元素“位—構—性”的關系及元素綜合推斷的模型探究

福建 王書紅

一、元素“位-構-性”的關系

元素在周期表中的位置，反映了元素的原子結構和元素的性質，而根據(jù)元素的原子結構又可推測它在元素周期表中的位置和性質，三者之間的關系如圖所示。

二、元素推斷題三種常見類型及解題思路

1.類型一 根據(jù)元素原子的核外電子排布推斷元素

(1)解題的一般思路

以原子結構、核外電子排布特征為突破口推測元素，是元素推斷題的重要類型之一。題目通常以文字敘述的形式給出元素原子的核外電子排布、位置關系等關鍵信息。解題時可結合短周期元素的原子結構，利用核外電子的排布三大規(guī)律即最外層電子規(guī)律、“陰三、陽四”規(guī)律、“陰上、陽下”規(guī)律對元素進行合理的推斷。推斷思路為:

(2)核外電子的排布三大規(guī)律

①最外層電子規(guī)律

最外層電子數(shù)(n)3≤n<8n=1或2n>次外層電子數(shù)元素在周期表中的位置ⅢA族～ⅦA族ⅠA族、ⅡA族、Ⅷ族、副族、0族元素氦第二周期(Li、Be)除外

②“陰三、陽四”規(guī)律：某元素陰離子最外層電子數(shù)與次外層電子數(shù)相等，該元素位于第三周期；若為陽離子，則位于第四周期。如Cl-、Ca2+最外層電子數(shù)與次外層電子數(shù)相等，則Cl位于第三周期，Ca位于第四周期。

③“陰上、陽下”規(guī)律：核外電子排布相同的離子，電性相同則在同周期；電性不同則陽離子位于陰離子的下一周期。如O2-、Na+電子層結構相同，則Na位于O的下一周期。

2.類型二 根據(jù)元素在周期表中的位置，推測元素及化合物的化學式

(1)解題的一般思路

近幾年考試的熱點問題是以文字描述給出元素在周期表中的相對位置并給出由它們組成的最新科研成果中化合物的結構，以此來推測元素種類；以圖像形式給出改變原子序數(shù)時原子半徑(離子半徑)遞變規(guī)律及改變原子序數(shù)時元素化合價遞變規(guī)律，以此來推測元素種類。解答此類題目時，首先是確定信息元素在周期表中的位置，然后以此為“坐標原點”，結合所給化合物中元素的成鍵特點及元素在周期表中的相對位置關系推測其他未知元素。其解題的一般思路為：

(2)主族元素的成鍵特點

①能形成簡單陰陽離子的元素一般為ⅠA、ⅡA、ⅥA、ⅦA族活潑的金屬或者非金屬元素；

②從形成共價鍵的個數(shù)推斷：

族序數(shù)ⅣAⅤAⅥAⅦA成鍵個數(shù)4321

3.類型三 根據(jù)元素單質或化合物的特性推斷元素

(1)解題的一般思路

利用元素及其化合物特殊組成與特殊性質推斷題，是近幾年高考的熱點題型，題目一般通過文字敘述提供某些元素及其化合物的相關性質(如能腐蝕玻璃、黃綠色氣體等)，解題時抓住這些關鍵特性，首先確定其為何種元素，然后以此為突破口，推知其他未知元素。其解題的一般思路為：

(2)主族元素常見的某些特殊性質

①H：原子半徑最小的元素；氣體單質密度最小的元素；元素原子的原子核中只有質子沒有中子的元素；原子序數(shù)、電子層數(shù)、最外層電子數(shù)都相等的元素。②C：形成化合物種類最多的元素；單質是自然界中硬度最大的物質的元素；氣態(tài)氫化物中氫的質量分數(shù)最大的元素。③O：地殼中含量最多的元素；短周期非金屬氫化物的沸點最高的元素；氫化物在通常情況下呈液態(tài)的元素。④Cs：最活潑的金屬元素；最高價氧化物對應水化物堿性最強的元素；陽離子的氧化性最弱的元素。⑤Na：焰色反應呈黃色的元素；短周期金屬元素中與水反應最劇烈的單質對應的元素。⑥F：氣態(tài)氫化物最穩(wěn)定的元素；只有負價而無正價的元素。⑦Li：單質密度最小的金屬元素。⑧Al：最高價氧化物及其水化物既能與強酸反應，又能與強堿反應的元素。⑨S：元素的氣態(tài)氫化物和它的最高價氧化物對應水化物發(fā)生氧化還原反應的元素。⑩存在同素異形體的元素：C、P、O、S。

