物质结构与元素周期律高考必考题剖析
2016-05-14 01:40雷范军银代智
广东教育·高中 2016年8期
雷范军 银代智
物质结构和元素周期律是每年高考的必考内容之一，物质结构和元素周期律高考试题一般涉及元素的推断，并且通过元素的推断考查原子结构、离子结构、化合物结构、元素周期律、元素的单质及其化合物的性质、强弱酸或碱的电离、盐的电离和水解等知识。今年有关物质结构和元素周期律的高考试题继续秉承“源于教材、高于教材”的命题理念，密切联系生产、生活实际，突出对考生应用能力的考查，要求考生利用基本概念、基本原理、元素化合物和常见有机物等知识分析和解决元素推断、原（或离）子半径大小或电子层结构比较、非金属性强弱判断、气态氢化物热稳定性、最高价氧化物的水化物的酸碱性、二元化合物的结构与性质、化学键的分类、元素单质及其化合物的性质等实际问题。在设问角度、呈现方式等方面进行创新，进一步凸显对信息素养以及化学语言表达能力的考查，加强对实验及探究能力的考查，有利于区分不同水平的学生，对中学化学课程改革和教学具有积极的引领作用。
一、根据原子和单核阴阳离子的结构特征推断元素的位置和性质
第一，根据短周期元素的原子、单核阴阳离子的核外电子排布特点，可以推断元素的名称、符号、位置。第二，根据化学键的分类和形成、离子或共价化合物的形成、元素周期律、化合物的性质，分析解决二元化合物中元素的化合价、化学键的类型、原子半径、酸碱性等实际问题。
【例1】（2016·年全国课标II，9）a、b、c、d为短周期元素，a的原子中只有1个电子，b2-和c+的电子层结构相同，d与b同族。下列叙述错误的是（ ）
A. a与其他三种元素形成的二元化合物中其化合价均为+1
B. b与其他三种元素均可形成至少两种二元化合物
C. c的原子半径是这些元素中最大的
D. d与a形成的化合物的溶液呈弱酸性
解析：原子中只有1个电子，说明a是氢（H）；短周期元素形成的b2-和c+的电子层结构相同，说明b是氧（O）、c是钠（Na）；与b同族，说明d是硫（S）。a与其他三种元素形成的二元化合物主要有H2O、H2O2、NaH、H2S，NaH是金属氢化物，其中钠元素为+1价，氢为-1价，A项错误；b与其他三种元素均可形成H2O、H2O2、Na2O2、Na2O、SO2、SO3，B项正确；由元素原子半径的周期性变化规律可知，Na>S>O>H，C项正确；d与a形成的化合物是H2S，属于二元弱酸，在水溶液中能微弱地电离出H+，D项正确。
答案：A
点评：本题以四种短周期元素的原子核外电子数、同电子层结构的原子和离子结构、同主族等位置关系为载体，通过设计二元化合物的化学式或化学键、元素的化合价、原子半径、二元化合物溶液的酸碱性等问题，考查考生对化学键的形成、根据化学式确定元素的化合价、原子半径的周期性变化规律的应用、化合物的类别及电离、溶液的酸碱性等的了解情况。根据原子和简单离子核外电子排布特征推断，除了要了解1-20号元素原子或离子核外电子排布情况外，还要熟练地应用有关规律（如阴前阳后规律：电子层结构相同的离子，若电性相同，则位于同周期；若电性不同，则阳离子位于阴离子的下一周期）。
二、根据元素及其化合物的特性推断元素的位置和其它性质
根据常见短周期主族元素的单质及其二元或多元化合物的特性和特征反应（如颜色、状态、气味、熔点、沸点、密度、硬度、溶解性、挥发性、导电性、酸性、碱性、中性、氧化性、还原性、漂白性、吸附性、吸水性、脱水性等），能够推断有关元素的名称、符号及其位置，以及对应的原子或简单离子结构、单质及其重要化合物的结构和其它性质。其次，应用元素周期律，可以判断离子半径、气态氢化物的热稳定性、最高价氧化物的水化物的酸碱性、化合物的性质等。
