内容正文:
第2节
元素周期律和元素周期表
学习目标
1.结合有关数据和实验来认识原子结构、元素性质呈周期性变化的规律,构建元素周期律。
2.体会元素周期律在学习元素及其化合物知识及科学研究中的重要作用。
3.知道元素周期表的结构;能利用元素在元素周期表中的位置和原子结构,分析、预测、比较元素及其化合物的性质。
续表
重点难点
重点 1.元素周期律的含义和实质。
2.元素性质与原子结构的关系。
3.元素周期表的结构,元素在元素周期表中的位置及其性质的递变规律。
难点 1.元素性质与原子结构的关系。
2.元素在周期表的位置、原子结构和元素性质。
第一课时 元素周期律
目录
新知探究(一)——原子结构及性质的变化规律
新知探究(二)——微粒半径的大小比较
课时跟踪检测
新知探究(三)——元素周期律
5
新知探究(一)
原子结构及性质的变化规律
1.元素性质变化规律的研究方法
(1)原子序数的概念
原子序数是元素在____________中的序号。
原子序数=核电荷数=质子数=原子的核外电子数。
元素周期表
(2)构建变量关系模型
确定自变量 研究元素周期律以_________为自变量
选取因变量 如原子最外层电子数、_________、主要化合价等
选择
表达形式 借助_______或_______表示自变量与因变量间的关系
描述规律 表达自变量和因变量之间的关系
原子序数
原子半径
柱状图
折线图
2.1~18号元素原子结构及性质的变化规律
(1)1~18号元素原子核外电子排布的变化规律
规律:随着原子序数的递增,元素原子的最外层电子排布呈现由__到___的周期性变化(1~2号元素除外)。
1
8
(2)1~18号元素性质的变化规律
①原子半径的变化规律
规律:随着原子序数的递增,元素的原子半径(除稀有气体外)呈现由___到___的周期性变化。
大
小
[微点拨]
原子电子层数相同时,最外层电子数越多,半径越小;最外层电子数相同时,电子层数越多,半径越大。
②元素化合价的变化规律
规律:随着原子序数的递增,元素的化合价呈________变化,即最高正价:____到____ (O、F除外),最低负价:____到____。
周期性
+1
+7
-4
-1
3.元素的化合价应注意的两点
(1)元素的主要化合价与最外层电子数的关系
①元素最高正化合价=最外层电子数(O、F除外)
②最低负化合价=最外层电子数-8(H除外)
③最高正化合价+|最低负化合价|=8(H、O、F除外)
(2)氢元素与金属元素化合时显负价(如NaH、MgH2等),与非金属元素化合时一般显正价(如HCl等);氟元素只有0价和-1价,没有正化合价;氧元素只有与氟化合时才显正价,但无最高正化合价;金属元素没有负化合价。
应用化学
下图为1~18号元素的原子半径大小示意图,观察横行和纵行的原子结构特点和原子半径大小的变化规律。
1.具有相同电子层数的原子随核电荷数的增加原子半径逐渐减小的原因是什么?
提示:电子层数相同的原子,随核电荷数增多,即原子核所带正电荷增多,原子核对最外层电子的吸引力增大,原子半径减小。
2.电子层数多的元素原子半径一定大于电子层数少的元素吗?
