As化学汉英双解讲义.doc

Preparision for As chemistry1 Symbols and names of elements元素的名称与符号Aluminium Al 铝 Germanium Ge 锗Antimony Sb 锑 Gold Au 金Argon Ar 氩 Helium He 氦Arsenic As 砷 Hydrogen H 氢Barium Ba 钡 Iodine I 碘Beryllium Be 铍 Iron Fe 铁Bismuth Bi 铋 Krypton Kr 氪Boron B 硼 Lead Pb 铅Bromine Br 溴 Lithium Li 锂Caesium Cs 铯 Magnesium Mg 镁Calium Ca 钙 Manganese Mn 锰Carbon C 碳 Mercury Hg 汞Chlorine Cl 氯 Neon Ne 氖Chromium Cr 铬 Nitrogen N 氮Cobalt Co 钴 Oxygen O 氧 Gpper Cu 铜 Phosphorus P 磷Fluorine F 氟 Platinum Pt 铂Francium Fr 钫 Polonium Po 钋Gallium Ga 镓 Potassium K 钾Radium Ra 镭 Radon Rn 氡Rubidium Rb 铷 Selenium Se 硒Silicon Si 硅 Silver Ag 银Sodium Na 钠 Strontium Sr 锶Tin Sn 锡 Titanium Ti 钛Tungsten W 钨 Uranium U 铀Vanadium V 钒 Xenon Xe 氙Zinc Zn 锌2 前20号元素3 金属活动顺序表 K Ca Na Mg Li Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au4 中国的初三知识 (1)acids bases salts 之间的 reactions 酸 碱 盐 反应 (2)复分解反应条件(H2O生成) (3)盐的溶解性口诀：钾钠铵，硝酸溶，硫酸去铅钡，盐酸去银汞，其他都不溶。(HCO3-盐一定可溶) 常见强酸：HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4.(中强酸) 常见强酸：NaOH、KOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2.(中强酸)CHAPTER 1 Atomic structure 原子结构By the end of this chapter you should be able to:1 recognise and describe protons, neutrons and electrons in terms of their relative charges and relative masses;辨别并描述质子、中子和电子根据它们的相对带电量和相对数量；2 desctibe the distribution of mass and charge within an atom;能够描述一个原子内部微粒的电量和质量的分布；3 desctibe the contribution of protons and neutrons to atomic nuclei in terms of atomic number and mass number; 能够描述质子、中子对原子数和质量数的贡献；4 deduce the numbers of protons, neutrons and electrons present in both atoms and ions from given atomic and mass numbers; 对于给定质量数原子和离子，可以推出其质子数、中子数和电子数；5 describe the behaviour of protons, neutrons and electrons in electric fieids; 能够描述在电场中质子、中子和电子的行为；6 distinguish between isotopes on the basis of different numbers of neutrons present;能够区别有不同中子数的同位素；7 explain the terms first ionisation energy and successive ionisati on energies of an element in terms of 1 mole of gaseous atoms or ions; 能够解释一摩尔气态原子或离子的第一离子能量和连续离子能量的概念；8 explain that ionization energies are influenced by nuclear charge, atomic radius and electron shielding;可以解释原子电离能受核电荷数、原子半径和屏蔽作用的影响；9 predict the number of electrons in each principal quantum shell of an element from its successive ionization energies; 通过连续电离子能，能够预测某元素在每个量级轨道上的电子数目；10 describe the shapes of s and p orbitals;能够描述s和p层的形状；11 describe the numbers and relative energies of the s , p and d orbitals for the principal quantum numbers 1,2,3 and also the 4s and 4p orbitals;能够描述量子数为1，2和3的s,p和d 轨道的数量和相对能量，还有4s和4p的；12 deduce the electronic configurations of atoms up to Z=36 and ions, given the atomic number and charge, limited to s and p blocks up to Z=36.