類型一 根據(jù)元素原子的核外電子排布推斷元素

【例1】(2021·全國甲卷)W、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素，Z的最外層電子數(shù)是W和X的最外層電子數(shù)之和，也是Y的最外層電子數(shù)的2倍。W和X的單質常溫下均為氣體。下列敘述正確的是

( )

A.原子半徑：Z>Y>X>W

B.W與X只能形成一種化合物

C.Y的氧化物為堿性氧化物，不與強堿反應

D.W、X和Z可形成既含有離子鍵又含有共價鍵的化合物

【答案】D

【解題思路】W、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素，Z的最外層電子數(shù)是W和X的最外層電子數(shù)之和，也是Y的最外層電子數(shù)的2倍，則分析知，Z的最外層電子數(shù)為偶數(shù)，W和X的單質常溫下均為氣體，則推知W和X為非金屬元素，所以可判斷W為H元素，X為N元素，Z的最外層電子數(shù)為1+5=6，Y的最外層電子數(shù)為3，則Y為Al元素，Z為S元素。電子層數(shù)越多的元素原子半徑越大，同周期元素原子半徑依次減弱，則原子半徑：Y(Al)>Z(S)>X(N)>W(H)，A錯誤；W為H元素，X為N元素，兩者可形成NH3和N2H4，B錯誤；Y為Al元素，其氧化物為兩性氧化物，可與強酸、強堿反應，C錯誤；W、X和Z可形成(NH4)2S、NH4HS，兩者既含有離子鍵又含有共價鍵，D正確。

【例2】(2020·全國Ⅱ卷)一種由短周期主族元素組成的化合物(如圖所示)，具有良好的儲氫性能，其中元素W、X、Y、Z的原子序數(shù)依次增大、且總和為24。下列有關敘述錯誤的是

( )

A.該化合物中，W、X、Y之間均為共價鍵

B.Z的單質既能與水反應，也可與甲醇反應

C.Y的最高化合價氧化物的水化物為強酸

D.X的氟化物XF3中原子均為8電子穩(wěn)定結構

【答案】D

【解題思路】一種由短周期主族元素形成的化合物，具有良好的儲氫性能，其中元素W、X、Y、Z的原子序數(shù)依次增大，且總和為24，根據(jù)圖示，W形成1個共價鍵，且原子序數(shù)最小，故W為H元素，Z為+1價陽離子，Z為 Na元素，Y形成3個共價鍵，Y為N元素，24-1-11-7=5，X為B元素。A．該化合物中，H、B、N之間形成共價鍵，正確；B．Na單質既能與水反應生成氫氧化鈉和氫氣，也能與甲醇反應生成甲醇鈉和氫氣，正確；C．N的最高價氧化物的水化物(HNO3)為強酸，正確；D．B的氟化物BF3中B原子最外層只有6個電子，不滿足8電子穩(wěn)定結構，錯誤；故選D。

【例3】(2019·全國Ⅰ卷)科學家合成出了一種新化合物(如圖所示),其中W、X、Y、Z為同一短周期元素,Z核外最外層電子數(shù)是X核外電子數(shù)的一半。下列敘述正確的是

( )

A.WZ的水溶液呈堿性

B.元素非金屬性的順序為X>Y>Z

C.Y的最高價氧化物的水化物是中強酸

D.該新化合物中Y不滿足8電子穩(wěn)定結構

【答案】D

【解題思路】W、X、Y、Z為同一短周期元素，可能同處于第二或第三周期，觀察新化合物的結構示意圖可知，X形成四個共價鍵，可能為C或 Si。若X為C，則Z核外最外層電子數(shù)為C原子核外電子數(shù)的一半，即為3，對應B元素，不符合成鍵要求，不符合題意，故X為Si元素，W能形成+1價陽離子，可推出W為Na元素，Z核外最外層電子數(shù)為Si原子核外電子數(shù)的一半，即為7，可推出Z為Cl元素。Y能與2個Si原子形成共價鍵，另外得到1個電子達到8電子穩(wěn)定結構，說明Y原子最外層有5個電子，進一步推出Y為P元素，即W、X、Y、Z分別為Na、Si、P、Cl元素。WZ為NaCl，其水溶液呈中性，A項錯誤；元素非金屬性：Cl>P>Si，B項錯誤；P的最高價氧化物的水化物為H3PO4，是中強酸，C項正確；P原子最外層有5個電子，與2個Si原子形成共價鍵，另外得到1個電子，在該化合物中P元素滿足8電子穩(wěn)定結構，D項錯誤。

類型二 根據(jù)元素在周期表中的位置，推測元素及化合物的化學式

【例4】X、Y、Z、M、Q、R皆為前20號元素，其原子半徑與化合價的關系如圖所示。下列說法錯誤的是

( )

