第1讲-人类对原子结构的认识

【暑假起跑线】2021年初升高化学教材知识衔接讲义第1讲人类对原子结构的认识教材分析初中教材要求高中教材要求在初中化学中，只要求学生了解分子、原子、离子都是构成物质的一种微粒，了解原子是由原子核和核外电子构成，以及相对原子质量和相对分子质量的概念和意义。在高中化学中，要加深对原子结构的认识，掌握原子、电子、质子、中子之间的定量关系，理解核外电子的运动规律，能用原子结构示意图、电子式来表示原子核外电子排布特点，推断元素性质。学会计算原子、原子团的电子数。1．原子原子的英文名(Atom)是从äτομοζ(atomos，“不可切分的”)转化而来。很早以前，希腊和印度的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世纪时，化学家发现了物理学的依据：对于某些物质，不能通过化学手段将其继续的分解。19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分。原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位，一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子，原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。在原子中，质子数与电子数相同，原子表现为电中性。如果质子数和电子数不相同，就成为带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同，质子数决定了该原子属于哪一种元素。原子是一个极小的物体，其质量也很微小，原子的99.9%的重量集中在原子核，其中的质子和中子有着相近的质量，目前可用扫描隧道显微镜观察并拨动单个原子，下图为超高真空多功能扫描隧道显微镜，中图为显微镜下的硅原子结构，右图为在扫描隧道显微镜下科学家拨动49个铁原子排列在钢表面上形成的一个圆形栅栏。2．构成物质的微粒构成物质的微粒有原子、分子和离子。原子是化学变化中的最小微粒，能直接构成物质，如金刚石、石墨等。分子是构成物质的一种微粒，更多的研究结果表明，分子是由原子结合而成的，如：He、O2、O3、H2O、CO2、H2SO4等。原子可以通过得到或失去电子形成离子，离子也是构成物质的微粒，如氯化钠就是由Na＋和Cl－构成的。1．原子结构的演变原子结构模型是科学家根据自己的认识，对原子结构的形象描摹，一种模型代表了人类对原子结构认识的一个阶段。人类认识原子的历史是漫长的，也是无止境的。原子结构模型主要经历了以下演变过程：道尔顿原子模型(1803年)：原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球体。汤姆生原子模型(1904年)：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，形成中性原子，俗称“枣糕式”模型，糕体相当于原子核，分散在其中的枣子相当于电子。卢瑟福原子模型(1911年)：在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星围绕太阳运转。玻尔原子模型(1913年)：电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。2．原子的组成原子是化学反应中的最小微粒，在化学反应中不可分割。科学研究表明，绝大多数原子的原子核由质子和中子构成，质子、中子和电子的质量、所带电荷各不相同。1个质子带1个单位的正电荷，1个电子带1个单位的负电荷，中子不显电性。原子核内的质子数与原子核外的电子数相等，所以原子呈电中性。原子核所含质子数，也就是所带的正电荷数又称核电荷数。科学家发现不同元素的原子所含的质子数各不相同，而且目前发现的所有原子中，其质子数按1、2、3、4、5……依次递增，刚好和自然整数序列一致，习惯上，人们就把原子中所含质子数称为原子序数，原子序数在数值上等于其核电荷数。阶段一般要求了解原子序数在18以内的原子所带的质子数、核外电子数。原子核电荷数＝质子数＝核外电子数＝原子序数原子eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(核外电子带负电,原子核\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子带正电,中子不带电))))3．原子核外电子排布在化学家们想像的模型中，每一个原子中的核外电子都绕核作高速运动，永不停止，也不劳累。在多电子原子中，则近似认为电子在原子核外的不同区域内绕核运动，又称为分层运动或分层排布。原子核外，由里到外、由近到远地分布着不同的电子层，供不同的电子绕核运动，尤如大都市中心城区外围所修的绕城公路，供不同性能、不同用途的机动车运行，从而保证交通有序运行。