第1講-人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

【暑假起跑線】2021年初升高化學(xué)教材知識(shí)銜接講義第1講人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)教材分析初中教材要求高中教材要求在初中化學(xué)中，只要求學(xué)生了解分子、原子、離子都是構(gòu)成物質(zhì)的一種微粒，了解原子是由原子核和核外電子構(gòu)成，以及相對(duì)原子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量的概念和意義。在高中化學(xué)中，要加深對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，掌握原子、電子、質(zhì)子、中子之間的定量關(guān)系，理解核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能用原子結(jié)構(gòu)示意圖、電子式來(lái)表示原子核外電子排布特點(diǎn)，推斷元素性質(zhì)。學(xué)會(huì)計(jì)算原子、原子團(tuán)的電子數(shù)。1．原子原子的英文名(Atom)是從?τομοζ(atomos，“不可切分的”)轉(zhuǎn)化而來(lái)。很早以前，希臘和印度的哲學(xué)家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世紀(jì)時(shí)，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)的依據(jù)：對(duì)于某些物質(zhì)，不能通過(guò)化學(xué)手段將其繼續(xù)的分解。19世紀(jì)晚期和20世紀(jì)早期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子以及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此證明原子并不是不能進(jìn)一步切分。原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位，一個(gè)原子包含有一個(gè)致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子，原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。在原子中，質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同，原子表現(xiàn)為電中性。如果質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)不相同，就成為帶有正電荷或者負(fù)電荷的離子。根據(jù)質(zhì)子和中子數(shù)量的不同，原子的類型也不同，質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于哪一種元素。原子是一個(gè)極小的物體，其質(zhì)量也很微小，原子的99.9%的重量集中在原子核，其中的質(zhì)子和中子有著相近的質(zhì)量，目前可用掃描隧道顯微鏡觀察并撥動(dòng)單個(gè)原子，下圖為超高真空多功能掃描隧道顯微鏡，中圖為顯微鏡下的硅原子結(jié)構(gòu)，右圖為在掃描隧道顯微鏡下科學(xué)家撥動(dòng)49個(gè)鐵原子排列在鋼表面上形成的一個(gè)圓形柵欄。2．構(gòu)成物質(zhì)的微粒構(gòu)成物質(zhì)的微粒有原子、分子和離子。原子是化學(xué)變化中的最小微粒，能直接構(gòu)成物質(zhì)，如金剛石、石墨等。分子是構(gòu)成物質(zhì)的一種微粒，更多的研究結(jié)果表明，分子是由原子結(jié)合而成的，如：He、O2、O3、H2O、CO2、H2SO4等。原子可以通過(guò)得到或失去電子形成離子，離子也是構(gòu)成物質(zhì)的微粒，如氯化鈉就是由Na＋和Cl－構(gòu)成的。1．原子結(jié)構(gòu)的演變?cè)咏Y(jié)構(gòu)模型是科學(xué)家根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)，對(duì)原子結(jié)構(gòu)的形象描摹，一種模型代表了人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的一個(gè)階段。人類認(rèn)識(shí)原子的歷史是漫長(zhǎng)的，也是無(wú)止境的。