 能級(jí)：spdf g 電子數(shù)：2 6 10 14 18 由此可以預(yù)見(jiàn)，第八、九周期都將有50種元素，是超長(zhǎng)周期。在這兩個(gè)周期里，將有“超錒系”和“新超錒系”的5g~6f和6g~7f內(nèi)過(guò)渡系（各為32種元素）。 7. 不同歷史階段的元素周期表 （1）拉瓦錫在1778年出版的《化學(xué)大綱》中，對(duì)33種化學(xué)元素的分類 ①氣體元素：氧、氮、氫、光、熱； ②金屬元素：銀、錫、銅、砷、銻、鉍、鎳、金、鈷、鐵、鉬、鎢、錳、鉑、鉛、鋅、汞； ③非金屬元素：硫、磷、碳、鹽酸基、氟酸基、硼酸基； ④能成鹽的土質(zhì)元素：石灰、鎂土、鋇土、鋁土、硅土。 由于拉瓦錫（A.L.Lavoisier）受時(shí)代的限制，把一些不是元素的東西都當(dāng)成元素；同時(shí)又把元素分為“土質(zhì)元素”，這顯然含有亞里士多德（Aristotle）水、火、土、氣“四素說(shuō)”的思想痕跡。 （2）1829年，德國(guó)化學(xué)家德貝萊納（D.beriner）的“三元素組” ①鋰、鈉、鉀；②鈣、鍶、鋇；③氯、溴、碘；④硫、硒、碲；⑤磷、砷、銻。 （3）門(mén)捷列夫（Д.И.Менделеев）的第一個(gè)元素周期表（1869年） (4)德國(guó)化學(xué)家邁爾的化學(xué)元素周期系（1869年10月作，1870年發(fā)表） （5）門(mén)捷列夫化學(xué)元素周期表（1871年12月） 7由山西省實(shí)驗(yàn)中學(xué)楊瑞光、駱小三、耿錄蓮提供） （資料 8. 形形色色的元素周期表 圖1-3形形色色的元素周期表 9. 原子半徑 原子半徑，似乎應(yīng)該是原子核到最外電子層的距離，但事實(shí)上，單個(gè)原子的半徑是無(wú)法測(cè)定的。原子總是以單質(zhì)或化合物的形式存在。而在單質(zhì)或化合物中，原子間總是以化學(xué)鍵結(jié)合的（稀有氣體除外），因此原子半徑就跟原子間以哪種鍵結(jié)合有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，原子半徑是指共價(jià)半徑或金屬半徑。 共價(jià)半徑：如單質(zhì)分子中的2個(gè)原子以共價(jià)單鍵結(jié)合時(shí)，它們核間距離的一半叫做該原子的共價(jià)半徑。 金屬半徑：金屬晶格中金屬原子的核間距離的一半叫做原子的金屬半徑。原子的金屬半徑一般比它的單鍵共價(jià)半徑大10%~15%。 范氏（范德華）半徑：非金屬元素還有另一種半徑，叫范氏半徑。如圖1-4所示，表示了氯原子的共價(jià)半徑和范氏半徑。 圖1-4氯原子的共價(jià)半徑與范氏半徑 對(duì)非金屬元素，r范>r共，從圖1-4可以清楚地看出這一關(guān)系。圖1-4表示出2個(gè)Cl2，在同一個(gè)Cl2里，2個(gè)Cl核間距的一半BF是共價(jià)半徑（r共）；在不同的2個(gè)Cl2間，2個(gè)Cl的核間距的一半CE是范氏半徑（r范）。顯而易見(jiàn)，r范>r共。 稀有氣體在極低的溫度下形成單原子分子的分子晶體。在這種晶體里，2個(gè)原子核的核間距的一半，就是稀有氣體原子的范氏半徑。表1-2列出了非金屬元素和稀有氣體的范氏半徑。 表1-2非金屬元素和稀有氣體的范氏半徑（r范/nm） 從表1-2可以看出，r范也有一定的規(guī)律性。在同一周期中，從左到右逐漸減??；在同一族中，從上到下逐漸增大。 在一般的資料里，金屬元素有金屬半徑和共價(jià)半徑的數(shù)據(jù)，非金屬元素則有共價(jià)半徑和范氏半徑的數(shù)據(jù)，稀有氣體只有范氏半徑的數(shù)據(jù)。 10. 同周期和同族元素的第一電離能 （1）同周期元素 表1-3是二、三周期部分元素的核外電子排布和第一電離能，圖1-5是第二周期和第三周期元素的第一電離能。 表1-3 第二、三周期部分元素的核外電子排布和第一電離能 圖1-5第二、三周期元素的第一電離能 ①同周期元素的第一電離能，從左到右遞變的總趨勢(shì)是依次增大，原因是核電荷數(shù)增多，而能層數(shù)不變，核電荷對(duì)核外電子的吸引力增大； ②為什么B的第一電離能反而比Be?。吭蚴荁失去的電子是2p電子，2p電子的軌道能比2s電子的軌道能高；同理，Al的第一電離能比Mg的第一電離能小； ③氧的第一電離能為什么反而比氮的第一電離能小？原因是氧的第一電離能是失去已經(jīng)成對(duì)的2p電子所需能量，成對(duì)電子的相互排斥的能量比核電荷增加吸引2p電子的能量還大，導(dǎo)致氧的第一電離能反比氮的第一電離能低；同理，硫的第一電離能反而小于磷的第一電離能。 圖1-6第ⅠA族元素的第一電離能 （2）同族元素 圖1-6是堿金屬元素的第一電離能。 一般來(lái)說(shuō)，同主族元素的第一電離能，從上到下遞變的總趨勢(shì)是依次降低，原因是核外電子的層數(shù)增加而且原子半徑遞增，核電荷對(duì)最外層電子的吸引力降低。 應(yīng)當(dāng)注意的是，副族元素的第一電離能從上到下變化趨勢(shì)與主族不相同，大多是從上到下第一電離能反而增加，原因是雖然核外電子層數(shù)增加但原子半徑增加卻不顯著甚至減小，導(dǎo)致核電荷對(duì)最外層電子的吸引力增加。 第二章 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)單元 本章說(shuō)明 一、教學(xué)目標(biāo) 1. 知道共價(jià)鍵的主要類型σ鍵和π鍵，能用鍵參數(shù)——鍵能、鍵長(zhǎng)、鍵角等說(shuō)明簡(jiǎn)單分子的某些性質(zhì)；能舉例說(shuō)明“等電子原理”的含義及應(yīng)用。