人们常把原子中电子的这种分层运动用下图表示，中心圆圈表示原子核，围绕其外围的圆表示各个电子层，每个弧线上的小圆圈代表在其上运动着的电子。通常由里到外依次称为第一层(又称K层，层序数n＝1)、第二层(又称L层，层序数n＝2)、第三层(又称M层，层序数n＝3)…………反过来，排在最外面的层也称为最外层，然后依次为倒数第二层(习惯上称为次外层)、倒数第三层……去掉最外层，其他的层统称为内层。这种表示方法虽然形象但过于繁琐，通常将以上图示简化为右图，其中“小圆圈”代表原子核，“＋”表示原子核带正电荷，“8”表示原子核内质子数，也就是核所带电荷数，右边弧线从左至右表示电子层，其上数字表示在该层运动的电子数。如图表示核内有8个质子的原子核外电子的分层排布情况，第一层有2个电子，第二层有6个电子，这种图示被称为“原子结构示意图”，用于表示原子的核外电子分层排布。根据距离中心城区的远近，通过制订一定的交通规则，让不同动力、不同用途的机动车在不同的绕城公路上行驶，有效地降低了车辆的拥堵现象，改善了城市交通秩序，提高了人们的生活质量。与此一样，对于多电子原子，不同能量的电子也必须遵守一定的“交通规则”，才能让它们“和谐”相处。核外电子分层排布的基本原则主要有以下几条(随着学习的深入，会逐步增加条例，这和城市交通规则的不断改进道理一样)：(1)电子分层排布时，要先排离核最近的电子层，只有当其排满时才能再往外排，这样会使得体系的能量处于比较低的状态，保持相对稳定，该原则称为“能量最低”原则。(2)每一层最多排2n2个电子，即第一层最多排2个电子，第二层最多排8个电子……(3)最外层最多排8个电子，如果只有一层，则最多排2个电子。[试一试]1.请你画出核电荷数为6、9、13、16的原子结构示意图。在具体分析各原子核外电子排布时，须综合考虑以上三个原则，如19号元素，按此部分原则，可能会排出2、8、9三层形式，第三层上有9个电子，虽未突破“每层最多有2n2个电子”原则，但却不符合最外层不超过8的规定，这种排列不符合“交通规则”。正确方法是按2、8、8、1四层形式排布，这样就能同时满足三个规则。从这个例子中也可以发现，“每层最多有2n2个电子”并不一定要求每一层都达到2n2个，这是在实际排布时要注意的一个问题。4．元素的性质与原子核外电子排布的关系在通常情况下，稀有气体性质稳定，很难与其他物质发生化学反应，因此稀有气体又被称为惰性气体。观察部分稀有气体、活泼金属钠和活泼非金属氯形成的稳定离子结构示意图，可看出性质稳定的微粒结构上有许多共性。从原子结构中我们不难看出，稀有气体原子最外层都排有8个电子(仅He有2个电子)，钠离子和氯离子最外层有了8个电子后也不再活泼，而其他活泼原子最外层电子数均未达到8个，在一定条件下，均有达到8个电子(或2个电子)的倾向。这正是稀有气体很难与其他物质发生化学反应的根本原因，也是“结构决定性质”的完美诠释。如镁原子最外层只有2个电子，它只要失去2个电子，次外层变成最外层，也就达到了8电子的稳定构型；如果用得到电子的方式，它需要6个电子才能达到8电子的相对稳定，不如第一种方式容易。而硫原子最外层有6个电子，它得到2个电子就能满足8电子稳定构型；如果以失去电子的方式，它需要失去6个电子才能达到8电子的相对稳定，也不如第一种方式容易。通常最外层电子数较少的原子(一般小于4个)，和其他元素化合时，失电子是它的本能，这种元素就具有金属性，如钠、镁、铝等；而最外层电子数较多的原子(一般大于4个)，和其他元素化合时，得电子是它的本能，这种元素就具有非金属性，如氯、硫、氧、氮等。当最外层电子数为4个电子时，和其他元素化合时，原子既难失去电子又难得到电子，所以较难形成离子。5．电子式原子核外电子在分层排布时，一般内层往往是排满的，属于相对稳定结构，除稀有气体元素原子外，其他元素的原子最外层都未排满，未达到8个电子(或2个电子)。在原子相互化合过程中，内层电子基本上不发生改变，只是最外层电子数可能发生变化，人们常说原子的最外层电子数决定了原子的化学性质就是这个道理。如：钠的最外层电子数较少，与活泼非金属反应时容易失去电子，形成稳定的电子层结构；而氯的最外层电子数较多，与活泼金属反应时容易得到电子，形成稳定的电子层结构，我们可以用原子结构示意图的变化来表示两者的形成过程。eq\o(→,\s\up7(失去一个电子))eq\o(→,\s\up7(得到一个电子))资料卡片显然氯化钠中不再有钠原子和氯原子，氯和钠分别以阴阳离子的形式存在。像氯化钠这样，由金属阳离子(或铵根离子)和阴离子构成的化合物称为离子化合物。既然，原子在相互化合时，一般不涉及内层电子的变化，只有最外层电子数发生改变，因此原子结构示意图还可进一步简化。在元素符号周围用“·”或“×”来表示原子或离子的最外层电子分布情况，这种式子被称为电子式。下表列出几种常见原子及其离子的电子式。微粒原子阳离子阴离子案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－写法可在元素符号“上右下左”四个方向逐一放置“·”一般直接用离子符号表示(原来的最外层上不再有电子了)元素符号周围布满了“·”或“×”(一般是8个)，并且用“”圈住电子，在其右上角标上所带的电荷数(反映得到的电子数)[试一试]2.