原子結(jié)構(gòu)模型主要經(jīng)歷了以下演變過(guò)程：道爾頓原子模型(1803年)：原子是組成物質(zhì)的基本粒子，它們是堅(jiān)實(shí)的、不可再分的實(shí)心球體。湯姆生原子模型(1904年)：原子是一個(gè)平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，中和了正電荷，形成中性原子，俗稱“棗糕式”模型，糕體相當(dāng)于原子核，分散在其中的棗子相當(dāng)于電子。盧瑟福原子模型(1911年)：在原子的中心有一個(gè)帶正電荷的核，它的質(zhì)量幾乎等于原子的全部質(zhì)量，電子在它的周圍沿著不同的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，就像行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。玻爾原子模型(1913年)：電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運(yùn)動(dòng)。2．原子的組成原子是化學(xué)反應(yīng)中的最小微粒，在化學(xué)反應(yīng)中不可分割。科學(xué)研究表明，絕大多數(shù)原子的原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量、所帶電荷各不相同。1個(gè)質(zhì)子帶1個(gè)單位的正電荷，1個(gè)電子帶1個(gè)單位的負(fù)電荷，中子不顯電性。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與原子核外的電子數(shù)相等，所以原子呈電中性。原子核所含質(zhì)子數(shù)，也就是所帶的正電荷數(shù)又稱核電荷數(shù)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)不同元素的原子所含的質(zhì)子數(shù)各不相同，而且目前發(fā)現(xiàn)的所有原子中，其質(zhì)子數(shù)按1、2、3、4、5……依次遞增，剛好和自然整數(shù)序列一致，習(xí)慣上，人們就把原子中所含質(zhì)子數(shù)稱為原子序數(shù)，原子序數(shù)在數(shù)值上等于其核電荷數(shù)。階段一般要求了解原子序數(shù)在18以內(nèi)的原子所帶的質(zhì)子數(shù)、核外電子數(shù)。原子核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝核外電子數(shù)＝原子序數(shù)原子eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(核外電子帶負(fù)電,原子核\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(質(zhì)子帶正電,中子不帶電))))3．原子核外電子排布在化學(xué)家們想像的模型中，每一個(gè)原子中的核外電子都繞核作高速運(yùn)動(dòng)，永不停止，也不勞累。在多電子原子中，則近似認(rèn)為電子在原子核外的不同區(qū)域內(nèi)繞核運(yùn)動(dòng)，又稱為分層運(yùn)動(dòng)或分層排布。原子核外，由里到外、由近到遠(yuǎn)地分布著不同的電子層，供不同的電子繞核運(yùn)動(dòng)，尤如大都市中心城區(qū)外圍所修的繞城公路，供不同性能、不同用途的機(jī)動(dòng)車運(yùn)行，從而保證交通有序運(yùn)行。人們常把原子中電子的這種分層運(yùn)動(dòng)用下圖表示，中心圓圈表示原子核，圍繞其外圍的圓表示各個(gè)電子層，每個(gè)弧線上的小圓圈代表在其上運(yùn)動(dòng)著的電子。通常由里到外依次稱為第一層(又稱K層，層序數(shù)n＝1)、第二層(又稱L層，層序數(shù)n＝2)、第三層(又稱M層，層序數(shù)n＝3)…………反過(guò)來(lái)，排在最外面的層也稱為最外層，然后依次為倒數(shù)第二層(習(xí)慣上稱為次外層)、倒數(shù)第三層……去掉最外層，其他的層統(tǒng)稱為內(nèi)層。這種表示方法雖然形象但過(guò)于繁瑣，通常將以上圖示簡(jiǎn)化為右圖，其中“小圓圈”代表原子核，“＋”表示原子核帶正電荷，“8”表示原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，也就是核所帶電荷數(shù)，右邊弧線從左至右表示電子層，其上數(shù)字表示在該層運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)。