A．Q的M層電子數(shù)為1

B．X、Y、Z三種元素組成的化合物可能是鹽或堿

C．簡單離子半徑：M->Q+>R2+

D．Z與M的最高價氧化物對應的水化物均為強酸

【答案】D

【例5】W、X、Y、Z是4種常見的短周期元素，其原子半徑隨原子序數(shù)變化如圖所示。已知W的一種核素的質量數(shù)為18，中子數(shù)為10；X和氖原子的核外電子數(shù)相差1；Y的單質是一種常見的半導體材料；Z的非金屬性在同周期元素中最強，下列說法正確的是

( )

A.X的非金屬性是同周期中最強的

B.對應氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性：Y>Z

C.對應簡單離子半徑：X>W

D.Z的單質能與X的最高價氧化物對應的水化物反應

【答案】D

【解題思路】由條件可知，W的原子序數(shù)是8，則W是氧元素，又因為W、X、Y、Z的原子序數(shù)遞增，原子半徑X最大，且X和氖原子的核外電子數(shù)相差1，故X是鈉元素，Y的單質是一種常見的半導體材料，則Y是硅元素，Z的非金屬性在同周期元素中最強，則Z是氯元素，據(jù)此分析解題。A．由分析可知，X為Na元素，故其金屬性是同周期中最強的，錯誤；B．由分析可知，Y為Si元素，Z為Cl元素，同一周期從左往右元素的非金屬性逐漸增強，對應的氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性也逐漸增強，故Z>Y，錯誤；C．氧離子和鈉離子具有相同的核外電子排布，核電荷數(shù)Na>O，故對應簡單離子半徑：W>X，錯誤；D．Z的單質即Cl2能與X的最高價氧化物對應的水化物即氫氧化鈉反應，正確。

類型三 根據(jù)元素單質或化合物的特性推斷元素

【例6】(2020·全國Ⅲ卷)W、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期元素，四種元素的核外電子總數(shù)滿足X+Y=W+Z；化合物XW3與WZ相遇會產(chǎn)生白煙。下列敘述正確的是

( )

A．非金屬性：W>X>Y>Z

B．原子半徑:Z>Y>X>W

C．元素X的含氧酸均為強酸

D．Y的氧化物水化物為強堿

【答案】D

【解題思路】根據(jù)題干信息可知，W、X、Y、Z為原子序數(shù)依次增大的短周期元素，化合物XW3與WZ相遇會產(chǎn)生白煙，則XW3為NH3，WZ為HCl，所以W為H元素，X為N元素，Z為Cl元素，又因為四種元素的核外電子總數(shù)滿足X+Y=W+Z，則Y的核外電子總數(shù)為11，Y為Na元素，據(jù)此分析解答。Na為金屬元素，非金屬性最弱，非金屬性YCl>N>H，B項錯誤；N元素的含氧酸不一定全是強酸，如HNO2為弱酸，C項錯誤；Y的氧化物水化物為NaOH，屬于強堿，D項正確。

【例7】(2021·1月浙江卷)現(xiàn)有4種短周期主族元素X、Y、Z和Q，原子序數(shù)依次增大，其中Z、Q在同一周期。相關信息如表:

元素相關信息X最外層電子數(shù)是核外電子總數(shù)的一半Y最高化合價和最低化合價之和為零Z單質為淡黃色固體,常存在于火山噴口附近Q同周期元素中原子半徑最小

下列說法正確的是

( )

A.常溫時，X單質能與水發(fā)生劇烈反應

B.Y與Q元素組成的YQ4分子，空間構型為正四面體

C.Y、Z、Q最高價氧化物對應水化物的酸性依次減弱

D.第五周期且與Q同主族元素的單質在常溫常壓下呈液態(tài)

【答案】B

【解題思路】X原子的最外層電子數(shù)是核外電子總數(shù)的一半，由于最外層電子數(shù)不超過8個，因此X只能是第二周期的Be；Y元素的最高化合價和最低化合價之和為零，位于第ⅣA族，Y是C或Si；Z單質為淡黃色固體，常存在于火山噴口附近，因此Z是S；Q是同周期元素中原子半徑最小，且Z和Q位于同一周期，因此Q是Cl，據(jù)此解答。Be的金屬性弱于Mg，常溫時鎂和冷水不反應，因此Be單質不能與水發(fā)生劇烈反應，A錯誤；Y與Q元素組成的CCl4或SiCl4分子，空間構型均為正四面體，B正確；Y、Z、Q三種元素的非金屬性逐漸增強，非金屬性越強，最高價含氧酸的酸性越強，則最高價氧化物對應水化物的酸性依次增強，C錯誤；第五周期且與Cl同主族元素的單質是碘，在常溫常壓下呈固態(tài)，D錯誤；故選B。