【例2】（2016·全国III，12）四种短周期主族元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大，W、X的简单离子具有相同电子层结构，X的原子半径是短周期主族元素原子中最大的，W与Y同族，Z与X形成的离子化合物的水溶液呈中性。下列说法正确的是（ ）
A. 简单离子半径：W < X < Z
B. W与X形成的化合物溶于水后溶液呈碱性
C. 气态氢化物的热稳定性：W < Y
D. 最高价氧化物的水化物的酸性：Y > Z
解析：短周期主族元素原子半径最大的是Na，则X是钠；由原子序数依次增大、NaCl溶液呈中性可知，X是氯；由W、X的简单离子具有相同电子层结构及W与Y同族可知，W是氧，Y是硫。由原子半径周期性变化规律可知，O < Cl < Na，即W < Z < X，A项错误；W是氧，X是钠，二者可形成的化合物是氧化钠、过氧化钠，Na2O、Na2O2溶于水时，都能与水反应生成烧碱，B项正确；由非金属性周期性变化规律可知，O > S，即W > Y，同主族元素的非金属性越强，气态氢化物的热稳定性越强，C项错误；同周期主族元素的非金属性随原子序数递增而逐渐增强，即S < Cl或Y < Z，元素（除氟、氧外）的非金属性越强，最高价氧化物的水化物的酸性越强，D项错误。
答案：B
点评：本题以四种短周期元素在元素周期表中的位置、同电子层结构的离子结构、原子半径、二元化合物的类别及重要性质为载体，通过设计简单离子半径、二元化合物溶于水后所得溶液的酸碱性、气态氢化物的热稳定性、最高价氧化物的水化物的酸性等问题，考查考生对元素推断、简单离子半径大小比较、钠的氧化物的性质、非金属性强弱比较及其应用等的了解情况，及分析问题、解决问题的能力。
三、根据元素及其化合物的特征反应推断元素的位置和其它性质
首先，根据常见短周期主族元素的单质及其二元或多元化合物的特征反应（如显色反应、氧化还原反应、离子反应、水解反应、取代反应、加成反应、消去反应、加聚反应、缩聚反应等），可以推断有关元素的名称、符号及其位置，以及对应的原子或简单离子结构、单质及其重要化合物的结构和其它性质。其次，应用元素周期律，可以判断原子半径、非金属性、最高价氧化物的水化物的酸碱性、化合物的性质等。
【例3】（2016·全国课标I，13）短周期元素W、X、Y、Z的原子序数依次增加。m、p、r是由这些元素组成的二元化合物，n是元素Z的单质，通常为黄绿色气体，q的水溶液具有漂白性，0.01 mol·L-1 r溶液的pH为2，s通常是难溶于水的混合物。上述物质的转化关系如图所示。下列说法正确的是（ ）
A. 原子半径的大小W B. 元素的非金属性Z>X>Y C. Y的氧化物常温常压下为液态 D. X的最高价氧化物的水化物为强酸 解析：由题意和图中物质转化关系可知，黄绿色气体n是氯气（Cl2），Z是氯（Cl）；0.01 mol·L-1 r溶液的pH为2，说明r是一元强酸，由氯气与水反应生成HCl和HClO的性质可知，r是HCl，属于二元化合物的m是水（H2O），水溶液具有漂白性的q是HClO；n与p的反应条件是光照，且反应产物之一是HCl、另一产物s通常是难溶于水的混合物，由此推断二元化合物p是甲烷（CH4），s是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳组成的混合物；H、C、O、Cl组成的上述物质发生氧化还原反应和取代反应，且它们的原子序数依次增加，则W、X、Y、Z分别为氢、碳、氧、氯。由原子半径的周期性变化规律可知，H 答案：C 点评：本题以短周期元素的重要单质及其化合物的典型性质及相互转化关系为载体，要求考生首先能够从元素单质的性质、常见非金属元素化合物和有机物的性质推断出有关元素，进而考查考生对基本原理和基础知识的了解程度，考查考生的信息素养和应用能力。