提示:不一定,如第2周期的Li比第3周期的S、Cl等原子半径大。
3.试比较和A、Na+、M及离子半径的大小,并指出判断依据。
提示:比多一个电子层,则半径大于,Na+、M、、A的电子层结构相同,A的核电荷数比M大,M的核电荷数比Na+大,Na+的核电荷数大于,则离子半径:>Na+>M>A,所以离子半径:>>Na+>M>A。
1.如图表示1~18号元素原子结构或性质随核电荷数递增的变化。该图中纵坐标表示 ( )
A.电子层数 B.最外层电子数
C.最高化合价 D.原子半径
[题点多维训练]
√
2.下列各组元素中,按最高正价增大顺序排列的是 ( )
A.C、N、O、F B.K、Mg、C、S
C.Cl、Br、I D.P、S、Cl、Ar
√
解析:A项中O没有最高正价,F没有正价;C项中原子最外层电子数相同,其最高正价相同;D项中Ar只有0价。
3.(2025·威海高一检测)结合元素周期律的知识分析下列说法,其中正确的是 ( )
A.原子序数为15的元素的最高化合价为+5
B.随着元素原子序数的递增,原子最外层电子数总是从1到8重复出现
C.随着元素原子序数的递增,元素的最高化合价总是从+1到+7,最低化合价总是从-7到-1重复出现
D.B、C、N、O、F元素的最高正化合价依次增大
√
解析:原子序数为15的元素原子最外层电子数是5,所以其最高化合价是+5;1、2号元素的最外层电子数是从1到2的变化;O无最高正价、F无正价。
新知探究(二)
微粒半径的大小比较
微粒半径的大小比较规律
1.电子层数相同——“序大径小”(稀有气体元素除外)
电子层数相同的元素,随着原子序数的递增,原子半径逐渐减小。例:r(Na)>r(Mg)>r(Al)>r(Si)>r(P)>r(S)>r(Cl)。
2.最外层电子数相同——“序大径大”
最外层电子数相同,电子层数越多,原子半径越大,相应的离子半径也越大。例:r(Li)<r(Na)<r(K)<r(Rb)<r(Cs);r(Li+)<r(Na+)<r(K+)<r(Rb+)<r(Cs+)。
3.同元素
同种元素的粒子——电子数越多,粒子半径越大。例:r(Na+)<r(Na);r(Cl-)>r(Cl);r(F)<r(F)<r(Fe)。
4.同结构——“序大径小”
电子层结构相同的离子,核电荷数越大,离子半径越小。例:r()>r(F-)>r(Na+)>r(M)>r(A)。
√
[典例] 下列微粒半径的比较正确的是 ( )
①Cl<Cl-<Br- ②F-<M<A ③Na+<Na<K ④<Cl-<Br-
A.①③ B.②
C.③ D.①④
[解析] 单核阴离子的半径大于同元素的原子,则Cl->Cl,Cl-、Br-最外层电子数相同,电子层数越多,半径越大,则Cl-<Br-,所以①正确;电子层结构相同的微粒,核电荷数大的半径小,所以②不正确;单核阳离子半径小于同元素的原子半径,不同元素的微粒最外层电子数相同,电子层数越多,半径越大,③正确;④中应为>Cl-,不正确。
1.下列各组粒子,按半径由大到小顺序排列正确的是 ( )
A.Mg、Ca、K、Na B.、Cl-、K+、Na+
C.Br-、Br、Cl、S D.Na+、A、Cl-、F-
[题点多维训练]
√
解析:K、Ca比Na、Mg多1个电子层,故有r(K)>r(Ca)>r(Mg),但r(Na)<r(K),A错误;、Cl-、K+三离子核外电子排布相同,核电荷数越小,离子半径越大,又因K+比Na+多1个电子层,故有r()>r(Cl-) >r(K+)>r(Na+),B正确;Br-比Br多1个电子,半径大,Br原子比Cl原子多1个电子层,故r(Br-)>r(Br)>r(Cl),但r(Cl)<r(S),C错误;Na+、A、F-核外电子排布相同,核电荷数越小,离子半径越大,Cl-比F-多1个电子层,故有r(Cl-)>r(F-)>r(Na+)>r(A),D错误。
2. 下列有关原子半径的叙述正确的是 ( )
A.原子半径:N>Al
B.原子半径:O<F<Na<Cl
C.简单阴离子半径:S2->Cl-
D.原子半径:H<C<O
√
解析:原子半径:N<Al;原子半径:Na>Cl>O>F;原子半径:C>O>H。
√
3. 如图是部分1~18号元素化合价与原子序数的关系图,下列说法错误的是 ( )
A.原子半径:Y>Z>X
B.离子半径:Z>Y>X
C.元素W的最高价和最低价代数和为4
D.Y和Z两者最高价氧化物对应的水化物能相互反应
