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上一节化学中的模型与尺度下一节电子层、轨道与能级
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化学进阶化学基础原子结构入门观点

原子结构入门观点

原子由质子、中子和电子构成，这只是一个起点。同样的原子图景还需要被继续加深：原子各部分的质量和电荷究竟是多少？同一种元素为什么会有质量不同的“版本”？电子又是按照什么规律在核外安排自己的位置？这些问题在基础阶段只是点到为止，而在更完整的化学框架下，它们都有更清晰、更实用的答案。

理解原子结构，是后续学习元素周期律、化学键乃至整个化学反应逻辑的根基。把原子内部每一种粒子的角色弄清楚，后续遇到的绝大多数化学规律都能从这里找到出发点。

原子世界有一条贯穿始终的线索：原子核里的质子数决定了元素的种类，核外电子的排布方式决定了元素的化学性质，而中子数的变化则带来同位素现象。三条线索各司其职，共同构成原子结构的完整图景。

原子内部的三种粒子

原子由原子核和核外电子两部分组成。原子核位于原子中央，体积极小，直径约为原子直径的万分之一，却集中了几乎全部的质量。核外电子分布在核周围的广大空间里，占据了原子体积的绝大部分。

原子核本身还可以继续细分，由质子和中子两种粒子构成。把三种粒子的基本性质并排对比，可以清楚看出它们在电荷和质量上的显著差异。

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有几点值得特别注意。第一，电子的质量仅为质子的约 11836\dfrac{1}{1836}18361​，在计算原子质量时几乎可以忽略，原子的质量基本上就等于其原子核的质量。第二，正常状态下（不带电的中性原子），质子数等于核外电子数，正负电荷相互抵消，整体呈电中性。第三，不同元素的原子，质子数一定不同——质子数是区分元素种类的唯一依据。

质子数决定元素的种类，这一点在化学里是绝对的。中子数可以不同，电子数可以因为得失而改变，但只要质子数一变，元素就跟着变了。

例题：根据质子数判断原子的粒子组成

已知某原子的质子数为 171717，质量数为 353535，求该原子的中子数和核外电子数。

原子序数与质量数

元素周期表中每个元素对应一个原子序数，这个序数在数值上等于该元素原子的质子数。氢的原子序数是 111，碳是 666，氯是 171717，金是 797979。

质子数用符号 ZZZ 表示，中子数用 NNN 表示，质量数用 AAA 表示。三者之间的关系是：

A=Z+NA = Z + NA=Z+N

由于质子和中子的相对质量都约为 111，而电子质量可以忽略，原子的质量数近似等于质子数与中子数之和，也就是相对原子质量的近似整数值。

从表中可以看出，较轻的元素质子数和中子数往往相近，而随着元素变重，中子数会逐渐超过质子数。这是因为在较重的原子核中，需要更多的中子来帮助维持核的稳定性。

核素符号的标准写法

为了在一个符号里同时表明元素种类和质量数，化学中使用标准的核素符号：

ZAX^{A}_{Z}\text{X}ZA​X

其中 X\text{X}X 是元素符号，左上角是质量数 AAA，左下角是质子数 ZZZ（有时省略，因为元素符号本身已经隐含了质子数的信息）。碳-12 写作 612C^{12}_{6}\text{C}612​C，氯-35 写作 1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl，铁-56 写作 2656Fe^{56}_{26}\text{Fe}2656​Fe。

例题：从核素符号读取粒子信息

写出 2656Fe^{56}_{26}\text{Fe}2656​Fe（铁-56）的质子数、中子数和核外电子数。

左下角数字是质子数：Z=26Z = 26Z=26。中性铁原子的核外电子数同样等于 262626。

左上角是质量数：A=56A = 56A=56。由 N=A−ZN = A - ZN=A−Z 得：

N=56−26=30N = 56 - 26 = 30N=56−26=30

铁-56 含有 262626 个质子、303030 个中子、262626 个核外电子。中子数比质子数多 444，这在较重的元素中是正常现象。

同位素：同一元素的不同“版本”

质子数相同但中子数不同的原子，属于同一种元素，却是不同的核素，这些核素互称同位素。同位素在化学性质上几乎完全相同——因为化学性质由核外电子的排布决定，而同位素的质子数（从而电子数）完全一致。但它们的物理性质有所不同，尤其体现在质量和核稳定性上。