题中无机物和有机物的特性和转化关系是前几年高考未曾出现过的载体，表现出稳中求变、变中求新、注重学科内综合的命题模式。在题数有限的情况下，尽可能多地综合考查学科内容，既增大了物质结构和元素周期律高考试题的知识覆盖面，又提高了考试内容的效度和信度，有效地考查了考生对知识的掌握程度和应用水平。 四、根据元素位置、性质和原子结构的特征推断元素、其他结构和性质 由位置推断结构，常用三个等量关系：①元素的原子序数=原子的核电荷数=原子的质子数=单核粒子+所带电荷；②元素的周期序数=原子核外电子层数；③主族序数= 最外层电子数= 最高正价= 8 -| 最低负价| 。根据元素在周期表中的位置关系可以推断元素的性质，如A、B、C三元素在同一主族从上往下排列，则A、B、C元素的非金属性依次减弱或金属性依次增强，单质的氧化性依次减弱或者还原性依次增强。 【例4】（2016·天津，7）（14分）下表为元素周期表的一部分。 回答下列问题 （1）Z元素在周期表中的位置为_______________________。 （2）表中元素原子半径最大的是（写元素符号）_______________________。 （3）下列事实能说明Y元素的非金属性比S元素的非金属性强的是_______________________； a. Y单质与H2S溶液反应，溶液变浑浊 b. 在氧化还原反应中，1 mol Y单质比1 mol S得电子多 c. Y和S两元素的简单氢化物受热分解，前者的分解温度高 （4）X与Z两元素的单质反应生成1 mol X的最高价化合物，恢复至室温，放热687 kJ，已知该化合物的熔、沸点分别为-69℃和58℃，写出该反应的热化学方程式______________________________________________。 （5）碳与镁形成的1 mol化合物Q与水反应，生成2 mol Mg（OH）2和1 mol 烃，该烃分子中碳氢质量比为9 ： 1，烃的电子式为_______________________。Q与水反应的化学方程式为_______________________。 （6）铜与一定浓度的硝酸和硫酸的混合酸反应，生成的盐只有硫酸铜，同时生成的两种气体均由表中两种元素组成，气体的相对分子质量都小于50。为防止污染，将产生的气体完全转化为最高价含氧酸盐，消耗1 L 2.2 mol·L-1 NaOH溶液和1 mol O2，则两种气体的分子式及物质的量分别为_______________________，生成硫酸铜物质的量为_______________________。 解析：根据元素周期表的结构可知，与碳同主族的X为硅（Si），与氮同周期或与硫同主族的Y为氧（O）；与硫同周期的Z为氯（Cl）。（1）由原子的电子层数=元素的周期序数、最外层电子数=主族序数可知，氯（Cl）在元素周期表中位于第三周期第VIIA族；（2）同一周期，从左到右，原子半径逐渐减小，则C>N>O、Si>S>Cl；同一主族，从上到下，原子半径逐渐增大，则C
答案：（1）第三周期，ⅦA族 （2）Si （3）ac
（4）Si（s） + 2 Cl2（g） = SiCl4（1）；ΔH = -687 kJ·mol-1
（5） Mg2C3 + 4H2O = 2 Mg（OH）2 + C3H4↑
（6）NO 0.9 mol NO2 1.3 mol 2 mol
