第13讲原子结构和化学键
一、原子的组成
1．原子的组成
2．原子中存在的等量关系：
（1）质量关系：质量数A=Z+N
（2）电子关系：中性原子的核外电子数=质子数=核电荷数=原子序数；阳离子的核外电子数=质子数—阳离子所带电荷数；阴离子的核外电子数=质子数+阳离子所带电荷数。
如微粒35Cl-所含质子数17、中子数35-17=18、电子数_17+1=18、质量数35。
3．元素、核素、同位素与同素异形体：
4．质量数与元素的近似相对原子质量
（1）质量数是忽略电子质量，将核素中所有质子相对质量和中子相对质量取近似整数值之和。如35Cl的质量数为35、37Cl的质量数为37。
（2）元素的近似相对原子质量是该元素各种天然同位素原子的质量数与其原子百分比的乘积之和。，如35Cl和37Cl在自然界的原子百分组成之比是3∶1，则Cl元素的近似相对原子质量为35_×3/4+37×1/4=35．5。
温馨提示：①同种元素，可以有若干种不同的核素，不同核素之间互称为同位素。如68O、O、O是氧元素的三种核素，互为同位素。②同位素的“同位”是指在周期表中处于同一位置，同位素的特征是原子序数相同而质量数不同。③天然同位素有稳定的百分组成，化学性质几乎相同(同种元素的同位素)，但物理性质可能不一样。④同位素是同种元素的不同原子间的关系，故单质、化合物间不可能是同位素。如H2和D2及H2O和D2O之间不存在同位素关系。只有质子数相同而中子数不同的原子才是同位素；如O和O是同位素，而且C和N不是同位素。
4．核外电子排布规律
（1）电子层：科学研究证明，电子的能量是不相同的，它们分别在能量不同区域内运动。我们把不同的区域简化为不连续的壳层，也称作电子层，分别用n=1、2、3、4、5、6、7来表示从内到外的电子层，并分别用符号K、L、M、N、O、P、Q来表示。
（2）核外电子的排布规律：核外电子排布遵循的规律是能量最低原理，电子总是尽先占满能量低的电子层，然后由里到外，依次排布在能量逐步升高的电子层上。
温馨提示：①各电子层最多容纳电子数目：2n2，最外层电子数目不超过８个（Ｋ层为最外层时，不超过２个），次外层电子数目不超过18个，倒数第三次电子数目不超过32个。②原子结构示意图能直观地反映核内的质子数和核外的电子层数及各能层上的电子数。如氯原子：
圆圈内表示原子的质子数，要注意正号；弧线表示电子层，弧线内数字表示该层中的电子数。离子结构示意图中各符号含意一样，但注意原子结构示意图中质子数等于核外电子数，而离子结构示意图中质子数与核外电子数不相等。③稀有气体元素原子的电子层结构与同周期的非金属元素的阴离子的电子层结构相同，与下一周期的金属元素形成的阳离子的电子层结构相同。如：与Ne原子电子层结构相同的常见离子：F-、O2-、N3-、Na+、Mg2+、Al3+；与Ar原子电子层结构相同的常见离子：Cl-、S2-、K+、Ca2+。
例题1、下列说法正确的是。
二、化学键
1.化学键：化学反应的实质就是旧的化学键断裂，新的化学键的形成。化学键是相邻的两个或多个原子间强烈的相互作用。
（1）离子键和共价键
（2）离子化合物与共价化合物
①化合物类别与物质分类的关系
②化合物的判断方法
（3）电子式的书写
2．分子间作用力和氢键
（1）分子间作用力：把分子聚集在一起的作用力，又称范德华力。分子间作用力比化学键弱得多，它主要影响物质的熔点、沸点等物理性质，而化学键主要影响物质的化学性质。分子间作用力存在于由共价键形成的多数共价化合物和绝大多数气态、液态、固态非金属单质分子之间。但像二氧化硅、金刚石等由共价键形成的物质，微粒之间不存在分子间作用力。一般说来，对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔、沸点也越高。例如，熔、沸点：I2Br2Cl2F2。
