原子的结构（二）

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原子结构电子排布元素周期律进阶原理

原子的结构（二）

搞懂核外电子排布规律，看清元素性质差异的根源

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原子结构电子排布元素周期律进阶原理

原子的结构（二）

搞懂核外电子排布规律，看清元素性质差异的根源

1第 1 页 · 原子的结构（二）

最外层电子

上一页我们知道了原子核外电子按能层排布。但化学反应里真正'上场的'不是所有电子，而是最外面那一层——它们决定了原子的'脾气'。

定义
原子核外能层中能量最高、电子数最多的一层电子
数量规律
主族元素最外层电子数≤8，决定得失电子的倾向
化学意义
原子间相互作用的'前沿阵地'，决定反应活性
周期表体现
同族元素最外层电子数相同，化学性质相似
皮肤对应 →最外层电子

皮肤决定外物如何接触你，最外层电子决定原子如何与别的原子反应

2第 2 页 · 最外层电子

原子结构示意图

上页我们聊了最外层电子决定化学性质，但肉眼看不到原子——科学家怎么把它「画」出来？就像建筑蓝图省略比例但保留结构关系，原子示意图也是一种约定俗成的简化模型。

玻尔模型本质
电子沿固定圆周轨道运行的简化图像，便于直观但并非真实形态
三要素构成
原子核（中心圆） + 电子层（同心圆） + 电子（圆点）
排布规律
内层优先填满，每层最多容纳 2n² 个电子（n 为层数）
价电子即看点
最外层电子数即价电子数，决定得失电子倾向与成键行为
公司组织架构图对应 →原子结构示意图

原子核=CEO，电子层=部门，电子=员工；只画归属关系，不画真实距离与位置

3第 3 页 · 原子结构示意图

稀有气体原子的稳定结构

上一页说到最外层电子数决定原子活泼程度，那最外层电子恰好为8的这一族，为何几乎不与其他物质反应？

稀有气体的定义
周期表最右一列：氦、氖、氩、氪、氙、氡
电子排布特征
最外层电子恰好填满（氦2个，其余8个）
稳定的体现
常温下为单原子气体，几乎不与其他物质反应
典型应用
灯泡填充气、焊接保护气、霓虹灯发光介质
装满的水杯对应 →稀有气体的满壳层

杯子已满不再接受也不倒出——电子已满，不再得失

4第 4 页 · 稀有气体原子的稳定结构

金属原子的最外层电子特征

上一页稀有气体最外层 8 电子的稳定结构让人羡慕。金属原子恰好相反——最外层电子少得可怜，这「少」反而成了它们活泼的根源。

最外层电子数少
通常只有 1~3 个，距离 8 电子稳定结构差很远
容易失去电子
原子核对最外层电子的束缚力很弱
形成阳离子
失去电子后带上正电荷，如 Na→Na⁺
产生自由电子
脱落的电子在金属内自由移动，形成「电子气」
风筝只拴了一根细线对应 →最外层只有 1~3 个电子的金属原子

线细拉力小，风一吹风筝就飞——电子也容易挣脱原子核的束缚

Na→Na++e−\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-
5第 5 页 · 金属原子的最外层电子特征

非金属原子的最外层电子特

非金属原子的最外层电子特征：定义、要点与典型应用

非金属原子的最外层电子特
非金属原子的最外层电子特征：定义、要点与典型应用
6第 6 页 · 非金属原子的最外层电子特

离子

金属原子容易丢出最外层电子，非金属原子容易抢来电子——通过这种得失电子的方式，原子都能达到稀有气体那样的稳定结构。得失之后原子带上了电荷，就成了离子。

定义
带电的原子（或原子团），由原子得失电子形成。
阳离子
原子失去电子后形成，整体带正电，质子数多于电子数。
阴离子
原子得到电子后形成，整体带负电，质子数少于电子数。
电荷数规律
所带电荷数等于失去或得到的电子数，符号由得失方向决定。
账户凑齐目标余额对应 →原子达成稳定结构

目标100元：120元要转出20（失电子→正电），80元要转入20（得电子→负电），差额即"电荷数"