氢元素有三种天然同位素，是最直观的例子：

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三种同位素的质子数都是 111，所以都是氢元素，化学性质基本一致，都能和氧结合形成水分子。氘和氧结合形成的水叫“重水”（D2O\text{D}_2\text{O}D2​O），外观与普通水相同，但密度略大，沸点也稍高。

碳元素同样有多种同位素，其中 612C^{12}_{6}\text{C}612​C 和 613C^{13}_{6}\text{C}613​C 是稳定同位素，614C^{14}_{6}\text{C}614​C 是放射性同位素，半衰期约为 573057305730 年。考古学上常利用古代有机物中 14C^{14}\text{C}14C 的衰变程度来推算其年代，这就是“碳-14 测年法”。

同位素的实际用途非常广泛：92235U^{235}_{92}\text{U}92235​U 是核电站的燃料；53131I^{131}_{53}\text{I}53131​I（碘-131）用于甲状腺疾病的诊断与治疗；612C^{12}_{6}\text{C}612​C 是国际上相对原子质量的标准参照物，所有元素的相对原子质量都以碳-12 质量的 112\dfrac{1}{12}121​ 作为基准来定义。

例题：计算元素的相对原子质量

氯有两种主要的天然同位素：1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl 的丰度为 75.77%75.77\%75.77%，相对原子质量取 34.9734.9734.97；1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl 的丰度为 24.23%24.23\%24.23%，相对原子质量取 36.9736.9736.97。计算氯的相对原子质量。

核外电子的分层排布

原子核外的电子不是随意飘散的，而是按照能量高低分布在不同的“层”里。能量较低的电子靠近原子核，能量较高的电子则在距核较远的外层。这种按能量分层的方式称为电子层（也叫能层）。

电子层从内向外用 n=1,2,3,4,…n = 1, 2, 3, 4, \ldotsn=1,2,3,4,… 依次编号，也可以用字母 K、L、M、N…… 来对应表示。各电子层最多能容纳的电子数，由公式 2n22n^22n2 给出。

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除了各层最多容纳 2n22n^22n2 个电子之外，电子排布还受到两条附加限制：最外层电子数不超过 888（若第一层作为最外层，则不超过 222）；次外层电子数不超过 181818。这三条规则共同决定了电子在各层的实际分布上限。

电子总是先填满能量低的内层，再填外层。描述某个原子的电子排布，通常从 K 层开始，把各层电子数从内到外依次列出。例如，钠（Z=11Z=11Z=11）的排布写作 2,8,12, 8, 12,8,1，表示 K 层 222 个、L 层 888 个、M 层 111 个。

几种典型元素的核外电子排布

可以明显看出一条规律：每当最外层达到“满员”状态（222 或 888 个），对应的元素就是稀有气体，化学性质极其稳定，几乎不参与化学反应。而最外层只有 111 或 222 个电子的元素（如 Na）容易失去电子，最外层有 666 或 777 个电子的元素（如 O、Cl）容易得到电子。这是金属性与非金属性强弱的直接根源。

最外层电子数是决定元素化学性质最核心的因素。大多数原子在化学反应中的“目标”，是通过得失或共用电子，让最外层达到 888 个电子的稳定结构（对氢和氦来说是 222 个），这个结构被称为“八隅体”。

例题：写出磷原子的核外电子排布

磷的原子序数为 151515，写出其核外电子在各层的分布，并说明磷的化学活性。

磷有 151515 个核外电子，从 K 层开始依次填入。K 层最多容纳 2×12=22 \times 1^2 = 22×12=2 个，先填 222 个。

K 层填满后剩余 15−2=1315 - 2 = 1315−2=13 个电子，继续填 L 层。L 层最多容纳 2×22=82 \times 2^2 = 82×22=8 个，填满 888 个。

L 层填满后剩余 13−8=513 - 8 = 513−8=5 个电子，全部放入 M 层。检验：M 层理论上限是 181818，而 5<185 < 185<18，且 M 层此时是最外层，5<85 < 85<8，满足所有限制。

