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。

有几点值得特别注意。第一，电子的质量仅为质子的约 $\dfrac{1}{1836}$，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。

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 $17$，质量数为 $35$，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 $1$，碳是 $6$，氯是 $17$，金是 $79$。

质子数用符号 $Z$ 表示，中子数用 $N$ 表示，质量数用 $A$ 表示。三者之间的关系是：

由于质子和中子的相对质量都约为 $1$，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：

其中 $\text{X}$ 是元素符号，左上角是质量数 $A$，左下角是质子数 $Z$（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 $^{12}_{6}\text{C}$，氯-35 写作 $^{35}_{17}\text{Cl}$，铁-56 写作 。

例题：从核素符号读取粒子信息

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

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：

三种同位素的质子数都是 $1$，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”（$\text{D}_2\text{O}$），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 $^{12}_{6}\text{C}$ 和 $^{13}_{6}\text{C}$ 是稳定同位素，$^{14}_{6}\text{C}$ 是放射性同位素，半衰期约为 年。考古学上常利用古代有机物中 的衰变程度来推算其年代，这就是“碳-14 测年法”。

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：$^{35}_{17}\text{Cl}$ 的丰度为 $75.77\%$，相对原子质量取 $34.97$；$^{37}_{17}\text{Cl}$ 的丰度为 ，相对原子质量取 。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 $n = 1, 2, 3, 4, \ldots$ 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 $2n^2$ 给出。

除了各层最多容纳 $2n^2$ 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 $8$（若第一层作为最外层，则不超过 $2$）；次外层电子数不超过 $18$。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（$Z=11$）的排布写作 $2, 8, 1$，表示 K 层 $2$ 个、L 层 $8$ 个、M 层 $1$ 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（$2$ 或 $8$ 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 $1$ 或 $2$ 个电子的元素（如 Na）容易失去电子，最外层有 $6$ 或 $7$ 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。

例题：写出磷原子的核外电子排布

磷的原子序数为 $15$，写出其核外电子在各层的分布，并说明磷的化学活性。

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：

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：$\text{Na}^+$、$\text{Mg}^{2+}$、$\text{O}^{2-}$、$\text{F}^-$ 的核外电子数都是 ，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。

例题：从电子数和质子数判断离子

某粒子的核外有 $18$ 个电子，质子数为 $16$，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。

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 $1.993 \times 10^{-26}\ \text{kg}$，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 $^{12}_{6}\text{C}$ 质量的 $\dfrac{1}{12}$ 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 ：

这样定义后，$^{12}\text{C}$ 的相对原子质量恰好等于 $12$，氢约等于 $1$，氧约等于 $16$，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：$^{1}\text{H}$ 为主
  • 各同位素质量数：$1$
  • 元素周期表相对原子质量：$1.008$

• 碳（C）

  • 主要同位素：$^{12}\text{C}$ 为主
  • 各同位素质量数：$12$，，

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 $35.45$ 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

第二题　考查同位素的概念。下列说法正确的是（　　）。

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

B. $^{35}_{17}\text{Cl}$ 与 $^{37}_{17}\text{Cl}$ 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

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

A. 是金属元素，原子序数为 $14$，容易失去电子

B. 是非金属元素，最外层有 $6$ 个电子，容易再得到 $2$ 个电子

C. 是稀有气体，化学性质稳定

D. 最外层电子数为 $6$，需失去 $6$ 个电子才能达到稳定结构

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

A. 质子数 $16$，中子数 $16$，电子数 $16$

B. 质子数 $16$，中子数 $16$，电子数 $18$

C. 质子数 $16$，中子数 $18$，电子数 $18$

D. 质子数 $14$，中子数 $16$，电子数 $16$

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：$^{79}_{35}\text{Br}$ 的相对原子质量取 $78.92$，$^{81}_{35}\text{Br}$ 的相对原子质量取 $80.92$。已知溴的相对原子质量为 ，求 的天然丰度，并验算结果。

第六题　考查物质的量与粒子数目的综合计算。$54\ \text{g}$ 水（$\text{H}_2\text{O}$，摩尔质量 $M = 18\ \text{g/mol}$）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 $10$ 个电子，$N_A=6.02\times {10}^{}$）

带 $2$ 个负电荷，该粒子为 $\text{S}^{2-}$（硫离子）。

展开：

整理：

解得：

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

验算：

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，$^{79}\text{Br}$ 和 $^{81}\text{Br}$ 的丰度非常接近，这就是为什么溴的相对原子质量（$79.90$）介于两个同位素质量数（$79$ 和 $81$）的正中间。

（2）水分子数目：

（3）每个水分子含 $10$ 个电子（氧原子 $8$ 个 $+$ 两个氢原子各 $1$ 个），电子总数为：

所以 $54\ \text{g}$ 水中共含约 $1.8 \times 10^{25}$ 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。