解析:根据图示可知,1~18号元素X、Y、Z、W、R原子序数依次增大,X最低-2价,没有正价,推断为O元素;Y只有+1价,推断为Na元素;Z最高+3价推断为Al元素;W最高+6价,最低-2价,推断为S元素;R最高+7价,最低-1价,推断为Cl元素。同周期原子半径从左往右减小,同主族从上往下增大,故原子半径:Na>Al>O,即Y>Z>X,A正确;电子层数多的离子半径较大,相同电子层数的则核电荷数多的半径小,故离子半径:O2->Na+>Al3+,即X>Y>Z,B错误;据分析,元素W是S,其最高价+6价和最低价-2价的代数和为4,C正确;据分析,Y和Z两者最高价氧化物对应的水化物分别是NaOH和Al(OH)3,二者能相互反应:NaOH + Al(OH)3===Na[Al(OH)4],D正确。
4.试比较下列微粒半径大小(填“>”“<”或“=”)。
(1)Mg______Ca ______ K。
(2)P ______ S ______ Cl。
(3)F _____F ______ Fe。
(4) ____ _____Cl- ______Na+ _____M ______A。
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新知探究(三)
元素周期律
1.内容
随着原子序数的递增,元素原子的最外层电子数、原子半径(稀有气体元素除外)、元素的主要化合价(最高化合价和最低化合价)、元素的金属性和非金属性均呈现周期性变化。
2.含义
元素的性质随着_______________的递增而呈周期性变化的规律叫作元素周期律。
3.实质
元素原子_______________随着元素核电荷数的递增发生周期性变化的必然结果。
元素原子序数
核外电子排布
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)元素的性质随着相对原子质量的递增呈现周期性变化。( )
(2)随着元素原子序数的递增,原子最外层电子数总是从1到8重复出现。( )
[题点多维训练]
×
×
(3)随着元素原子序数的递增,元素的最高正价从+1到+7,最低负价从-7到-1重复出现。 ( )
(4)碳元素的最高化合价与最低化合价代数和为0。( )
(5)电子层数相同的原子的半径随着原子序数的递增逐渐增大。( )
×
√
×
2.绿矾的成分为七水合硫酸亚铁,其组成元素中有S、O、H三种非金属元素。
(1)写出这三种非金属元素的原子序数:S____,O____,H____。
(2)O元素原子核外有_____个电子层,最外层有 ____个电子。
(3)S元素的最高正价为____,最低负价为_____。
(4)S、O、H三种元素原子半径大小关系为________________。
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1
2
6
+6
-2
r(S)>r(O)>r(H)
解析:S、O、H三种元素的原子结构示意图分别为 、 、 ;由此可以看出O元素的原子核外有8个电子,2个电子层,最外层有6个电子;S元素原子的最外层有6个电子,因此其最高正价为+6价,最低负价为-2价;三种原子的电子层数不同,半径大小为r(S)>r(O)>r(H)。
3.随着原子序数的递增,下列不呈周期性变化的是 ( )
A.化合价 B.原子半径
C.最外层电子数 D.相对原子质量
√
解析:随着原子序数的递增,元素原子的最外层电子数、原子半径、元素的化合价等均呈周期性变化,D选项符合题意。
4. [双选]下列各组元素性质递变情况错误的是 ( )
A.N、O、F的最高化合价依次升高
B.Li、Be、B原子的最外层电子数逐渐增多
C.P、S、Cl的原子半径依次减小
D.Li、Na、K的原子半径依次减小
√
√
解析:A项,F没有正价,O无最高正价,错误;B项,Li、Be、B原子的最外层电子数分别为1、2、3,原子的最外层电子数逐渐增多,正确;C项,同周期主族元素从左到右原子半径逐渐减小,P、S、Cl的原子半径依次减小,正确;D项,同主族元素从上而下原子半径逐渐增大,Li、Na、K的原子半径依次增大,错误。
5.硒是人体必不可少的微量元素之一。能直接参与机体代谢,也能有效地调节和提升人体的免疫功能,可以有效地降低各类疾病的发生。已知硒原子的最外层电子数与氧原子相同,电子层数与钾原子相同。
(1)根据硒元素的结构特点,通过小组讨论,试写出其原子结构示意图。
答案:
(2)根据硒元素的原子结构示意图推测该元素的最高正价与最低负价。
解析:由该元素原子的最外层有6个电子可知,其最高正价为+6价,最低负价为-2价。
答案: +6 -2
(3)根据元素周期律,试比较硒元素与氧元素及钾元素的原子半径大小。
解析:由于钾元素与硒元素的原子核外都有4个电子层,而钾原子最外层有1个电子,而硒原子有6个,因此原子半径:K>Se;由于硒元素原子的电子层数比氧要多一层,因此原子半径:Se>O。
答案:原子半径:K>Se>O
课时跟踪检测
一、选择题
1.元素性质呈周期性变化的决定因素是 ( )