磷的核外电子排布为 2,8,52, 8, 52,8,5（K 层 222 个、L 层 888 个、M 层 555 个）。最外层有 555 个电子，距“八隅体”还差 333 个，因此磷倾向于再得到 333 个电子，表现出非金属性，在化学反应中常形成 P3−\text{P}^{3-}P3− 或与其他元素共用电子。

原子结构与离子的形成

中性原子的电子数等于质子数，但原子在化学反应中常常得到或失去电子，变成带电的离子。失去电子后，电子数小于质子数，整体带正电，称为阳离子；得到电子后，电子数大于质子数，整体带负电，称为阴离子。

离子所带的电荷数等于质子数与核外电子数之差：

电荷数=Z−电子数\text{电荷数} = Z - \text{电子数}电荷数=Z−电子数

结果为正，说明失去了电子（阳离子）；结果为负，说明得到了电子（阴离子）。从表中还能发现一个有趣的规律：Na+\text{Na}^+Na+、Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+、O2−\text{O}^{2-}O2−、F−\text{F}^-F− 的核外电子数都是 101010，与氖（Ne）相同，它们都达到了同一种稳定的电子排布。化学反应中，原子失去或得到电子，往往是为了让最外层达到这种稳定状态。

离子和同位素是两个容易混淆的概念。同位素改变的是中子数，电子数不变，元素种类和化学性质都相同；离子改变的是电子数，质子数（元素种类）不变，但带上了电荷，化学行为与原来的原子已经不同。

例题：从电子数和质子数判断离子

某粒子的核外有 181818 个电子，质子数为 161616，求该粒子的元素符号及所带电荷，并指出其具有与哪种稀有气体相同的电子排布。

质子数 Z=16Z = 16Z=16，对应元素为硫（S）。

由电荷数公式：

电荷数=Z−电子数=16−18=−2\text{电荷数} = Z - \text{电子数} = 16 - 18 = -2电荷数=Z−电子数=16−18=−2

带 222 个负电荷，该粒子为 S2−\text{S}^{2-}S2−（硫离子）。

S2−\text{S}^{2-}S2− 的核外电子数为 181818，与氩（Ar，Z=18Z=18Z=18）的核外电子数相同，具有和氩一样的 2,8,82, 8, 82,8,8 电子排布，处于高度稳定的状态。

相对原子质量的本质

原子的实际质量非常小，例如一个碳-12 原子的质量约为 1.993×10−26 kg1.993 \times 10^{-26}\ \text{kg}1.993×10−26 kg，直接用这个数值计算十分不便。化学中用一个相对值来代替：以 612C^{12}_{6}\text{C}612​C 质量的 112\dfrac{1}{12}121​ 作为标准，其他原子与这个标准相比，得到的比值就是该原子的相对原子质量，记作 ArA_rAr​：

Ar(X)=m(X)112×m(12C)A_r(\text{X}) = \frac{m(\text{X})}{\dfrac{1}{12} \times m(^{12}\text{C})}Ar​(X)=121​×m(12C)m(X)​

这样定义后，12C^{12}\text{C}12C 的相对原子质量恰好等于 121212，氢约等于 111，氧约等于 161616，运算起来非常方便。元素周期表中给出的相对原子质量，是该元素各天然同位素按丰度加权平均后的结果，所以通常不是整数。

  • 氢（H）

    • 主要同位素：1H^{1}\text{H}1H 为主
    • 各同位素质量数：111
    • 元素周期表相对原子质量：1.0081.0081.008

  • 碳（C）

    • 主要同位素：12C^{12}\text{C}12C 为主
    • 各同位素质量数：121212，131313，141414
    • 元素周期表相对原子质量：12.01112.01112.011

  • 氧（O）

    • 主要同位素：16O^{16}\text{O}16O 为主
    • 各同位素质量数：161616，171717，181818
    • 元素周期表相对原子质量：15.99915.99915.999

  • 氯（Cl）

    • 主要同位素：35Cl^{35}\text{Cl}35Cl 和 37Cl^{37}\text{Cl}37Cl
    • 各同位素质量数：353535，373737
    • 元素周期表相对原子质量：35.4535.4535.45

从表中可以看出，当元素只有一种主要同位素（且丰度极高）时，相对原子质量非常接近整数；而氯有两种丰度相当的同位素，其相对原子质量 35.4535.4535.45 就明显偏离了整数值。