对于给定的原子序数和电量（仅限于s和p区，36号以下元素），能够推1 Structure of atom 原子结构 proton (质子) nuclei (1)Atom 原子核 neutron(中子) electron/核外电子(绕核运动) (2)质子，中子，电子，相对电荷数量 带1单位正电荷 +1.610-19proton 有质量，relative mass 约是1 without charge 不带电 neutron 有质量，relative mass约是1 negatively charged(一单位的负电荷)-1.610-19electron mass 质量很小，几乎可以忽略 (3) For an atom, number of electron = number of proton = Atomic number (4) Nucleon number(质量数) = proton number + neutron number ( B:nucleon number, A:proton number/atomic number) 中子数 = B A (5) Almost the total mass of an atom rest on nuclei, because mass of electrons is very small relative to proton and neutron . 原子的数量几乎全部集中在原子核上，因为电子的质量市质子中子的几千分之一。 proton number equals to electron number 原子核内 质子数等于核外电子数，所以原子显中性。 (6) deduce number of protons neutrons, electrons of an atom or onions in term of atomic number and mass number. 根据原子序数与质量数推出质子、中子、电子数。 (7) behavior of protons. electrons and neutron in electric field. (8) isotopes 同位素 定义：Atoms which have the same number of protons but different number of neutrons. Because electrons hold the key to almost the whole of chemistry, so isotopes have the same chemistry. 因为电子几乎决定了原子的所有化学性质，所以同位素的化学性质相同。2 ionisation energy 电离能 (1) 定义：the first ionisation energy of an element is the amount of energy needed to remove one electron from each atom in a mole of atoms of an element in the gaseons state. 第一电离能指当从 |mo| 元素的气态每个原子中移去1个电子，所以需的能量 (2) Symbol Hi1 Hi2 Hi3 符号 第一电离能 第二电离能 . (3) factors affected ionisation energy(影响电离能的因素) 因素(i):The size of the nuclear charge.(核电荷的大小) The nuclear charge increases, ionisation energy increase 因素(ii):The distance of the electron from the nucleus.(电子离核的距离) The distance，attractive foics, ionisation energy 因素(iii):The “shielding” effect by electrons in filled inner shells.(内层电子的屏蔽作用) 导致连续电离能增加，且有大的飞跃。 (4) Successive ionisation energy 连续电离能的特征P9 Table. 特征(i):The successive ionisation energy in creases. reason(原因)when electron is removed, the remaining ion becomes more positively charged moving the next ionisation energy is more difficult, the next ionisation energy is even larger . 