（2）氢键：分子间存在着一种比分子间作用力的稍强相互作用。氢键不是化学键，是分子间作用力，除H外，形成氢键的原子通常是N、O、F。氢键存在广泛，如蛋白质分子、H2O、NH3、HF等分子之间。分子间氢键会使物质的熔点和沸点升高。
例题2、下列说法正确的是。
①两种原子构成的共价化合物分子中的化学键都是极性键
②含有非极性键的化合物一定是共价化合物
③难失去电子的原子，易形成阴离子
④单质分子中不存在化学键，化合物的分子中才存在化学键
⑤非金属元素原子组成的化合物不可能是离子化合物
⑥共价化合物中不可能含有离子键
⑦在氧化钠中，除氧离子和钠离子的静电吸引作用外，还存在电子与电子，原子核与原子核之间的排斥作用
⑧离子化合物中可能含共价键
⑨两种非金属原子间不可能形成离子键
⑩标准状况下，2.24LCCl4含有的共价键数为0.4NA
5．下列说法正确的是
①过氧化钠与水反应中，既有离子键、极性共价键和非极性共价键的断裂，也有这些化学键的生成
②同位素的性质完全相同
③氢键是一种化学键
④由分子组成的物质中一定存在共价键，如气体单质分子中一定含有共价键
⑤5．6g铁粉与足量的稀盐酸反应，为了加快反应速率而不改变H2的产量，可以滴入几滴硫酸铜溶液
⑥决定反应速率的主要因素是反应物的性质
⑦同温同压下，H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH相同
A．②④⑤B．①②③C．①⑥⑦D．②④⑤⑥
6．已知前20号元素的离子：aAn+、bB(n+1)+、cCn-、dD(n+1)-电子层结构相同，关于A、B、C、D四种元素的叙述正确的是
A．原子半径大小：D﹤C﹤B﹤AB．它们一定都是短周期元素
C．单质的还原性：B＞AD．原子序数：B＞A＞C＞D
7．下列说法正确的是()
①离子化合物含离子键，也可能含极性键或非极性键
②硫酸的酸性大于碳酸的酸性，所以非金属性
③含金属元素的化合物不一定是离子化合物
④由非金属元素组成的化合物一定是共价化合物
⑤熔融状态能导电的化合物是离子化合物
⑥由分子组成的物质中一定存在共价键
A．①③⑤⑥B．②④⑥C．①②③⑤D．①③⑤
8．意大利罗马大学的FulvioCacace等人获得了极具理论研究意义的N4气体分子。N4分子结构如图所示，下列说法不正确的是
A．相同条件N4气体比N2密度大B．N4分子中只含有共价键
C．1molN4分子所含共价键数为6NAD．N4发生化学反应需要破坏离子键
9．科学家用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。反应过程的示意图如图。
下列说法不正确的是（）
A．CO2含有极性共价键
B．上述过程中CO断键形成C和O
C．上述过程表示CO和O生成CO2
D．从状态Ⅰ到状态Ⅲ，有能量放出
10．铑的配合物离子[Rh(CO)2I2]－可催化甲醇羰基化，反应过程如图所示。
下列叙述错误的是
A．CH3COI是反应中间体
B．甲醇羰基化反应为CH3OH+CO=CH3CO2H
C．反应过程中Rh的成键数目保持不变
D．存在反应CH3OH+HI=CH3I+H2O
11．我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程，该历程示意图如下所示。
下列说法不正确的是
A．生成CH3COOH总反应的原子利用率为%
B．CH4→CH3COOH过程中，有C—H键发生断裂
C．①→②放出能量并形成了C—C键
D．该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率
12．年2月，科学家报道了利用磁性纳米Fe3O4颗粒除去水体草甘膦污染物的方法，其原理如图所示：（Fe3O4颗粒在水中表面会带—OH，在水体pH≈4时除污效果最好）。下列说法不正确的是（）
A．草甘膦既可以和盐酸反应，又可以和氢氧化钠溶液反应