练习题

选择题

第一题　考查原子的基本构成。下列有关原子结构的说法，正确的是（　　）。

A. 原子核带正电，核外电子带负电，因此原子整体带正电

B. 质子数相同的微粒一定是同种元素的原子

C. 中性原子中，质子数等于核外电子数

D. 原子的质量主要集中在核外电子上

正确答案：C。

中性原子正负电荷相等，整体不带电，A 错。质子数相同的微粒可以是原子，也可以是失去或得到电子后的离子，并不一定是同种原子，B 错。电子质量约为质子的 11836\dfrac{1}{1836}18361​，原子质量几乎全部集中在原子核（质子和中子）上，D 错。只有 C 正确描述了中性原子的电中性特征。

第二题　考查同位素的概念。下列说法正确的是（　　）。

A. 612C^{12}_{6}\text{C}612​C 与 614C^{14}_{6}\text{C}614​C 质子数相同，属于同种原子，物理性质完全相同

B. 1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl 与 1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl 互为同位素，化学性质几乎完全相同

C. 同位素的质量数相同，但中子数不同

D. 同位素的化学性质不同，因为中子数不同

正确答案：B。

612C^{12}_{6}\text{C}612​C 与 614C^{14}_{6}\text{C}614​C 虽是同一元素的同位素，但中子数不同，质量也不同，物理性质有差异，A 错。同位素质子数相同，质量数（即质子数 +++ 中子数）不同，C 说“质量数相同”是错的。化学性质由核外电子排布决定，同位素质子数相同则电子排布相同，化学性质几乎一致，D 错。B 正确。

第三题　考查核外电子排布。某元素原子的核外电子排布为 2,8,62, 8, 62,8,6，则该元素（　　）。

A. 是金属元素，原子序数为 141414，容易失去电子

B. 是非金属元素，最外层有 666 个电子，容易再得到 222 个电子

C. 是稀有气体，化学性质稳定

D. 最外层电子数为 666，需失去 666 个电子才能达到稳定结构

正确答案：B。

电子排布 2,8,62, 8, 62,8,6 共有 2+8+6=162+8+6=162+8+6=16 个电子，原子序数为 161616，对应元素硫（S），A 中说原子序数 141414 错误。最外层 666 个电子，距“八隅体”还差 222 个，得到 222 个电子比失去 666 个电子容易得多，D 错。该元素不是稀有气体（稀有气体最外层满员），C 错。B 正确。

第四题　考查核素符号与离子粒子数目。1632S2−^{32}_{16}\text{S}^{2-}1632​S2− 离子的质子数、中子数和核外电子数分别是（　　）。

A. 质子数 161616，中子数 161616，电子数 161616

B. 质子数 161616，中子数 161616，电子数 181818

C. 质子数 161616，中子数 181818，电子数 181818

D. 质子数 141414，中子数 161616，电子数 161616

正确答案：B。

由核素符号 1632S2−^{32}_{16}\text{S}^{2-}1632​S2−，左下角质子数 Z=16Z = 16Z=16，左上角质量数 A=32A = 32A=32，中子数 N=A−Z=32−16=16N = A - Z = 32 - 16 = 16N=A−Z=32−16=16。该离子带 222 个负电荷，说明比原子多得到了 222 个电子，核外电子数 =16+2=18= 16 + 2 = 18=16+2=18。所以质子数 161616、中子数 161616、电子数 181818，答案为 B。C 中中子数 181818 是错的，D 中质子数 141414 明显错误。

计算题

第五题　考查同位素丰度与相对原子质量的计算。溴（Br）有两种主要的天然同位素：3579Br^{79}_{35}\text{Br}3579​Br 的相对原子质量取 78.9278.9278.92，3581Br^{81}_{35}\text{Br}3581​Br 的相对原子质量取 80.9280.9280.92。已知溴的相对原子质量为 79.9079.9079.90，求 3579Br^{79}_{35}\text{Br}3579​Br 的天然丰度，并验算结果。