如圖表示核內(nèi)有8個(gè)質(zhì)子的原子核外電子的分層排布情況，第一層有2個(gè)電子，第二層有6個(gè)電子，這種圖示被稱為“原子結(jié)構(gòu)示意圖”，用于表示原子的核外電子分層排布。根據(jù)距離中心城區(qū)的遠(yuǎn)近，通過(guò)制訂一定的交通規(guī)則，讓不同動(dòng)力、不同用途的機(jī)動(dòng)車在不同的繞城公路上行駛，有效地降低了車輛的擁堵現(xiàn)象，改善了城市交通秩序，提高了人們的生活質(zhì)量。與此一樣，對(duì)于多電子原子，不同能量的電子也必須遵守一定的“交通規(guī)則”，才能讓它們“和諧”相處。核外電子分層排布的基本原則主要有以下幾條(隨著學(xué)習(xí)的深入，會(huì)逐步增加條例，這和城市交通規(guī)則的不斷改進(jìn)道理一樣)：(1)電子分層排布時(shí)，要先排離核最近的電子層，只有當(dāng)其排滿時(shí)才能再往外排，這樣會(huì)使得體系的能量處于比較低的狀態(tài)，保持相對(duì)穩(wěn)定，該原則稱為“能量最低”原則。(2)每一層最多排2n2個(gè)電子，即第一層最多排2個(gè)電子，第二層最多排8個(gè)電子……(3)最外層最多排8個(gè)電子，如果只有一層，則最多排2個(gè)電子。[試一試]1.請(qǐng)你畫出核電荷數(shù)為6、9、13、16的原子結(jié)構(gòu)示意圖。在具體分析各原子核外電子排布時(shí)，須綜合考慮以上三個(gè)原則，如19號(hào)元素，按此部分原則，可能會(huì)排出2、8、9三層形式，第三層上有9個(gè)電子，雖未突破“每層最多有2n2個(gè)電子”原則，但卻不符合最外層不超過(guò)8的規(guī)定，這種排列不符合“交通規(guī)則”。正確方法是按2、8、8、1四層形式排布，這樣就能同時(shí)滿足三個(gè)規(guī)則。從這個(gè)例子中也可以發(fā)現(xiàn)，“每層最多有2n2個(gè)電子”并不一定要求每一層都達(dá)到2n2個(gè)，這是在實(shí)際排布時(shí)要注意的一個(gè)問(wèn)題。4．元素的性質(zhì)與原子核外電子排布的關(guān)系在通常情況下，稀有氣體性質(zhì)穩(wěn)定，很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此稀有氣體又被稱為惰性氣體。觀察部分稀有氣體、活潑金屬鈉和活潑非金屬氯形成的穩(wěn)定離子結(jié)構(gòu)示意圖，可看出性質(zhì)穩(wěn)定的微粒結(jié)構(gòu)上有許多共性。從原子結(jié)構(gòu)中我們不難看出，稀有氣體原子最外層都排有8個(gè)電子(僅He有2個(gè)電子)，鈉離子和氯離子最外層有了8個(gè)電子后也不再活潑，而其他活潑原子最外層電子數(shù)均未達(dá)到8個(gè)，在一定條件下，均有達(dá)到8個(gè)電子(或2個(gè)電子)的傾向。這正是稀有氣體很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的根本原因，也是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的完美詮釋。如鎂原子最外層只有2個(gè)電子，它只要失去2個(gè)電子，次外層變成最外層，也就達(dá)到了8電子的穩(wěn)定構(gòu)型；如果用得到電子的方式，它需要6個(gè)電子才能達(dá)到8電子的相對(duì)穩(wěn)定，不如第一種方式容易。而硫原子最外層有6個(gè)電子，它得到2個(gè)電子就能滿足8電子穩(wěn)定構(gòu)型；如果以失去電子的方式，它需要失去6個(gè)電子才能達(dá)到8電子的相對(duì)穩(wěn)定，也不如第一種方式容易。通常最外層電子數(shù)較少的原子(一般小于4個(gè))，和其他元素化合時(shí)，失電子是它的本能，這種元素就具有金屬性，如鈉、鎂、鋁等；而最外層電子數(shù)較多的原子(一般大于4個(gè))，和其他元素化合時(shí)，得電子是它的本能，這種元素就具有非金屬性，如氯、硫、氧、氮等。當(dāng)最外層電子數(shù)為4個(gè)電子時(shí)，和其他元素化合時(shí)，原子既難失去電子又難得到電子，所以較難形成離子。5．電子式原子核外電子在分層排布時(shí)，一般內(nèi)層往往是排滿的，屬于相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，除稀有氣體元素原子外，其他元素的原子最外層都未排滿，未達(dá)到8個(gè)電子(或2個(gè)電子)。在原子相互化合過(guò)程中，內(nèi)層電子基本上不發(fā)生改變，只是最外層電子數(shù)可能發(fā)生變化，人們常說(shuō)原子的最外層電子數(shù)決定了原子的化學(xué)性質(zhì)就是這個(gè)道理。