特征(ii): Therere one or more particularly large rises with the set of ionisation energies of each element (except hydrogen and helium) 除了H、He 外每个原子电离能都有一个或更多个特殊大的增 (5) Application for successive ionisation energy (连续电离能应用) P10 Figure 1.113 A more complex model for electrons configure 电子分布的更复杂的模型 (1) arrangements of electrons energy level(能量级别) shells(电子层) n=1 n=2 n=3 energy level shells(能级层)(quanta number) (2)More complex configurations (更复杂的电子构型) (i)S orbitals (ii)P orbitals Px Py Pz (3) Subshells 亚层每个shell里又分的小层。 orbitals,含一系列能量级的轨道。 (4) types of subshells(亚层类型): n=1时，只有S亚层 n=2时，有S,P n=3时，S, P, d n=4时，S, P, d, f (5) orbitals: pauli exclusion principle and spin-pain 同一轨道电子必须 opposite spin 半充满 最稳定的electron configuration 是两种 全充满(反旋) (6) Energy levels 顺序 1s 2s 2p 3s 4s 3d 4p 4d 4f(电子先排能级低再排高能级轨道) (5)(6)应用：Write down electron configurations for an atom (7) 典型的electron configurations 电子排布 C: 1s2 2s2 2p2 1s 2s 2Px 2Py 2Pz Cr:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 s: 最多2个 p: 最多6个 d: 最多10个发现电子溶液中电流的作用（电解）例如，向氮化银水溶液中通电，金属银就会出现在负极区（阴极）。这只是个电解的例子,最佳解释如下：n 元素银在溶液中以离子形式（Ag）存在；n 一个银离子得一个电子就变成银原子。一个单元的电流被称为“电子”，这是爱尔兰科学家乔治 约翰斯通于1891年命名的。阴极射线的研究正常压强下的气体通常是弱导电体，但是，在很小的压强时，它们导电性能良好。科学家们，例如威廉姆斯 克鲁克斯，第一个研究低压气体特性的科学家，发现在玻璃容器的阴极（负电极）对面，当施加的电压特别大时会有发光现象。某固体，如果放在阴极和发光处之间，就会产生一个阴影（如图1.2）。科学家们假设光是由从阴极发出的射线（阴极射线）引起的。图1.2 阴极射线引起对阴极去荧幕上发光，并且有“马耳他十字”的阴影。而且当有磁体靠近时，阴影会移动。这表明，阴极射线在磁场中会发生偏移。“阴极射线”今天仍被广泛使用，例如示波器，曾经，有过一些关于阴极射线是否是“波”的争论，也就是说这些射线是否与可见光相似。如果假设阴极是带电粒子流，我们就能很好的解释为何阴极射线在磁场中会发生严重的偏转，这也是对于争论的最有力的证据。而射线在磁场中向正极偏转表明这些有阴极产生的微粒是带负电的。约瑟夫 托马孙的实验对于这个问题的理解，最伟大的跨越出现在1897年剑桥大学的卡文迪许实验室（如图1.4）。托马孙测量了在磁场和电场中一束窄窄的阴极射线的偏转程度。其结果可以用来计算微粒带电量与质量的比值（e/m），而不论在试验中使用何种气体或是阴极类型，该比值都是相同的。实验还发现阴极射线微粒的质量很小，只有一个氢原子质量的1/2000。托马孙给它们命名为“电子”，这个名字早先被用来表示“电流的单元”图1.4 托马孙装置。电子从发热的阴极区（负极）发出，穿过狭长的通道到达阳极（正极）。密立根“滴油”实验美国物理学家罗伯特 密立根用他著名的“滴油”实验（如图1.5），第一次精确测量了电子的电量。他得出电子电量为1.602*10-19C（库仑），一个电子的质量是9.109*10-3Kg，是氢原子质量的1/1837。图1.5 罗伯特密立根的滴油实验。他把油雾喷射到被X射线电离的空气中，使油雾带负电。调整电压使得正极对油的吸引大和油自身的重力平衡，因此油滴可以保持静止。计算出电压就可以得到油滴的带电量。发现质子和中子新原子模型：“葡萄干布丁”或“核”原子既然已经发现了电子存在，就应该建立新的原子模型。在电中性的原子中，存在带负电的电子，就必然存在带正电的物质。一度，被认为是最好的模型是托马孙的“葡萄干布丁”模型：电子（葡萄干）被包围在像布丁似的正电荷之中（如图1.6）。但是，1909年的一个实验推翻了这种模型。曼彻斯特大学的卢瑟福研究组的2位科学家盖格和玛斯顿，他们发现由放射源发出的粒子穿透金箔或是其他金属箔时，会发生偏转（如图1.7）。他们通过荧光屏检测到这些由发光引起的微粒还发生了碰撞。因为粒子性质活泼，他们对于粒子穿过金属而发生轻微的偏转的现象并不感到惊奇，毕竟根据葡萄干布丁模型，当带正电的粒子穿过分散的电子和正电荷时会发生轻微的扩散。图1.6 托马孙 原子的“葡萄干布丁”模型。电子（葡萄干）被包围在正电荷之中。图1.7 盖格和玛斯顿的实验，发现了当粒子穿过金属箔时是如何偏转的。然而，盖格和玛斯顿也注意到一些很大的偏转。某些（大约20000）偏转角很大，在金箔和粒子源之间的荧光屏上也可以看到很明显的发光现象，这是他们没有预料到的。卢瑟福说：“当你用粒子轰击一张仅15英寸厚的金箔时，它们会反弹回来，这简直不可思议。”由于正电荷是分散在葡萄干布丁模型中，所以不能解释盖格和玛斯顿发现的现象。于是，卢瑟福提出了他的“核”原子模型的构想。