原子序数与相对原子质量

每一种化学元素都有自己独一无二的“身份编号”——原子序数，以及一个描述自身轻重的数据——相对原子质量。这两个数字看起来简单，却是整个化学学科的基石。掌握它们，就能读懂元素周期表，理解元素的化学行为，乃至预测物质的性质。

原子序数是什么

打开一张元素周期表，每个元素格子的左上角都有一个数字：氢是1，碳是6，钠是11，铁是26……这个数字就是原子序数，英文缩写通常写作 $Z$。

原子序数不是随意排列的，它直接等于该元素原子核中的质子数。质子数决定了元素的种类，而原子序数正是按质子数从小到大依次排列的结果。

这个等式意味着：只要知道一种元素的原子序数，就立刻知道它的原子核里有多少个质子；反过来，知道了质子数，也就找到了它在元素周期表中的位置。

例题 1

已知某元素的原子序数为16，请说出该元素的质子数，并推断其在中性原子状态下的核外电子数。

原子序数 = 质子数，所以质子数为 16。中性原子中，核外电子数等于质子数，因此核外电子数也为 16。这个元素是硫（S）。

原子序数与电中性的关系

中性原子整体不带电，这意味着正电荷与负电荷必须完全抵消。原子核中每个质子携带 $+1$ 单位正电荷，核外每个电子携带 $-1$ 单位负电荷。要使净电荷为零，两者数量必须相等：

结合原子序数的定义，在中性原子中存在这样一条三方等式：

这条关系在计算中极为常用。一旦已知原子序数，核外电子数就自动确定了——前提是该原子没有得失电子，处于中性状态。

例题 2

氯元素的原子序数为17。

（1）一个氯原子的核外有多少个电子？

（2）若该氯原子得到1个电子，变成氯离子 $\text{Cl}^-$，此时质子数和电子数各为多少？

相对原子质量的由来

原子的真实质量极小，一个氢原子的质量约为 $1.67 \times 10^{-27}$ 千克，直接用这个数字进行计算非常不便。科学家为此引入了一种“相对比较”的方法——以某种原子的质量为标准，用其他原子的质量与这个标准相比，得到一个没有单位的比值，称为相对原子质量。

国际上规定，以碳-12（即含有6个质子和6个中子的碳原子）质量的 $\dfrac{1}{12}$ 作为比较的基准单位：

其中 $m(\text{C-12})$ 表示一个碳-12原子的真实质量，约为 $1.993 \times 10^{-26}$ 千克，所以基准单位约为 $1.661 \times 10^{-27}$ 千克。

例题 3

氧原子的真实质量约为 $2.657 \times 10^{-26}$ 千克，碳-12原子的真实质量为 $1.993 \times 10^{-26}$ 千克，求氧原子的相对原子质量。

解：

氧原子的相对原子质量约为 16，与元素周期表中的数据一致。

用质子数与中子数估算相对原子质量

电子的质量极小，约为质子质量的 $\dfrac{1}{1836}$，在计算相对原子质量时可以忽略不计。原子核中的质子和中子质量相近，每个质子和中子的相对质量均约为1。因此，有一个非常实用的近似公式：

这个公式是化学计算中最常用的工具之一。它将“质量”与“粒子个数”联系起来，使得已知其中两个量便可求出第三个。

近似值与真实值之间存在微小差别，主要原因在于自然界中同一种元素往往存在多种同位素（中子数不同的原子），元素周期表中的相对原子质量是各同位素按丰度加权平均后的结果，并非整数。

例题 4

铝元素（Al）的原子序数为13，相对原子质量为27，求铝原子核中的中子数。

解：

铝原子核中含有 14个中子。

质子数、中子数与相对原子质量的三角关系

将以上内容整合起来，原子序数（质子数）、中子数和相对原子质量三者之间存在如下关系：

知道任意两个量，就能求出第三个。这是解题的核心逻辑：

其中，$A$ 代表相对原子质量，$Z$ 代表质子数（原子序数），$N$ 代表中子数。

例题 5

某原子的质子数为35，中子数为45，求：

相对原子质量在日常化学中的意义

元素周期表中每个元素格子下方的数值，就是该元素的相对原子质量。这个数字看似只是一个参考值，实际上在化学计算中无处不在。

计算一种物质的“摩尔质量”（以后会学到），需要用到相对原子质量；判断两种物质哪个“重”，也要比较相对原子质量；确定化合物中各元素的质量比，同样离不开它。

以水（H₂O）为例：一个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成。氢的相对原子质量为1，氧的相对原子质量为16，所以水分子的相对分子质量（各原子相对原子质量之和）为：

例题 6

二氧化碳（$\text{CO}_2$）由1个碳原子和2个氧原子构成。已知碳的相对原子质量为12，氧的相对原子质量为16，求二氧化碳的相对分子质量。

练习题

选择题

第1题【知识点：原子序数的含义】

下列关于原子序数的说法，正确的是：

A. 原子序数等于原子核中中子的数量

B. 原子序数等于原子核中质子的数量

C. 原子序数等于核外电子数与中子数之和

D. 原子序数在化学反应中可以发生改变

第2题【知识点：中子数的计算】

某原子的原子序数为20，相对原子质量为40，则该原子核中的中子数为：

A. 20

B. 40

C. 60

D. 10

第3题【知识点：相对原子质量的标准】

国际上规定，相对原子质量的标准是以哪种原子质量的多少分之一为基准？

A. 氢原子质量的 $\dfrac{1}{2}$

B. 氧原子质量的 $\dfrac{1}{16}$

C. 碳-12原子质量的 $\dfrac{1}{12}$

D. 碳-12原子质量的 $\dfrac{1}{6}$

第4题【知识点：原子序数、质子数与电子数的关系】

某中性原子 X，其原子序数为11。下列说法中错误的是：

A. 该原子核中有11个质子

B. 该原子核外有11个电子

C. 该原子核中有11个中子

D. 该原子的原子序数为11

计算题

第5题【知识点：三量综合计算】

已知磷元素（P）的原子序数为15，相对原子质量约为31。

（1）磷原子核中有多少个质子？

（2）磷原子核中有多少个中子？

（3）一个中性磷原子的核外有多少个电子？

第6题【知识点：相对分子质量计算】

氨气（$\text{NH}_3$）由1个氮原子（N）和3个氢原子（H）构成。已知氮的相对原子质量为14，氢的相对原子质量为1。

（1）求氨气的相对分子质量。

（2）氨气分子中，氮元素与氢元素的质量比是多少？

磷原子核中有 16个中子。

（3）中性原子中，核外电子数等于质子数：

一个中性磷原子的核外有 15个电子。

氨气的相对分子质量为 17。

（2）一个氨气分子中，氮元素的质量贡献为14，氢元素的质量贡献为 $3 \times 1 = 3$，因此质量比为：

氨气分子中氮元素与氢元素的质量比为 $\mathbf{14 : 3}$。