请你写出H、N、O、Al3＋、S2－的电子式。6．微粒质子数和电子数的计算在电中性的原子中，质子数等于核外电子数；分子是由原子构成的，所以分子中的电子总数也就等于质子总数；其他任何不显电性的微粒，电子总数也都等于质子数，如羧基(—COOH由一个C原子和2个O原子和1个H原子组成)不带电荷，其电子数等于6＋8×2＋1＝23。而离子是由原子通过得失电子形成的，阳离子是由原子失去电子形成的，失去一个电子，就形成带一个单位正电荷的阳离子，失去两个电子，就形成带两个单位正电荷的阳离子……因此阳离子的电子数就等于原子的质子数减去所失去的电子(也就是离子所带的正电荷数)。阳离子的电子总数＝质子总数－电荷数。阴离子是由原子得电子形成的，其电子总数就等于质子总数加上所得电子数(也就是离子所带负电荷数)。阴离子的电子总数＝质子总数＋电荷数每个CO2分子由1个碳原子和2个氧原子构成，质子总数为6＋8×2，也就是22，因电子数等于质子数，所以1个CO2的电子总数也就是22。每个COeq\o\al(2－,3)由1个碳原子和3个氧原子得到2个电子后形成，质子总数为6＋8×3，所以1个COeq\o\al(2－,3)的电子总数等于其质子总数再加2，即等于6＋8×3＋2＝32。[试一试]3.求算以下分子的电子数：N2、HCl、NH3、H2O2、C2H6。[试一试]4.求算以下离子的电子数：Al3＋、F－、NHeq\o\al(＋,4)、OH－、H3O＋、CHeq\o\al(－,3)、CHeq\o\al(＋,3)。(满分50分限时30min)一、选择题(本题包括8小题，每小题4分，共32分，每题只有1个正确答案)1．在化学发展史上，第一位提出了“原子”概念的科学家是()A．道尔顿 B．汤姆生C．卢瑟福 D．玻尔2．已知最外层电子数相等的元素原子具有相似的化学性质。氧元素原子的核外电子分层排布示意图为，下列原子中，与氧元素原子化学性质相似的是()A．氖 B．碳C．镁 D．硫3．下列关于原子的说法中，正确的是()A．原子不显电性，说明原子内的质子数等于中子数B．同种元素的原子所含质子数相同C．离子的核外电子数＝核内质子数D．原子核外最外层电子数越多，越易失去电子成为阳离子4．下列各组微粒中，质子总数不相等的是()A．Na＋和Na B．CO和N2C．Na＋和NHeq\o\al(＋,4) D．NO和CO5．几种微粒，具有相同的质子数，则可说明()A．可能属于同一种元素B．一定是同一种元素C．一定不是同一种元素D．核外电子数一定相等6．爆炸性的高能Neq\o\al(＋,5)阳离子由美国加州爱德华空军基地空军研究室高能材料化学家KarlO．Christe与同事Wilson合成。关于Neq\o\al(＋,5)的说法正确的是()A．该微粒中的质子数为34B．该微粒的电子数是34C．该微粒由5个氮分子构成D．它是一种由5个氮原子构成的单质分子7．下列各组微粒中，核外电子总数相等的是()A．Na＋和Li＋ B．CO和CO2C．H2O和H3O＋ D．NO和CO8．原子总数和价电子总数相等的微粒叫等电子体，下列各组微粒属于等电子体的是()A．N2O4和NO2 B．CH4和NHeq\o\al(＋,4)C．Al3＋和OH－ D．NO和CO二、填空题(本题包括两小题，共18分)9．(9分)观察下列A、B、C、D、E五种粒子(原子或离子)的结构示意图，回答有关问题：(1)属于离子结构示意图的是________(填编号)。(2)属于金属元素的是________(填编号)(3)性质最稳定的原子是(填写编号，下同)______，最容易失去电子的原子是________，最容易得到电子的原子是________。(4)写出B的电子式为____________，E的电子式为________(用元素符号回答，下同)(5)在核电荷数1～18的元素内，列举两个与B核外电子排布相同的离子，写出离子的符号________、________。10．(9分)有A、B、C、D四种元素，已知A元素原子的K层和M层电子数相同；B元素原子的L层比K层电子数多5个；C元素的＋3价阳离子和氖原子具有相同的电子数；D元素的最外层电子数是次外层电子数的3倍。(1)写出元素符号：A________，D________。(2)A的原子结构示意图__________，B的离子结构示意图________，C的离子结构示意图________。(3)C原子的电子式________________。(4)A和B元素组成的物质的化学式为________，它是由________(选填“原子”、“离子”或“分子”)构成的物质。(5)由C和D可组成CDeq\o\al(－,2)离子，一个CDeq\o\al(－,2)离子所带电子数为________。

答案精析试一试1.试一试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－试一试3.分子