B．Fe3O4纳米颗粒除去草甘膦的过程有化学键的形成和断裂
C．Fe3O4纳米颗粒粒径越小、溶液中c（OH）越大除污效果越好
D．处理完成后，Fe3O4纳米颗粒可利用磁铁回收，经加热活化重复使用
13．过氧化尿素的化学式为CO(NH2)2H2O2，是过氧化氢和尿素的加合物，外观为白色针状晶体，无毒无味，热分解温度为45℃，易溶于水和乙醇，熔点75-85℃，其水溶液兼有尿素和过氧化氢的性质，具有活性氧含量高、稳定性好等特点，被广泛用于医药、纺织领域。已知尿素与KMnO4溶液、NaOH溶液都不反应。
I．合成过氧化尿素的流程及反应器的示意图如下：
回答下列问题：
(1)图1中分离操作的名称为_______，图2中反应器的名称是_______；
(2)过氧化尿素是尿素分子与过氧化氢分子之间通过_________(填字母)结合形成的。
A．氢键B．共价键C．离子键D．化学键
反应器中发生反应的化学方程式为____________。
(3)工业生产中，除向反应釜中投料反应物过氧化氢、工业尿素(含少量杂质铁、铜等离子)外，添加稳定剂可以提高产品的稳定性。不加稳定剂导致产品稳定率差的原因是__。
(4)活性氧含量的高低直接决定产品的质量，合格产品中活性氧的含量≥16%(相当于其中含H2O%)。为了确定所得产品合格与否，质检员称取干燥样品2．g，溶解于水，在mL容量瓶中定容，准确量取其中25．00mL溶液于锥形瓶中，加入1mL6mol/LH2SO4，然后用0．0mol/LKMnO4标准溶液滴定样品中的H2O2，三次滴定平均消耗KMnO4溶液8．mL。
①达到滴定终点的现象是____________。
②根据滴定结果确定产品质量_(填“合格”或“不合格”)，活性氧的质量分数为___。
II．过氧化尿素的性质探究：
(5)过氧化尿素的催化分解实验：在试管中加入0．1g产品、少量水及二氧化锰，用火柴余烬检验生成气体，可观察到火柴复燃。实验中加入二氧化锰的量一定要少(固体控制在小米粒大小)的原因是：_________。
(6)测定过氧化尿素溶液的酸碱性：在试管中加入1mL6mol/LNaOH溶液、1mL过氧化尿素溶液和2mL无水乙醇，振荡试管。测得pH约为6，并观察到有白色的胶状沉淀生成，该沉淀为生成的NaHO2在乙醇中析出。写出该反应的化学方程式：___
14．某汽车安全气囊的产气药剂主要含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。当汽车发生碰撞时，产气药剂产生大量气体使气囊迅速膨胀，从而起到保护作用。
(1)NaN3是气体发生剂，受热分解产生N2和Na，N2的电子式为_____。
(2)Fe2O3是主氧化剂，与Na反应生成的还原产物为_____(已知该反应为置换反应)，钠的原子结构示意图为________：
(3)KClO4是助氧化剂，反应过程中与Na作用生成KCl和Na2O。KClO4含有化学键的类型为___。
(4)NaHCO3是冷却剂，吸收产气过程中释放的热量而发生分解，其化学方程式为_____，CO2的结构式_______。
15．下图是元素周期表的一部分，根据①~⑨在周期表中的位置按题目要求回答：
(1)画出⑩的原子结构示意图_________________________
(2)①与②形成的一种化合物甲，甲在大气含量过高会产生温室效应，写出甲物质的结构式__________________________________。
(3)元素③⑤对应的最高价氧化物的水化物，写出它们相互之间能发生反应化学方程式__________________。
(4)元素⑦和⑨形成的化合物乙，请用电子式表示物质乙的形成过程__________________。
(5)②、⑥分别形成的两种氢化物中，沸点较高的是______(填化学式)，原因是：_________。