设 79Br^{79}\text{Br}79Br 的天然丰度为 xxx，则 81Br^{81}\text{Br}81Br 的丰度为 1−x1 - x1−x。

按加权平均建立方程：

78.92x+80.92(1−x)=79.9078.92x + 80.92(1 - x) = 79.9078.92x+80.92(1−x)=79.90

展开：

78.92x+80.92−80.92x=79.9078.92x + 80.92 - 80.92x = 79.9078.92x+80.92−80.92x=79.90

整理：

−2.00x=79.90−80.92=−1.02-2.00x = 79.90 - 80.92 = -1.02−2.00x=79.90−80.92=−1.02

解得：

x=−1.02−2.00=0.51=51%x = \frac{-1.02}{-2.00} = 0.51 = 51\%x=−2.00−1.02​=0.51=51%

所以 79Br^{79}\text{Br}79Br 的天然丰度约为 51%51\%51%，81Br^{81}\text{Br}81Br 的丰度约为 49%49\%49%。

验算：

78.92×0.51+80.92×0.49=40.25+39.65=79.9078.92 \times 0.51 + 80.92 \times 0.49 = 40.25 + 39.65 = 79.9078.92×0.51+80.92×0.49=40.25+39.65=79.90

与题目给定的相对原子质量完全吻合。从这道题还可以看出，79Br^{79}\text{Br}79Br 和 81Br^{81}\text{Br}81Br 的丰度非常接近，这就是为什么溴的相对原子质量（79.9079.9079.90）介于两个同位素质量数（797979 和 818181）的正中间。

第六题　考查物质的量与粒子数目的综合计算。54 g54\ \text{g}54 g 水（H2O\text{H}_2\text{O}H2​O，摩尔质量 M=18 g/molM = 18\ \text{g/mol}M=18 g/mol）中：（1）含多少摩尔水分子？（2）含多少个水分子？（3）共含多少个电子？（已知每个水分子含 101010 个电子，NA=6.02×1023 mol−1N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}NA​=6.02×1023 mol−1）

（1）水的物质的量：

n=mM=54 g18 g/mol=3 moln = \frac{m}{M} = \frac{54\ \text{g}}{18\ \text{g/mol}} = 3\ \text{mol}n=Mm​=18 g/mol54 g​=3 mol

（2）水分子数目：

N=n×NA=3 mol×6.02×1023 mol−1=1.806×1024 个N = n \times N_A = 3\ \text{mol} \times 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} = 1.806 \times 10^{24}\ \text{个}N=n×NA​=3 mol×6.02×1023 mol−1=1.806×1024 个

（3）每个水分子含 101010 个电子（氧原子 888 个 +++ 两个氢原子各 111 个），电子总数为：

N电子=1.806×1024×10=1.806×1025 个N_{\text{电子}} = 1.806 \times 10^{24} \times 10 = 1.806 \times 10^{25}\ \text{个}N电子​=1.806×1024×10=1.806×1025 个

所以 54 g54\ \text{g}54 g 水中共含约 1.8×10251.8 \times 10^{25}1.8×1025 个电子。这道题把物质的量、阿伏伽德罗常数和原子结构的知识串联在一起：先用质量换算出摩尔数，再换算成分子数，最后利用每个分子的电子数求出总电子数。

  • 原子内部的三种粒子
    • 例题：根据质子数判断原子的粒子组成
  • 原子序数与质量数
    • 核素符号的标准写法
    • 例题：从核素符号读取粒子信息
  • 同位素：同一元素的不同“版本”
    • 例题：计算元素的相对原子质量
  • 核外电子的分层排布
    • 几种典型元素的核外电子排布
    • 例题：写出磷原子的核外电子排布
  • 原子结构与离子的形成
    • 例题：从电子数和质子数判断离子
  • 相对原子质量的本质
  • 练习题
    • 选择题
    • 计算题

目录

  • 原子内部的三种粒子
    • 例题：根据质子数判断原子的粒子组成
  • 原子序数与质量数
    • 核素符号的标准写法
    • 例题：从核素符号读取粒子信息
  • 同位素：同一元素的不同“版本”
    • 例题：计算元素的相对原子质量
  • 核外电子的分层排布
    • 几种典型元素的核外电子排布
    • 例题：写出磷原子的核外电子排布
  • 原子结构与离子的形成
    • 例题：从电子数和质子数判断离子
  • 相对原子质量的本质
  • 练习题
    • 选择题
    • 计算题