A.元素原子半径大小呈周期性变化
B.元素相对原子质量依次递增
C.元素原子最外层电子排布呈周期性变化
D.元素的最高正化合价呈周期性变化
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√
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解析:结构决定性质,即原子的核外电子排布尤其是最外层电子排布决定了元素的性质,所以元素性质呈周期性变化是元素原子核外电子排布呈周期性变化的必然结果。
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3
解析:核外电子排布相同,核电荷数越大,离子半径越小,氟离子半径大于镁离子半径,故A符合题意;同周期元素从左到右原子半径依次减小,氧原子半径小于氮原子半径,故B不符合题意;同种元素的阴离子半径大于原子半径,氟原子半径小于氟离子半径,故C不符合题意;同种元素的原子半径大于阳离子半径,钠离子半径小于钠原子半径,故D不符合题意。
√
3.某元素的最高正化合价与最低负化合价的代数和为4,则该元素原子的最外层电子数为 ( )
A.4 B.5 C.6 D.7
√
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3
解析:设该元素最高正价为x,最低负价为y,则解得x=6,y=-2,因此该原子的最外层电子数为6。
4.已知下列原子的半径:
根据以上数据,P原子的半径可能是 ( )
A.1.10×1 m B.0.80×1 m
C.1.20×1 m D.0.70×1 m
√
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3
原子 N S O Si
半径r/(×1 m) 0.70 1.06 0.66 1.17
解析:根据原子半径的变化规律应为r(Si)>r(P)>r(S),故选A。
5.图中曲线表示1~18号元素的原子序数(按递增顺序连续排列)与常见最高化合价之间的关系,下列叙述不正确的是 ( )
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3
A.①、②形成的化合物的摩尔质量可能是44 g· mo
B.①、③可以按原子个数比1∶1形成化合物
C.②、③形成的化合物是两性物质
D.简单离子半径大小为②<③
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3
√
解析:①的常见最高化合价为+5价,②的常见最高化合价为0价,③的常见最高化合价为+3价,三种元素均为1~18号元素,则结合原子序数大小关系判断①为N元素,②为O元素,③为Al元素。①、②形成的化合物N2O的摩尔质量是44 g· mo,A正确;①、③可以形成化合物AlN,原子个数比为1∶1,B正确;②、③形成的化合物Al2O3与强酸、强碱均能反应,是两性物质,C正确;核外电子排布相同的离子,原子序数越大,离子半径越小,则简单离子半径大小为>A,D错误。
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3
6.已知下表是几种常见元素的原子半径数据:
下列说法正确的是 ( )
A.随着核电荷数的增加,原子半径逐渐增大
B.元素F的原子半径在0.066~0.186 nm之间
C.最外层电子数相同的元素,电子层数越多,原子半径越大
D.M的半径大于Mg的半径
√
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3
元素 C O Na Mg Si
原子半径/nm 0.077 0.066 0.186 0.160 0.117
解析:核外电子层数相同的元素,核电荷数越大,原子半径越小,A项错误;F的原子半径比O的小,即小于0.066 nm,B项错误;最外层电子数相同时,电子层数对原子半径起决定作用,电子层数越多,原子半径越大,C项正确;M的半径小于Mg的半径,D项错误。
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3
7.下列各组元素性质递变情况错误的是 ( )
A.N、O、F最高正价依次升高
B.Li、Be、B最高正价依次升高
C.P、S、Cl原子半径依次减小
D.Li、Na、K原子半径依次增大
√
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3