点评：本题根据表中信息容易推断元素，由易到难地设计了元素在周期表中的位置、元素的原子半径和非金属性的周期性变化规律及实验或事实证据、热化学方程式的书写、金属碳化物的水解反应、烃组成元素的定性和定量分析、电子式（及分子式、结构简式）的书写、化学方程式的书写、NOx污染的治理原理及有关计算等问题，考查了考生主动应用化学学科基础知识分析解决实际问题的能力，有利于考生了解化学在资源利用、工农业生产中的具体应用，进一步培养考生的社会责任感。
五、根据元素位置、性质和原子结构的特征推断元素、其他结构和性质
元素的位置特征是推断元素的重要突破口，如短周期主族元素只有18-3=15种，第IA族元素只有原子序数分别为1、3、11的氢、锂、钠三种等。元素的性质也是推断元素的重要依据，如非金属性最强的元素是氟，短周期主族元素的原子半径最大的是钠，最小的是氢等。原子结构是推断元素常用的方法之一，最外层电子数等于或大于3（小于8）的一定是主族元素，最外层有1个或2个电子，则可能是ⅠA、ⅡA族元素，也可能是副族、Ⅷ族元素或0族元素氦；最外层电子数比次外层电子数多的元素一定位于第二周期；某元素阴离子最外层电子数与次外层相同，该元素位于第三周期；若为阳离子，则位于第四周期。推断元素是解答此类问题的必要条件，成功得到结论之后，还要应用原子结构、离子结构、化合物结构、元素周期律等知识分析每个选项。
【例5】（2016·江苏，4）短周期主族元素X、Y、Z、W原子序数依次增大，X原子的最外层有6个电子，Y是迄今发现的非金属性最强的元素，在周期表中Z位于IA族，W与X属于同一主族。下列说法正确的是（ ）
A. 元素X、W的简单阴离子具有相同的电子层结构
B. 由Y、Z两种元素组成的化合物是离子化合物
C. W的简单气态氢化物的热稳定性比Y的强
D. 原子半径：r（X） < r（Y） < r（Z） < r（W）
解析：迄今发现，氟元素的非金属性最强，则Y是氟（F）；由原子序数的大小、原子最外层电子数可知，X是氧（O）；由原子序数的大小、位于IA族可知，Z是钠（Na）；由原子序数的大小、与X属于同一主族可知，W是硫（S）。X、W分别是原子序数为8、16的氧和硫，二者的简单阴离子分别为O2-、S2-，两种离子分别具有28、288电子层结构，故A错误；Y、Z分别是原子序数为9、11的氟和钠，二者分别属于活泼非金属、活泼金属元素，组成的NaF是只含离子键的离子化合物，故B正确；随着原子序数的增大，同周期主族元素的非金属性逐渐增强，同主族元素的非金属性逐渐减弱，则非金属性：Y>X>W或F>O>S，则最低价气态氢化物的热稳定性：HF > H2O > H2S，即W的简单气态氢化物的热稳定性比Y的弱，故C错误；随着原子序数的增大，同周期主族元素的原子半径逐渐减小，同主族元素的原子半径逐渐增大，则原子半径：r（Y） < r（X） < r（W） < r（Z）或r（F） < r（O） < r（S） < r（Na），故D错误。
答案：B
点评：本题已知四种短周期主族元素原子序数的大小、原子最外层电子数、非金属性最强、周期表中的主族序数、同主族等信息，设计简单阴离子电子层结构的异同、二元化合物的类型、气态氢化物的热稳定性强弱、原子半径大小的判断、比较、推断等问题，考查考生对原子结构与元素周期律（表）、物质结构与性质的了解程度。本题推断元素的捷径是“元素性质之最”：（1）形成化合物种类最多的元素、单质是自然界中硬度最大的物质的元素或气态氢化物中氢的质量分数最高的元素是C；（2）空气中含量最多的元素或气态氢化物的水溶液呈碱性的元素是N；（3）地壳中含量最多的元素或氢化物在通常情况下呈液态的元素是O；（4）相同条件下，单质密度最小的元素是H；单质密度最小的金属是Li等。
六、根据原子、离子结构和单质、化合物的反应特征推断元素、其他结构和性质