他认为，原子虽然占据了整个空间，但是质量却集中在非常小的带正电的原子中心处，称为原子核。原子核的体积大约是整个原子的1/10000，就像一个足球放在运动场的中央。大多数粒子穿过原子空间时只发生特别微小的偏转，当某个粒子靠近原子核时，它们俩都带正电，会产生很大的力量相互排斥，因此粒子的偏转角会很大（如图1.8）。图1.8 卢瑟福对于盖格和玛斯顿实验的解释。当遇到非常小带正电的原子核时，也带正电的粒子会产生偏转，但原子的大部分空间是空的。核电荷与原子序数1913年，曼彻斯特卢瑟福研究组成员莫斯利，发明了一种比较各元素原子所带的正电荷的方法。核电荷随着元素在元素周期表中的序列每增大1而增加一个电荷。莫斯利认为表中的元素序列与原子的核电荷数有关，而不与相对原子质量有关（见199页）。于是，核电荷数被称为元素的原子序数，原子序数定义了元素在周期表中的位置。原子核中的微粒质子卢瑟福提出原子模型假设后，他推断在原子核中必然存在带正电的微粒。他和玛斯顿用粒子轰击氢、氮还有其他物质。他们发现了和氢原子有着差不多同样电量和质量的微粒，卢瑟福称它们为质子。一个质子带1.602*10-19C的正电，与电子电量相等，但是极性相反。它的质量是1.673*10-27Kg,大约是一个电子质量的2000倍。原子是电中性的，原子核内的质子数与核外的电子数量是相同的。中子一个原子的质量集中在原子核处，但不仅仅取决于质子，通常，质子只提供一半的质量。卢瑟福提出假设，原子核里还有另外一种微粒，质量与质子差不多，但是不带电。他认为，这种微粒是质子和电子的结合体。因为没有电量，在电场中就不能体现出该微粒，所以检测这种微粒就变得特别困难。直到卢瑟福提出假设的12年后，也就是1932年，他们的同事查德威克，找到了充足的证据证明这样一种质量与质子差不多，但是不带电荷的微粒的存在（如图1.9）。这种微粒被称为中子。图1.9 a 查德威克就是使用这套装置发现中子的。b 图示为装置的内部结构。查德威克用粒子轰击铍块。不带电的微粒在铍块的一侧被发现。当在铍块附近放一块石蜡时，就会发现带电的质子。粒子能将铍中的中子轰击出来，将石蜡中的质子轰击出来。原子序数和质量数原子序数（Z）不同元素的原子最大的不同点是原子核中的质子数不同，质子数决定该原子属于何种元素。元素的原子序数表示：n 某元素原子原子核中的质子数n 原子（电中性）中的电子数n 在元素周期表中的位置质量数（A）一个原子的原子核中所有微粒的数目，是个很有用的数，被称为质量数。对于任何原子：质量数是原子核中质子数与中子数之和。Behaviour of protons, neutrons and electrons in electric fields 质子、中子和电子在电场中的运动轨迹The three particles behave differently in an electric field, because of their relative masses and charges. Protons are attracted to the negative pole and electrons are attracted to the positive pole. Because they are much lighter, electrons are deflected more. Neutrons are not deflected as they have no charge (figure 1.10).图1.10 质子、中子和电子在电场中的运动轨迹在电场中，这3种微粒的运动轨迹不相同。质子被吸引到负极而电子被吸引到正极。因为电子很轻，所以电子的偏转最严重。中子不带电，因此不发生偏转（如图1.10）。Summary table Particle name Relative mass Relative chage electron negligible -1 proton 1 +1 neutron 1 0总结如下： 微粒名称 相对质量 相对电量 电子 可忽略 -1质子 1 +1中子 1 0Isotopes 同位素在卢瑟福原子模型中，原子核由质子和中子构成，每个质子和中子的质量为1个原子单位。因此，该元素原子的相对质量应该是一个整数。由此，问题又出现了：为什么氯元素的相对原子质量为35.5呢？答案是：同种元素的原子并不是完全相同的。在1913年，索迪.弗雷德里克提出假设：同种元素的不同原子有不同的原子质量。他称这些不同质量的原子为同位素。意思是“相同的地位”。例如，在元素周期表中占据同一个位置，有相同的原子序数。质子和中子的发现正好可以解释为什么同一种元素会有同位素。在某元素的各同位素中，它们的质子数是相同的，但中子数不同。Remember: atomic number(Z) =number of protons mass number (A) =number of protons +number of neutrons请牢记：原子序数（Z）= 质子数 ，质量数（A）= 质子数+ 中子数Isotopes are atoms with the same atomic number, but different mass numbers. 同位素是原子序数相同质量数不同的原子。The symbol for isotopes is shown as. x or X 例如，氢元素有三种同位素 氕 氘 氚 1 1H 2 1H 3 1H质子数 1 1 1中子数 0 1 2通常，可以通过名称和符号+质量数来确定某同位素。例如，铀元素（Z-92），是自然界中存在的最重的元素。它有2个特别重要的同位素，质量数分别为235和238。它们可表示为铀-235和铀-238，U-235和U-238或235U和238U。