解析:F没有正价,O没有最高正价,选项A错误;Li、Be、B最高正价分别为+1、+2、+3,依次升高,选项B正确;P、S、Cl电子层数相同,核电荷数依次增大,原子半径依次减小,选项C正确;Li、Na、K最外层电子数相同,电子层数依次增多,原子半径依次增大,选项D正确。
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3
8.元素M、N的原子序数不超过18,M的最高化合价为+1,N比M原子序数大1,下列叙述错误的是 ( )
A.M原子的最外电子层上只有1个电子
B.M的单质能与氧气反应
C.N可能是活泼的非金属元素
D.N的最高化合价可能是+2
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3
√
解析:M的原子序数不超过18,最高化合价为+1,则M可能为氢、锂、钠。N比M原子序数大1,则N可能为氦、铍、镁。
9.A、B、C为三种短周期元素,A、B同周期,A、C的最低价离子分别为A2-、C-,离子半径:A2->C-,B2+与C-具有相同的电子层结构,下列比较不正确的是( )
A.原子序数:A>B>C
B.原子半径:C>B>A
C.离子半径:A2->C->B2+
D.原子核外最外层电子数:C>A>B
√
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C
B …… A
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解析:根据“A、C的最低价离子分别为A2-、C-”可知,A位于ⅥA族,C位于ⅦA族;根据“A、B同周期”
“B2+与C-具有相同的电子层结构”“离子半径:
A2->C-”可知,A在C的左下方,B位于A的左侧。A、B、C的相对位置如图所示。由图可知:原子半径的大小关系应该是B>A>C,B项错误。
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10.如图表示部分短周期元素的原子半径和最高正价、最低负价随原子序数的变化情况,下列有关说法正确的是( )
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3
A.最高正价的顺序:g>c>b
B.形成的简单离子半径:d>e>b>c
C.d与c形成的化合物中阴、阳离子个数比不一定为1∶2
D.简单气态氢化物的稳定性:g>f>a
√
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3
解析:由原子半径大小可知,a、b、c位于第二周期,d、e、f、g位于第三周期,结合化合价可知,a为C,b为N,c为O,d为Na,e为Al,f为S,g为Cl,以此分析解答。Cl的最高正价为+7价,N的最高正价为+5价,O没有最高正价,故A错误;核外电子层数相同时,核电荷数越大离子半径越小,则简单离子半径:b>c>d>e,故B错误;钠元素与氧元素可以形成氧化钠和过氧化钠,阴、阳离子个数比均为1∶2,故C错误;非金属性越强,简单氢化物越稳定,非金属性:Cl>S>C,因此简单气态氢化物的稳定性:g>f>a,故D正确。
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11.下表给出了X、Y、Z、W四种1~18号元素的部分信息,请根据这些信息判断下列说法中错误的是 ( )
元素 X Y Z W
原子半径/nm 0.106 0.160 0.066 0.099
最高正价或最低负价 +6 +2 -2 -1
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A.原子序数:W>X>Y>Z
B.Y单质可与稀硫酸反应生成氢气
C.Z的最高正价为+6
D.W的单质与水反应可得到漂白性物质
√
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3
解析:由题表中化合价及原子半径可判断,X是S,Y是Mg,Z是O,W是Cl,据此作答。原子序数:Cl>S>Mg>O,A正确;Mg 单质可与稀硫酸反应生成氢气,B正确;O没有最高正价,C错误;Cl的单质Cl2与水反应可得到HClO,具有漂白性,D正确。
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二、非选择题
12.(9分)有下列四种微粒:O、Na、Mg、N。
(1)按原子半径由大到小的顺序排列为___________(只填序号,下同)。
②③④①
解析:Na与Mg具有相同的电子层数,最外层电子数分别为1、2O与N具有相同的电子层数,最外层电子数分别为6、5;原子半径大小为NaMgNO。