根据短周期主族元素的原子、单核离子的电子层结构、单质及其化合物的反应特征，可以推断元素的名称、符号、位置。根据化学键的含义和离子或共价化合物的形成、元素周期律、物质的分类及其性质，判断单质、氧化物、酸、碱、盐之间能否反应或转化、比较原子半径的大小、推断化学键的类型、辨别单质及其化合物在生活中的用途酸等问题。
【例6】（2016·浙江，9）短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大，X原子核外最外层电子数是其电子层数的2倍，X、Y的核电荷数之比为3 ： 4。W-的最外层为8电子结构。金属单质Z在空气中燃烧生成的化合物可与水发生氧化还原反应。下列说法正确的是（ ）
A. X与Y能形成多种化合物，一般条件下都能与Z的最高价氧化物的水化物发生反应
B. 原子半径大小：X < Y，Z > W
C. 化合物Z2Y和ZWY3都只存在离子键
D. Y、W的某些单质或两元素之间形成的某些化合物可作水的消毒剂
解析：原子核外最外层电子数是其电子层数的2倍，电子层结构可能是24、286；短周期主族元素X、Y的核电荷数之比为3 ： 4，说明X、Y的核电核数可能是分别是3和4、6和8、9和12、12和16；综合上述结论可知，X是碳（C），Y是氧（O）；金属单质在空气中燃烧生成的化合物可与水发生氧化还原反应，说明Z一定是钠（Na）；由于X、Y、Z、W的原子序数依次增大，W-的最外层为8电子结构，则W是氯（Cl）。X、Y、Z分别是碳、氧、钠，碳、氧可形成CO、CO2，钠的最高价氧化物的水化物是NaOH，CO是不成盐氧化物，不能与碱反应，故A错误；随着原子序数的增大，同周期主族元素的原子半径逐渐减小，则位于第二、三周期元素的原子半径：X > Y或C > O，Z > W或Na > Cl，故B错误；Z2Y和ZWY3分别为Na2O、NaClO3，前者所含 Na+与O2-、后者所含Na+与ClO3-之间的作用力都是离子键，但后者所含ClO3-中氯原子和氧原子之间的作用力是共价键或极性共价键，故C错误；Y、W单质或两元素之间形成的二元化合物包括O2、O3、Cl2、ClO2等，O3、Cl2、ClO2都可以作水的消毒剂，故D正确。
答案：D
点评：本题注重了物质结构和元素周期律的核心、主干知识的覆盖面，重视化学与生活、生产实际的联系，考查学生的基本科学素养。本题推断元素在周期表中的位置有2种规律和技巧：（1）周期表特殊位置的元素（1～20号元素）：最外层电子数或族序数等于电子层数或周期序数的元素是H、Be、Al，最外层电子数或族序数等于电子层数或周期序数2倍的元素是C、S，最外层电子数或族序数等于电子层数或周期序数3倍的元素是O，电子层数或周期序数是最外层电子数或族序数2倍的元素是Li、Ca，电子层数或周期序数是最外层电子数或族序数3倍的元素是Na；（2）相同电子层结构法：主族元素的阳离子与上一周期的0族元素原子的电子层结构相同，主族元素的阴离子与同一周期的0族元素原子的电子层结构相同。
【例7】（2016·海南，13）（8分）短周期元素X、Y、Z、M的原子序数依次增大，元素X的一种高硬度单质是宝石，Y2+电子层结构与氖相同，Z的质子数为偶数，室温下M单质为淡黄色固体，回答下列问题：
（1）M元素位于周期表中的第 周期、 族。
（2）Z元素是 ，其在自然界中常见的二元化合物是 。
（3）X与M的单质在高温下反应的化学方程式为
，产物分子为直线形，其化学键属 共价键（填“极性”或“非极性”）。
（4）四种元素中的 可用于航空航天合金材料的制备，其单质与稀盐酸反应的化学方程式为 。
