原子结构与元素周期表（一）

官官方化学老师·18 页·深入（追求细节与边界）·0 次浏览·3 天前

✦ 原子结构与元素周期表（一）化学原子结构与元素周期表（一原子

原子结构元素周期律电子排布量子数

原子结构与元素周期表（一

看清原子轨道、能级排布与元素周期律的对应关系，辨析周期与族的边界例外

按空格/→ 演示下一步

1 / 18 页

全部页面点击任意一页，跳回舞台从这页播放

原子结构元素周期律电子排布量子数

原子结构与元素周期表（一

看清原子轨道、能级排布与元素周期律的对应关系，辨析周期与族的边界例外

1第 1 页 · 原子结构与元素周期表（一

基于元素在周期表中的位置

想象你面前有 118 张元素卡片，正面写满性质但只能翻一张。怎么办？只看它在周期表里的坐标，就能八九不离十推出它的脾气。这页就讲怎么从位置读出性质。

周期数 = 电子层数

横行第几行，决定原子有几层电子壳

主族序数 = 最外层电子数

纵列第几列，决定最外层有几个电子参与反应

金属性递变

同周期左→右减弱；同主族上→下增强

原子半径递变

同周期左→右减小；同主族上→下增大

例外与边界

过渡金属递变平缓；稀有气体半径突变；对角线规则（Li↔Mg、Be↔Al 相似）

城市地址（楼层+门牌号）对应 →元素在周期表的坐标

周期=楼层高度（电子层数），族=门牌号（最外层电子数），同族越往下越偏金属，同周期越往右越偏非金属

2第 2 页 · 基于元素在周期表中的位置

利用原子序数和核素符号求

周期表能告诉你元素在表中的位置，但描述"某一个具体原子"还需要一张更精确的"身份证"——核素符号。只要读懂左上、左下两个数字，三种粒子的数量就能一次算清。

核素符号写法 ᴬ_Z X

左下角 Z 是原子序数，左上角 A 是质量数，右边是元素符号

质子数 = 原子序数 Z

原子序数、质子数、核电荷数三者始终相等

中子数 = A − Z

质量数 = 质子数 + 中子数，移项即得中子数 = A − Z

电子数要看是否带电

原子：电子数 = Z；阳离子减 n；阴离子加 n

身份证地区码对应 →核素符号的左下角 Z

地区码决定"是哪户的"，Z 决定"是哪种元素"；A 是完整编号，比 Z 多出的部分就是中子

$N = A - Z$（中子数）；电子数 = 质子数 - 电荷数（阳离子为正、阴离子为负）

3第 3 页 · 利用原子序数和核素符号求

通过同族元素比较归纳性质

前页我们能从原子序数定位元素在周期表中的「坐标」。但表不是随意排的——同族靠拢,源于它们最外层电子数相同。怎么从一组元素的比较中,提炼「相似」与「递变」两条规律?这页就来拆解这套方法。