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(2)按离子半径由大到小的顺序排列为_________。
④①②③
①②
解析:四种离子Na+、M、和核外电子排布相同,离子半径大小为r(M)<r(Na+)<r()<r()。
(3)微粒中质子数小于中子数的是_______。
解析:四种核素质子数和中子数分别是O→Na→11、12Mg→12、12N→7、7。
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(4)能形成X2Y2型化合物的是________。
(5)通常情况下,化合价有0价、正价和负价的是_____。
①②
④
解析:通常情况下O元素不显正价,Na、Mg不显负价,只有N元素有0价、正价和负价。
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13.(12分)有A、B、C、D、E五种元素,原子序数均小于20,它们的原子序数按E、C、D、A、B依次增大,E原子最外层有4个电子;A-与B+的核外电子排布相同;D的气态氢化物的化学式为H2D,最高价氧化物中D的质量分数为40%,且D原子核内质子数和中子数相等;C的原子序数比D少9,比B少12。
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(1)写出五种元素的符号:A____,B____,C____,D____,E____。
(2)画出A-、B+的结构示意图:__________、_________。
(3)A、B、D原子半径由大到小的顺序是_________(用元素符号表示)。
(4)A、B、D离子半径由大到小的顺序是____________(用离子符号表示)。
(5)C、E元素的最高正化合价分别是___________。
Cl
K
N
S
C
K>S>Cl
>Cl->K+
+5
+4
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3
解析:D的气态氢化物的化学式为H2D,则D的最高化合价为+6价,则D的最高价氧化物分子式为DO3,D的质量分数为40%,可推出D的相对原子质量为32,从而推出D为S;C原子序数比D少9,比B少12,则C为N,B为K;A-与B+核外电子排布相同,则A为Cl;E原子最外层有4个电子,且原子序数按E、C、D、A、B依次增大,则E为C。
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3
14.(12分)A、B、C、D四种元素原子的核电荷数依次增加,它们的简单离子的电子层数相同且最外层电子数均为8。A元素原子的第二层电子数与第一、第三层电子数之和相等,D元素原子的第一、第二层电子数之和等于电子总数的一半。试回答下列问题:
1
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3
(1)四种元素的符号依次是A_____,B______,C______,D_______;它们的原子半径由大到小的顺序是_______________(填元素符号)。
(2)试写出四种元素的离子结构示意图:A__________,B_________, C_________,D___________。它们的离子半径由大到小的顺序是 ________________(用离子符号表示)。
(3)分别写出四种元素的最高价氧化物对应水化物的化学式:
_______________________________。
(4)分别写出A、B两元素的气态氢化物的化学式:_____________。
Cl
K
Ca
K>Ca>S>Cl
>Cl->K+>C
H2SO4、HClO4、KOH、Ca(OH)2
H2S、HCl
S
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3
解析:A元素原子的第二层电子数与第一、第三层电子数之和相等,所以A元素原子的核电荷数为2×8=16,A为硫元素;D元素原子的第一、第二层电子数之和等于其电子总数的一半,所以D元素原子的核电荷数是(2+8)×2=20,D为钙元素;根据A、B、C、D元素原子的核电荷数依次增大,并都能形成离子,可得B为氯元素,C为钾元素。
本课结束
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2.(2025·沧州高一期末)下列离子半径比大于1的是( )
A. B. C. D.
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