解析：由常见元素单质及其化合物的性质和题意可知，X是碳（C）、M是硫（S）；由简单离子电子层结构与氖原子相同可知，Y是镁（Mg）；由原子序数依次增大、12 答案：（1）三 VIA （2）Si SiO2 （3）C + 2 S CS2 极性 （4）Mg Mg + 2 HCl = MgCl2 + H2↑ 点评：本题重视理论联系实际，以生活以及化工生产的真实过程为问题情境，以化学知识的应用为载体，将化学研究的基本思想与方法、基本概念与原理、重要物质的性质与应用巧妙地融合于试题之中，既考查了化学基础知识和基本能力，又考查了学生的基本科学素养。同时试题呈现的情境向学生传递了化学学科在生产生活中的积极作用以及为生活质量的提高所做出的贡献，体现了化学科学的基础地位和广泛的应用价值。 七、根据元素在周期表中的位置和种类特点探究元素及其化合物的性质 根据短周期元素的位置特征（如原子序数的大小顺序、同主族、同周期）和元素的种类（金属元素、非金属元素），可以大致确定元素的名称、符号、位置。再结合元素周期律和各个选项的内容逐一分析，通过大胆假设、小心求证地科学探究，可以解答有关元素的原子半径的大小、最高价含氧酸的酸性、气态氢化物的稳定性、元素化合物的组成和性质等问题。 【例8】（2016·上海，7）已知W、X、Y、Z为短周期元素，原子序数依次增大。W、Z同主族，X、Y、Z同周期，其中只有X为金属元素。下列说法一定正确的是（ ） A. 原子半径：X>Y>Z>W B. W的含氧酸的酸性比Z的含氧酸的酸性强 C. W的气态氢化物的稳定性小于Y的气态氢化物的稳定性 D. 若W与X原子序数差为5，则形成化合物的化学式为X3W2 解析：由于原子序数按W、X、Y、Z依次增大，W与Z是同一主族的元素，而X、Y、Z是同一周期的元素，且只有X是金属元素，则这四种元素在元素周期表中的相对位置为 对于同周期主族元素，由于电子层数相同，原子序数逐渐增大，原子核对最外层电子的吸引力逐渐增大，所以原子半径逐渐减小，而对于同主族元素，由于原子最外层电子数相同，原子序数增大，电子层数增大，内层电子对最外层电子的排斥力增大，所以原子半径增大，由题意可知，原子半径：X>Y>Z>W，故A正确；同主族元素，原子序数越大，非金属性越弱，则W的非金属性比Z强，W的最高价含氧酸的酸性一定比Z的强，而含氧酸的酸性不一定比Z的强，如W的含氧酸可能是HNO2，Z的含氧酸是H3PO4，酸性HNO2< H3PO4，故B错误；同周期主族元素，原子序数越大，非金属性越强，则Y的非金属性弱于Z，因此非金属性：W>Z>Y，则气态氢化物的稳定性：W>Z>Y，故C错误；由题意可知W位于第二周期，X、Y、Z位于第三周期，只有X为金属元素，则Y可能是Si或P或S，Z可能是P或S或Cl，因此W可能是N或O或F，若W、X原子序数相差5，当W为原子序数为7的N时，X为Mg，氮化镁的化学式为Mg3N2，满足X3W2，当W为原子序数为8的O时，X为Al，氧化铝的化学式为Al2O3，满足X2W3，当W为原子序数为9的F时，X为Si，氟化硅的化学式为SiF4，满足XW4，故D错误。 答案：A 点评：本题以四种短周期中同主族、同周期元素的位置、类别为载体，考查考生对元素的原子半径和元素的非金属性强弱随原子序数变化的周期性规律的了解情况，对元素周期表和元周期律、二元化合物的化学式或化学键的了解程度，检验考生的推理能力、应用能力和科学探究能力。头脑中能够轻易地建构短周期元素周期表的模型，就能知道第二、三周期金属元素分别有2（锂、铍）、3（钠、镁、铝）种，往往能够快速、准确地对题给元素进行定位，从而减少失误和失分。 通过上述分析可知，2016年全国各地高考有关物质结构和元素周期律的必考题突出了对教材核心和主干知识、科学素养、实验素养与探究能力、应用能力、自主学习能力以及创新思维能力的考查，对2017年高考备考具有较好的导向作用。 责任编辑 李平安
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