7第 7 页 · 离子

阳离子

上页说到原子得失电子会变成离子。带正电的那一种，叫阳离子——它怎么来的？怎么表示？这一页我们把它彻底拆开。

定义
原子失去一个或多个电子后形成的带正电荷的离子
形成机制
金属原子最外层电子少（一般≤4个），倾向失去电子达到稳定
电荷数
正电荷数 = 失去的电子数 = 质子数 − 电子数
符号写法
元素符号右上角标 + 与数字；电荷为 1 时省略数字
常见阳离子
Na⁺、Mg²⁺、Al³�、K⁺、Ca²⁺、H⁺ 等
脱外套对应 →原子失去最外层电子

脱掉的是最外层的；脱完人还是那个人（原子核不变），但少了带负电的电子，整体显正电

Na→Na++e−\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-
8第 8 页 · 阳离子

阴离子

上一页讲过金属原子'丢'电子变成阳离子。那非金属原子呢？它们最外层电子数本就不少（4~7 个），与其丢掉,不如'捡'过来凑满——这就会形成阴离子。

阴离子定义
原子得到电子后形成的带负电荷的微粒
形成机制
非金属原子最外层电子数较多,得电子比失电子更容易
电荷规律
得到 n 个电子,就带 n 个单位负电荷,标在元素符号右上角
结构稳定
得电子后最外层达到 8 电子稳定结构,与稀有气体相同
典型实例
Cl + e⁻ → Cl⁻；O + 2e⁻ → O²⁻
凑齐一套卡牌对应 →阴离子形成

非金属原子差几个电子就到 8,像差几张凑齐一套,得到电子便'成套'稳定

Cl+e−→Cl−\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-
9第 9 页 · 阴离子

构成物质的粒子

上节课我们学了离子，知道原子得失电子会变成离子。那么问题来了——世界上的物质到底由哪些基本粒子构成？答案是三种：分子、原子和离子。

分子
保持物质化学性质的最小粒子，由原子结合而成（如水分子H₂O）
原子
化学变化中的最小粒子，不可再分（核反应除外）
离子
带电的原子或原子团，由原子得失电子形成
三者关系
不同物质由不同粒子构成：金属多由原子构成；盐类多由离子构成
搭积木对应 →构成物质的粒子

原子像单独积木块；分子像拼好的小造型；离子像带磁性的积木可互相吸引拼装

10第 10 页 · 构成物质的粒子

相对原子质量

一个原子的真实质量小得惊人——氢原子只有约1.67×10⁻²⁴克。既然单个原子无法直接称量，化学里说的「原子质量」是怎么得出的？为什么前面要加「相对」两个字？

参考标准
以一个碳-12原子质量的1/12作为基准单位，记作「1」
相对原子质量
某原子实际质量与碳-12原子质量1/12的比值
无量纲
是一个比值，没有单位（不是「克」也不是「千克」）
加权平均值
是各同位素相对原子质量按丰度加权平均的结果
应用场景
用于计算相对分子质量、化合物中元素质量比
说「哥哥身高是我的1.2倍」对应 →相对原子质量

都用比值描述大小，绕开绝对数字

Ar=m原子112mC-12A_r = \dfrac{m_{\text{原子}}}{\frac{1}{12}m_{\text{C-12}}}
11第 11 页 · 相对原子质量

原子质量分布特点

我们已经知道相对原子质量约等于质子数加中子数，但你有没有想过——电子占满了原子绝大部分空间，质量怎么就集中到那一丁点核里去了？

质量集中在原子核
原子的几乎全部质量都集中在原子核中
电子质量可忽略
一个电子质量约为质子或中子的1/1836
核小质量大
原子核体积仅占原子体积的几千亿分之一，质量却几乎全在这
相对原子质量的由来
因电子质量可忽略，相对原子质量≈质子数+中子数
西瓜对应 →原子

瓜瓤（电子）占据大部分空间却几乎无重量，西瓜籽（原子核）很小却集中几乎所有重量

Ar≈Z+N,memp≈11836A_r \approx Z + N, \quad \dfrac{m_e}{m_p} \approx \dfrac{1}{1836}
12第 12 页 · 原子质量分布特点