质子数，中子数和电子数对于一个原子或离子，我们很容易计算其各个组成部分。 质子数= Z 中子数= A- Z 电中性原子中电子数= Z 正离子电子数= Z 离子带电量 负离子电子数= Z + 离子带电量举个例子，镁是12号元素，它属于第二主族，因此它容易失2个电子（2+）成为镁离子。因此，镁的同位素镁-25的离子形式可表示为：25 12Mg2+质子数为12，中子数为13，电子数为10。Electrons in atoms 原子中的电子Electrons hold the key to almost the whole of chemistry. Protons and neutrons give atoms their mass, but electrons are the outer part of the atom and only electrons are involved in the changes that happen during chemical reactions. 电子是研究化学反应的关键。原子的质量是质子和中子的质量和，电子在核外，因此只有电子才可以为化学反应提供电荷。如果我们知道了电子在原子和分子中的排布，我们就可以用纯数学的方法预计大多数的化学反应。但是目前，即使是使用最先进的计算机，想要清楚了解核外电子排布也并非易事。但或许在不久的将来就会实现。现在我们认识到的核外电子排布是什么样子的呢？最初的一种简单的看法是：它们绕原子核做随机旋转。但这种看法很快被否定了。计算表明，如果是这样，任何可动的、带电的微粒，就像电子这样的，都会损失能量，最终撞入原子核。现在使用的模型的是电子排布在一些层上。这些“层”与电子所拥有的不同能量级别有关。电子排布：能级(energy level)和电子层(shell)Earlier the German physicist Max Planck had proposed, in his “Quantum Theory” of 1901,that energy, like matter, is atomic. It can only be transferred in packets of energy he called quanta, a single packet of energy is a quantum. Bohr applied this idea to the energy of electrons. He suggested that, as electrons could only possess energy in quanta, they would not exist in a stable way, anywhere outside the nucleus, unless they were in fixed or quantized energy levels. If an electron gained or lost energy, it could move to higher or lower energy levels, but not somewhere in between. It is a bit like climbing a ladder；you can only stay in a stable state on one of the rungs. You will find that, as you read more widely, there are several names given to three energy levels. The most common name is shells.Shells are numbered 1, 2, 3, 4, etc. These numbers are known as ptincipal quantum。1913年，原子理论取得了巨大的进展。丹麦物理学家玻尔.尼尔斯提出了他关于原子核外电子排布的假设。之前的德国科学家普朗克在他1901年的量子论中提出：能量是原子化的，就像其他物质一样。能量只能通过“量子”这个能量的基本单元来进行能量转换。玻尔应用这个理论研究电子的能量，他认为，既然电子只能占有量子级的能量，它们就不能在原子核外稳定存在，除非它们被固定在定量的能级上。如果电子得到或丢失能量，它可以越迁到更高的或更低的能级上，但是不能处于能级之间。这有点像爬楼梯，你可以在任何一层停留并保持稳定。随着你看更多的书，你会发现每个能级都有自己的名字。最通俗的叫法是电子层。Shells are numbered 1, 2, 3, 4, etc. These numbers are known as ptincipal quantum numbers(symbol n).Such numbers correspond to the numbers of rows(or Periods) in the Periodic Table。电子层分为1，2，3，4等层，这些数是基本量子数。电子层数与原子所在的周期对应。We can now write the simple electronic configurations as shown in table 1.1. Remember that the atomic number tells us the number of electrons present in an atom of the element. For a given element, electrons are added to the shells follows现在我们可以写出表1.1中原子的基本电子分布。原子序数表示原子电子数。