16．现有A、B、C、D、E、F六种短周期主族元素，其相关性质信息如下：
请根据上述信息，完成下列问题：
(1)请给出元素D在元素周期表中的位置：________。
(2)请将A、D、E、F四种元素的简单离子按照离子半径由大到小排序(用离子符号表示)：____。
(3)请给出化合物BFC的电子式：______。
(4)用电子式表示E与F形成化合物EF的过程：______。
(5)请将A、D、F三种元素的最高价氧化物对应的水化物按照酸性由强到弱排序(用化学式表示)：__________。
(6)元素A的单质常用于野外焊接钢轨，请写出该反应的化学方程式：________。
(7)单质A能溶于E的最高价氧化物对应水化物的水溶液，请给出该反应的离子方程式：_____________。
H2O2、N2H4、C2H6等都含有非极性共价键，①错误；过氧化钠中含有非极性键，它是离子化合物，②错误；稀有气体原子既难失电子，又难得到电子，③错误；除稀有气体外，氮气、氧气、氯气、S8等单质都含非极性共价键，④错误；非金属元素原子可以组成离子化合物，如铵盐，⑤错误；含有离子键一定是离子化合物，⑥正确；在离子化合物中除阴阳离子电荷之间的静电引力外，还存在电子与电子，原子核与原子核之间的排斥作用，⑦错误；如NH4Cl中含有共价键，⑧正确；两种非金属原子间不能得失电子，不能形成离子键，⑨正确；在标准状况下四氯化碳是液态，不能用气体摩尔体积进行有关物质的量的计算，⑩错误；该分子中碳碳双键属于非极性键，错误；硫化钠为离子化合物，含有离子键，电子式为
，错误。
1．DA、Th的质量数是，故A错误；
B、Th元素的相对原子质量是Th各种同位素相对原子质量的平均值，故B错误；
C、Th转换成U是原子核变属于物理变化，故C错误；
D、Th和Th核外电子排布相同，所以化学性质相同，故D正确；
故选D。
2．DA．元素符号的左上角为质量数，质量数=质子数+中子数=53+78=,所以质子数为53，中子数为78的碘原子表示为53I,故A错误；B．乙烯的结构简式:CH2=CH2，故B错误；
B．硫酸钠溶液中除了硫酸根中有氧原子，水分子中也有氧原子，所以该溶液中氧原子数目大于0．4NA，故B错误；
C．一个丙三醇分子中含有3个羟基，92．0g丙三醇的物质的量为92.0/92g/mol=1mol，含有羟基的数目为3NA，故C错误；
D．R的核内中子数为N，质量数为A，则其质子数为A-N，所以原子核外电子数也为A-N，则R2+核外电子数为A-N-2，所以amol的R2+的核外电子数为a(A－N－2)NA，故D正确；
故答案为D。
5．C①过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气，部分部分氧元素的化合价升高生成氧气，部分化合价降低，生成氢氧根离子，既有离子键、极性共价键和非极性共价键的断裂，也有这些化学键的生成，①说法正确；
②同位素的同位素化学性质相同，但物理性质有较大差别，②说法错误；
③氢键是分子间的作用力，不是化学键，③说法错误；
④由分子组成的物质中不一定存在共价键，如稀有气体单质分子中不含有共价键，④说法错误；
⑤5．6g铁粉与足量的稀盐酸反应，为了加快反应速率，可以滴入几滴硫酸铜溶液，可形成铁铜原电池，能够加快生成氢气的速率，但是与盐酸反应的铁减少，生成氢气的量减少，⑤说法错误；
⑥决定反应速率的主要因素是反应物自身的性质，⑥说法正确；
⑦同温同压下，H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)的ΔH，与反应的始态和终态有关，与反应的条件是光照和点燃无关，⑦说法正确；
综上所述，①⑥⑦说法正确，答案为C。
6．D金属原子失电子转化为阳离子，电子层数少1；非金属原子得电子生成为阴离子，电子层数不变，aAn+、bB(n+1)+、cCn-、dD(n+1)-电子层结构相同，则A、B在C、D的下一周期，且A在B的左边，C在D的右边。