如：鈉的最外層電子數(shù)較少，與活潑非金屬反應(yīng)時(shí)容易失去電子，形成穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)；而氯的最外層電子數(shù)較多，與活潑金屬反應(yīng)時(shí)容易得到電子，形成穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，我們可以用原子結(jié)構(gòu)示意圖的變化來(lái)表示兩者的形成過(guò)程。eq\o(→,\s\up7(失去一個(gè)電子))eq\o(→,\s\up7(得到一個(gè)電子))資料卡片顯然氯化鈉中不再有鈉原子和氯原子，氯和鈉分別以陰陽(yáng)離子的形式存在。像氯化鈉這樣，由金屬陽(yáng)離子(或銨根離子)和陰離子構(gòu)成的化合物稱為離子化合物。既然，原子在相互化合時(shí)，一般不涉及內(nèi)層電子的變化，只有最外層電子數(shù)發(fā)生改變，因此原子結(jié)構(gòu)示意圖還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。在元素符號(hào)周圍用“·”或“×”來(lái)表示原子或離子的最外層電子分布情況，這種式子被稱為電子式。下表列出幾種常見(jiàn)原子及其離子的電子式。微粒原子陽(yáng)離子陰離子案Naeq\a\vs4\al\co1(·)Na＋[eq\o\al(·,·)eq\o(Cl,\s\up6(),\s\do4())eq\o\al(·,·)]－例eq\a\vs4\al\co1(·)eq\o(N,\s\up6(),\s\do4(·))eq\a\vs4\al\co1(·)Mg2＋[eq\o\al(·,·)eq\o(O,\s\up6(),\s\do4())eq\o\al(·,·)]2－eq\a\vs4\al\co1(·)eq\o(Cl,\s\up6(),\s\do4())eq\o\al(·,·)Al3＋[eq\o\al(·,·)eq\o(N,\s\up6(),\s\do4())eq\o\al(·,·)]3－寫法可在元素符號(hào)“上右下左”四個(gè)方向逐一放置“·”一般直接用離子符號(hào)表示(原來(lái)的最外層上不再有電子了)元素符號(hào)周圍布滿了“·”或“×”(一般是8個(gè))，并且用“”圈住電子，在其右上角標(biāo)上所帶的電荷數(shù)(反映得到的電子數(shù))[試一試]2.請(qǐng)你寫出H、N、O、Al3＋、S2－的電子式。6．微粒質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)的計(jì)算在電中性的原子中，質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)；分子是由原子構(gòu)成的，所以分子中的電子總數(shù)也就等于質(zhì)子總數(shù)；其他任何不顯電性的微粒，電子總數(shù)也都等于質(zhì)子數(shù)，如羧基(—COOH由一個(gè)C原子和2個(gè)O原子和1個(gè)H原子組成)不帶電荷，其電子數(shù)等于6＋8×2＋1＝23。而離子是由原子通過(guò)得失電子形成的，陽(yáng)離子是由原子失去電子形成的，失去一個(gè)電子，就形成帶一個(gè)單位正電荷的陽(yáng)離子，失去兩個(gè)電子，就形成帶兩個(gè)單位正電荷的陽(yáng)離子……因此陽(yáng)離子的電子數(shù)就等于原子的質(zhì)子數(shù)減去所失去的電子(也就是離子所帶的正電荷數(shù))。陽(yáng)離子的電子總數(shù)＝質(zhì)子總數(shù)－電荷數(shù)。陰離子是由原子得電子形成的，其電子總數(shù)就等于質(zhì)子總數(shù)加上所得電子數(shù)(也就是離子所帶負(fù)電荷數(shù))。陰離子的電子總數(shù)＝質(zhì)子總數(shù)＋電荷數(shù)每個(gè)CO2分子由1個(gè)碳原子和2個(gè)氧原子構(gòu)成，質(zhì)子總數(shù)為6＋8×2，也就是22，因電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，所以1個(gè)CO2的電子總數(shù)也就是22。每個(gè)COeq\o\al(2－,3)由1個(gè)碳原子和3個(gè)氧原子得到2個(gè)電子后形成，質(zhì)子總數(shù)為6＋8×3，所以1個(gè)COeq\o\al(2－,3)的電子總數(shù)等于其質(zhì)子總數(shù)再加2，即等于6＋8×3＋2＝32。[試一試]3.