同族的电子本质

同族元素最外层电子数相同,这决定了它们化学行为的相似基础

相似性

同族元素反应模式相近,如碱金属都能置换出水中的氢,但剧烈程度有差异

递变方向

同族自上而下:原子半径增大,金属性增强,非金属性减弱

典型族对照

ⅠA族从上到下反应越来越剧烈;ⅦA族从上到下反应越来越温和

应用与边界

相似≠相同;F无正价、O无+6价;对角线元素(Li—Mg、Be—Al、B—Si)性质相近

一家几代同姓人对应 →同族元素的相似与递变

姓氏一样是相似性来源;身高辈辈不同是递变性体现;但都姓一个姓——同族

4第 4 页 · 通过同族元素比较归纳性质

原子

上一页我们看到同族元素性质相近——这种家族相似背后，是它们共享同一种基本单位。我们回到化学的起点：原子。

化学最小微粒

化学变化中保持不变的最小微粒，保留元素全部化学性质

组成结构

原子核（质子＋中子）＋核外电子；中子不带电

尺度对比

原子 ≈ 10⁻¹⁰ m，核 ≈ 10⁻¹⁵ m，核仅占原子体积的千亿分之一

可分与不可分

化学反应中不可再分；核反应（裂变、聚变）中可破裂重组

足球场中央的一颗弹珠对应 →原子核在原子中的占比

原子若是一座足球场，原子核只是中央一粒弹珠，质量却占 99.9% 以上

\dfrac{r_{\text{atom}}}{r_{\text{nucleus}}} \approx 10^5

5第 5 页 · 原子

原子核

把一颗原子放大到一座足球场，正中央只有一颗弹珠大小——这就是原子核。它虽小，却装着原子几乎全部的质量。

组成

质子（带 +1e 正电）与中子（电中性），统称核子

质量数

A = 质子数 + 中子数；>99.9% 原子质量集中在核内

强相互作用

短程超强引力，比电磁斥力强约百倍，把核子束缚在一起

尺寸与密度

直径约 10⁻¹⁵ m，密度高达 10¹⁷ kg/m³

核素符号

ᴬ_Z X 中 A 为质量数（核子总数），Z 为质子数（核电荷数）

足球场中央的弹珠对应 →原子核在原子中的位置

原子是足球场，核是中央弹珠——体积可忽略，质量几乎全在它身上

A = Z + N

6第 6 页 · 原子核

质子

质子：定义、要点与典型应用

质子

质子：定义、要点与典型应用

7第 7 页 · 质子

中子

上页讲质子是核里带正电的'主心骨'，但只有质子，核会被自身正电荷排斥而散架。今天看核里另一位关键成员——中子。

电中性

核内不带电的粒子（电荷为0），与质子共存于原子核

质量≈1u

与质子相近，约为电子的1839倍

自由态不稳定

脱离原子核后约15分钟衰变为质子+电子+反中微子

同位素关键

质子数相同而中子数不同 → 形成同位素

核稳定与应用

强相互作用维持核稳定；用于核反应堆、中子星等

团队中的和事佬对应 →中子

成员都带正电易冲突，和事佬不带电，靠强作用把大家粘合

A = Z + N

8第 8 页 · 中子

电子

前几页我们拆开了原子核，里面有质子和中子。但真正决定一个元素'脾气'——它会和谁反应、形成什么键——的不是核里这两位，而是核外那一群'跑腿的'。它们就是电子。

电荷与质量

带 1 个单位负电荷（−1.602×10⁻¹⁹ C），静止质量约 9.11×10⁻³¹ kg，约为质子的 1/1836

电子云模型

不像行星绕固定轨道，而是以概率分布存在于核外空间，由薛定谔方程描述

价电子决定化学

最外层电子数决定化合价与反应行为，是元素周期性的根源

典型应用

化学键、金属导电（自由电子）、电子显微镜（波粒二象性）、阴极射线

蜂巢里的蜜蜂对应 →原子外的电子

说不出某只蜜蜂此刻在哪，但能说清蜂巢哪些区域蜜蜂最密——这就是'电子云'

e \approx 1.602 \times 10^{-19}\text{ C},\quad m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}\text{ kg}

9第 9 页 · 电子

核电荷数

周期表里元素按 1、2、3…号排位，这编号本质是几？走回原子核数一数质子，就是核电荷数。

定义

原子核所带的正电荷总数，等于核内质子数

符号 Z

国际通用，与原子序数含义相同

决定元素

核电荷数不同，元素种类就不同

中性原子

核电荷数等于核外电子数，整体不显电

身份证号对应 →核电荷数

身份证号唯一标识一个人；核电荷数唯一标识一种元素

Z = N_p = \text{原子序数} = N_e\ (\text{中性原子})