A．依据电子层数多半径大及同周期元素从左往右原子半径依次减小的递变规律，原子半径大小：C﹤D﹤B﹤A，A不正确；
B．A、B可能为第四周期元素，C、D都是短周期元素，B不正确；
C．A、B同周期且A在B的左边，金属性AB，单质的还原性A＞B，C不正确；
D．由以上分析知，A、B在C、D的下一周期，且A在B的左边，C在D的右边，原子序数：B＞A＞C＞D，D正确；
故选D。
7．C①离子化合物含离子键，也可能含极性键或非极性键，如H2O2、Na2O2，①项正确；
②元素最高价氧化物的水化物酸性越强，其非金属元素的非金属性越强，②项正确；
③含金属元素的化合物不一定是离子化合物，如AlCl3为共价化合物，③项正确；
④由非金属元素组成的化合物不一定是共价化合物，如铵盐为离子化合物，④项错误；
⑤熔融状态能导电的化合物是离子化合物，说明该化合物中含有自由移动的离子，⑤项正确；
⑥由分子组成的物质中不一定存在共价键，如稀有气体，⑥项错误；
综上所述，①②③⑤正确，故C项正确，
答案选C。
8．DA．相同条件下，气体的密度之比等于摩尔质量之比，所以相同条件N4气体比N2密度大，A正确；
B．N4分子中只有氮原子之间形成的共价键，B正确；
C．由题中N4分子结构可知，一个分子中含有6个共价键，所以1molN4分子所含共价键数为6NA，C正确；
D．N4分子中只有共价键，所以发生化学反应需要破坏的是共价键，D错误；
答案选D。
9．BA．二氧化碳分子中C原子与2个O之间的以C=O共价键结合，C=O共价键为极性共价键，A正确；
B．不存在CO中化学键的断裂，为CO和O生成CO2，B错误；
C．CO与O在催化剂表面形成化学键，生成CO2，C正确；
D．图中状态Ⅰ比状态Ⅲ的能量高，反应发生就有能量放出，反应为放热反应，D正确；
故合理选项是B。
10．C题干中明确指出，铑配合物[Rh(CO)2I2]—充当催化剂的作用，用于催化甲醇羰基化。由题干中提供的反应机理图可知，铑配合物在整个反应历程中成键数目，配体种类等均发生了变化；并且也可以观察出，甲醇羰基化反应所需的反应物除甲醇外还需要CO，最终产物是乙酸；因此，凡是出现在历程中的，既非反应物又非产物的物种如CH3COI以及各种配离子等，都可视作中间物种。
A．通过分析可知，CH3COI属于甲醇羰基化反应的反应中间体；其可与水作用，生成最终产物乙酸的同时，也可以生成使甲醇转化为CH3I的HI，A项正确；
B．通过分析可知，甲醇羰基化反应，反应物为甲醇以及CO，产物为乙酸，方程式可写成：
13．（1）过滤；三颈烧瓶（2）A；CO(NH2)2＋H2O2＝CO(NH2)2·H2O2（3）铁、铜离子等会催化过氧化氢分解(4)①滴入最后一滴KMnO4标准溶液时，溶液恰好变为浅红色，且半分钟内不褪色②不合格；12．80%（5）以防由于分解速度过快使反应液喷溅到试管外（6）NaOH＋H2O2＝NaHO2＋H2O
(1)分离后得到固体产品和母液，所以分离操作为过滤；反应器的名称为三颈烧瓶；
(2)过氧化尿素是尿素分子与过氧化氢分子之间通过氢键结合形成，共价键、离子键不是分子间作用力，氢键不属于化学键，所以选A；反应器中的反应物有尿素和过氧化氢，产物为过氧化尿素，根据元素守恒可得化学方程式为CO(NH2)2＋H2O2＝CO(NH2)2·H2O2；
(3)工业尿素中含有铁、铜等杂质离子，不添加稳定剂，铁、铜离子等会催化过氧化氢分解，导致产品稳定率差；
(4)①达到滴定终点时H2O2完全反应，再滴入高锰酸钾不再反应，溶液会显浅红色，所以滴定终点的现象为：滴入最后一滴KMnO4标准溶液时，溶液恰好变为浅红色，且半分钟内不褪色；
②高锰酸钾溶液的浓度为0．0mol/L，消耗的体积为8．mL，根据发生的反应方程式可知