碳-12标准

上一节我们用"相对原子质量"来比较原子轻重，但"相对"总得有个参照物——这个参照物，就是碳-12标准。

定义标准单位
以一个碳-12原子质量的1/12定义为1原子质量单位，记作u
为何选碳-12
稳定无放射性，天然丰度高达98.9%，易提纯
比较原理
其他原子实际质量除以1u，得到相对原子质量
典型应用
相对原子质量、相对分子质量、化学方程式计算都以此为基准
国际公斤原器对应 →碳-12标准

全世界质量以那块金属圆柱为基准，原子质量都以碳-12为基准

1 u=m(12C)12;Ar=m(原子)1 u1\text{ u}=\frac{m(^{12}\text{C})}{12};\quad A_r=\frac{m(\text{原子})}{1\text{ u}}
13第 13 页 · 碳-12标准

原子体积与原子核体积的比

前面已经知道，原子的质量几乎都集中在原子核；接下来比较两者占据的空间，会看到原子内部有多空旷。

尺度比
原子直径约10⁻¹⁰米，原子核直径约10⁻¹⁵米，线度比约10⁵。
体积比
按球模型计算，原子核体积约为原子体积的10⁻¹⁵。
并非空无一物
电子概率云弥散在原子空间中，核外空间并非真的什么都没有。
体积不等于质量
这个比值只说明空间尺度；原子质量仍几乎集中在原子核。
量级估算
原子没有硬边界，原子核大小也有近似模型，结果主要用于理解尺度。
百米操场的一粒米对应 →原子与原子核

原子放大到百米时，原子核约一毫米；线度比十万倍，体积比一千万亿倍。

V原子V原子核=(r原子r原子核)3≈(105)3=1015\frac{V_{\text{原子}}}{V_{\text{原子核}}}=\left(\frac{r_{\text{原子}}}{r_{\text{原子核}}}\right)^3\approx(10^5)^3=10^{15}
14第 14 页 · 原子体积与原子核体积的比

钠与氯气反应生成氯化钠的

上页说到金属失电子成阳离子、非金属得电子成阴离子。钠和氯气反应生成氯化钠，正是这两类离子相遇的经典过程。

钠原子失电子
最外层1个电子易失去，变成带正电的Na+阳离子
氯原子得电子
最外层7个电子易得1个，变成带负电的Cl-阴离子
阴阳离子电吸结合
Na+和Cl-靠静电作用结合，按比例排列成氯化钠
本质是电子转移
电子从钠完全转移到氯，不是两原子共用
两人各取所需对应 →钠失氯得各凑满8

钠多1电子、氯少1电子，一个送出、一个接收，各自达到8电子稳定结构

15第 15 页 · 钠与氯气反应生成氯化钠的

本节要点

  • ✓最外层电子数决定原子得失电子的倾向
  • ✓得电子形成阴离子，失电子形成阳离子
  • ✓碳-12是相对原子质量的标准基准
  • ✓原子核体积极小，却集中几乎全部质量
  • ✓物质由原子、离子或分子共同构成
延伸主题：离子化合物是如何形成的元素周期表的结构与规律化学键的类型与本质
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

以下三道题覆盖本节核心知识。先独立思考再看参考答案，测一测自己对知识的把握到了哪一层。

1金属原子容易失去最外层电子，非金属原子容易得到电子。为什么决定原子化学性质的是最外层电子数，而不是原子核里的质子数？

参考答案因为化学反应的实质是原子之间最外层电子的转移或共用。质子数只决定元素种类和核电荷数，但真正参与'互动'的是最外层电子——它们离核最远、束缚最弱，是原子最'活跃'的部分。

2钠与氯反应时，钠把1个电子给了氯。如果换成镁（最外层2电子）和硫（最外层6电子），电子会怎么转移？产物中各离子带几个电荷？

参考答案镁失去2个电子变成Mg²⁺，硫得到2个电子变成S²⁻。电子从镁转移到硫，一个镁原子正好'配对'一个硫原子，产物是硫化镁（MgS）。两者的最外层都达到8电子稳定结构。

3碳-12原子核有6个质子6个中子，相对原子质量为12。若一个碳原子核有6个质子8个中子，它还是碳吗？相对原子质量又该是多少？

参考答案它还是碳，因为质子数仍是6，元素种类没有变。但相对原子质量变为6+8=14。这说明'元素'只由质子数决定，与中子数无关；中子数不同会形成不同的'同位素'。

17第 17 页 · 课后思考