求算以下分子的電子數(shù)：N2、HCl、NH3、H2O2、C2H6。[試一試]4.求算以下離子的電子數(shù)：Al3＋、F－、NHeq\o\al(＋,4)、OH－、H3O＋、CHeq\o\al(－,3)、CHeq\o\al(＋,3)。(滿分50分限時(shí)30min)一、選擇題(本題包括8小題，每小題4分，共32分，每題只有1個(gè)正確答案)1．在化學(xué)發(fā)展史上，第一位提出了“原子”概念的科學(xué)家是()A．道爾頓 B．湯姆生C．盧瑟福 D．玻爾2．已知最外層電子數(shù)相等的元素原子具有相似的化學(xué)性質(zhì)。氧元素原子的核外電子分層排布示意圖為，下列原子中，與氧元素原子化學(xué)性質(zhì)相似的是()A．氖 B．碳C．鎂 D．硫3．下列關(guān)于原子的說(shuō)法中，正確的是()A．原子不顯電性，說(shuō)明原子內(nèi)的質(zhì)子數(shù)等于中子數(shù)B．同種元素的原子所含質(zhì)子數(shù)相同C．離子的核外電子數(shù)＝核內(nèi)質(zhì)子數(shù)D．原子核外最外層電子數(shù)越多，越易失去電子成為陽(yáng)離子4．下列各組微粒中，質(zhì)子總數(shù)不相等的是()A．Na＋和Na B．CO和N2C．Na＋和NHeq\o\al(＋,4) D．NO和CO5．幾種微粒，具有相同的質(zhì)子數(shù)，則可說(shuō)明()A．可能屬于同一種元素B．一定是同一種元素C．一定不是同一種元素D．核外電子數(shù)一定相等6．爆炸性的高能Neq\o\al(＋,5)陽(yáng)離子由美國(guó)加州愛(ài)德華空軍基地空軍研究室高能材料化學(xué)家KarlO．Christe與同事Wilson合成。關(guān)于Neq\o\al(＋,5)的說(shuō)法正確的是()A．該微粒中的質(zhì)子數(shù)為34B．該微粒的電子數(shù)是34C．該微粒由5個(gè)氮分子構(gòu)成D．它是一種由5個(gè)氮原子構(gòu)成的單質(zhì)分子7．下列各組微粒中，核外電子總數(shù)相等的是()A．Na＋和Li＋ B．CO和CO2C．H2O和H3O＋ D．NO和CO8．原子總數(shù)和價(jià)電子總數(shù)相等的微粒叫等電子體，下列各組微粒屬于等電子體的是()A．N2O4和NO2 B．CH4和NHeq\o\al(＋,4)C．Al3＋和OH－ D．NO和CO二、填空題(本題包括兩小題，共18分)9．(9分)觀察下列A、B、C、D、E五種粒子(原子或離子)的結(jié)構(gòu)示意圖，回答有關(guān)問(wèn)題：(1)屬于離子結(jié)構(gòu)示意圖的是________(填編號(hào))。(2)屬于金屬元素的是________(填編號(hào))(3)性質(zhì)最穩(wěn)定的原子是(填寫編號(hào)，下同)______，最容易失去電子的原子是________，最容易得到電子的原子是________。(4)寫出B的電子式為____________，E的電子式為________(用元素符號(hào)回答，下同)(5)在核電荷數(shù)1～18的元素內(nèi)，列舉兩個(gè)與B核外電子排布相同的離子，寫出離子的符號(hào)________、________。10．(9分)有A、B、C、D四種元素，已知A元素原子的K層和M層電子數(shù)相同；B元素原子的L層比K層電子數(shù)多5個(gè)；C元素的＋3價(jià)陽(yáng)離子和氖原子具有相同的電子數(shù)；D元素的最外層電子數(shù)是次外層電子數(shù)的3倍。(1)寫出元素符號(hào)：A________，D________。(2)A的原子結(jié)構(gòu)示意圖__________，B的離子結(jié)構(gòu)示意圖________，C的離子結(jié)構(gòu)示意圖________。(3)C原子的電子式________________。(4)A和B元素組成的物質(zhì)的化學(xué)式為________，它是由________(選填“原子”、“離子”或“分子”)構(gòu)成的物質(zhì)。(5)由C和D可組成CDeq\o\al(－,2)離子，一個(gè)CDeq\o\al(－,2)離子所帶電子數(shù)為________。

答案精析試一試1.試一試2.Heq\a\vs4\al\co1(·)eq\a\vs4\al\co1(·)eq\o(N,\s\up6(),\s\do4(·))eq\a\vs4\al\co1(·)eq\a\vs4\al\co1(·)eq\o(O,\s\up6(),\s\do4())eq\a\vs4\al\co1(·)Al3＋[eq\o\al(·,·)eq\o(S,\s\up6(),\s\do4())eq\o\al(·,·)]2－試一試3.分子