10第 10 页 · 核电荷数

元素

前页我们看清了原子核和质子数，那是单个原子的'身份证号'。但化学要回答的更大问题：宇宙万物归根到底由哪几类物质构成？这就要引入比原子更宏观的概念——元素。

定义

质子数相同的一类原子的总称，是宏观'种类'概念

唯一判据

只看质子数；中子数、电子数都不改变元素种类

元素 vs 原子

元素是宏观类别，原子是具体粒子；元素由原子构成

边界示例

Fe 与 Fe³⁺、¹H 与 ²H 都属同种元素；离子和同位素不算新元素

同一个班的学生对应 →同一种元素

班级编号 = 质子数；每个学生是不同原子个体，编号相同就是同班同学

11第 11 页 · 元素

原子序数

原子核里有质子，那用什么来「辨认」一个元素？我们给它一个编号——原子序数 Z。它就是周期表里左上角那个不起眼的小数字。

定义

原子序数 Z = 原子核内质子的数目；这是一条定义式

决定身份

Z 不同，元素就不同；Z 相同，无论中子数多少，都是同种元素

与中子数无关

同位素之间 Z 相同，中子数不同——氕、氘、氚的 Z 都是 1

离子时仍守恒

得失电子不改变 Z；Na⁺ 仍有 11 个质子，Z 仍为 11

周期表编排依据

元素在周期表中的位置由 Z 决定，按 Z 从小到大依次排列

身份证号对应 →原子序数

每人（元素）唯一；编号变了人就变了；编号不依赖身高、地址、年龄

Z = \text{质子数} = \dfrac{\text{核电荷}}{e}

12第 12 页 · 原子序数

质量数

上一页数清了质子数 Z，但核里还有中子。如果把质子和中子一起数，得到的整数叫质量数 A。

定义

质量数 A = 质子数 Z + 中子数 N，反映核内粒子总数

性质

纯整数，无单位，只计个数不等于实际质量

标注位置

写在元素符号左上角，如 ¹²₆C 表示 A=12, Z=6

求中子数

中子数 N = A − Z，是计算核内中子的捷径

与相对原子质量区分

质量数是整数计数；相对原子质量是实测含电子质量的加权平均

盒中红球和蓝球的总颗数对应 →质量数 A

红球对应质子、蓝球对应中子，不管颜色重量，只数总颗数

A = Z + N

13第 13 页 · 质量数

电子层（电子层模型）

电子层（电子层模型）：定义、要点与典型应用

电子层（电子层模型）

电子层（电子层模型）：定义、要点与典型应用

14第 14 页 · 电子层（电子层模型）

核素

我们已经知道质子数决定元素、中子数决定质量数。那如果把这两者同时固定下来，描述的就是一个更精细的概念——核素。

定义

具有特定质子数和中子数的一类原子称为核素。

与元素的关系

质子数相同、中子数不同的核素互称同位素，属同一元素。

核素符号

用 ᴬ_Z X 表示，左下Z为质子数，左上A为质量数。

典型应用

碳-14测年代、碘-131治甲亢、铀-235用于核能发电。

身份证号对应 →核素

名字只分大类，身份证号才能精确锁定具体的一个人

^{A}_{Z}\text{X}

15第 15 页 · 核素

同位素

氯的相对原子质量是 35.5——一个奇怪的小数。因为自然界中的氯并非只有「一种」原子，而是若干种质量不同的氯原子按比例混合。这就引出了同位素。

定义

质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子互为同位素

与核素的关系

同位素即同元素下 A 不同、Z 相同的若干核素

化学性质近乎相同

电子结构相同，由最外层电子决定的化学行为基本一致

物理性质有差异

质量、密度、扩散速率不同；部分核不稳定，属放射性同位素

典型应用

¹⁴C 测年、¹³¹I 治甲亢、²H/³H 与 ²³⁵U 用于核能

同一支球队不同号码的队员对应 →同位素

球队=同一元素；号码≈中子数；战术风格(化学性质)由球队决定

$$_{Z}^{A}\text{X}, \quad A=Z+N$$ 自然界 Cl ≈ ³⁵Cl(75.8%) + ³⁷Cl(24.2%) → 35.5

16第 16 页 · 同位素

本节要点

✓原子序数=质子数=核电荷数=核外电子数，四者恒等
✓质量数=质子数+中子数，核素符号上下标各表其一
✓同位素：质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子
✓周期数=电子层数，主族序数=最外层电子数
✓同族性质相似源于最外层电子数相同，与中子数无关

延伸主题：电子排布规则与能级交错电离能、电负性的周期性变化化学键：离子键与共价键

17第 17 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考，再对照参考答案。三问分别对应回顾、应用与迁移。

1同位素在周期表中占据同一位置，是什么决定了它们属于同一种元素？

参考答案决定元素种类的是质子数（核电荷数）。同位素质子数相同、中子数不同，所以属于同一种元素，在周期表中位置相同。

2碳-14 常用于考古断代，为什么它的化学性质与碳-12 几乎相同？

参考答案化学性质主要由核外电子（尤其是最外层电子）决定，与中子数无关。碳-14 与碳-12 的电子排布相同，化学性质就几乎相同。

3氢有氕、氘、氚三种核素，自然界氢的相对原子质量为什么不是简单平均？

参考答案相对原子质量是按各核素在自然界中的丰度加权平均的，不是算术平均。氕丰度远高于氘和氚，结果更接近 1。

18第 18 页 · 课后思考