对于某个给定的元素，电子在各个层的分布按以下规律： up to 2 electrons in shell 1: 第一层最多有2个电子 up to 8 electrons in shell 2: 第二层最多有8个电子 up to 8 electrons in shell 3. 第三层最多有18个电子电离能可以很好的解释电子层的存在。电子数电子数电子数原子序数N=1N=2N=3H11He22Li321Be422B523C624N725O826F927Ne1028Na11281表1.1 周期表中前11个元素的电子排布Ionisation energy 电离能When an atom loses an electron it becomes a positive ion.We say that it has been ionized. Energy is needed to remove electrons and this is generally called ionization energy. 当一个原子失去一个电子，就变成一个正离子，我们把这种过程称为电离。转移电子需要能量，这个能量就是电离能。 More precisely,The first ionization energy of an element is the amount of energy needed to remove one electron from each atom in a mole of atoms of an element in the gaseous state.某种元素的第一电离能是从该元素1摩尔气态原子中的每个原子中转移一个电子所需要的能量。The general symbol for ionization energy isHi,and for a first ionization energy it isHi1 , The process may be shown by the example of calcium as (电离能的符号是Hi，第一电离能的符号是Hi1。以碳元素为例，整个过程可表示为)：Ca(g)- Ca+(g)+ e- Hii = +590KJ/molThe energy needed to remove a second electron from each ion in a mole of gaseous ions is the second ionization energy.从1摩尔气态离子中在转移一个电子所需要的能量为第二电离能。以碳为例：Ca+(g) Ca2+(g)+ e- Hi2 = +1150KJ/molNote that the second ionization energy is much larger than the first注意第二电离能比第一电离能大得多。We can continue removing electrons until only the nucleus of an atom is left.The sequence of first second, third, fourth, etc, ionization energies(or successive ionization energies) for the first 11 elements in the Periodic Table are shown in table 1.2(我们可以不停地转移电子直到只剩原子核。周期表中前11个元素的第一、二、三、四电离能如表1.2所示)。移动的电子数12345678910111H13102He237052503Li5207300118004Be900176014850210005B8002420366025000328006C109023504620622037800473007N1400286045807480945053300644008O1310339053207450110001330071300841009F1680347060408410110001520017900920001060010Ne208039506120937012200152001314011Na510456069409540134001660020100255002890014100158700表1.2 周期表中前11个元素的各级电离能（圆整至10KJ/mol）以下规律对所有元素适用： The ionization energies increase. As each electron is removed from an atom, the remaining ion becomes more positively charged. Moving the next electron away from the increased positive charge is more difficult and the next ionization energy is even larger.电离能是增加的。每当从原子中移出一个电子后，剩余的离子所带的正电越多，因此，再移出一个电子也就越困难。所需的电离能就越大。 There are one or more particularly large rises within the set of ionization energies of each element (except hydrogen and helium)除氢与氦外，其他元素的一系列电离能中，有一个或几个较大的阶越。Ionisation energies of elements are measured mainly by two techniques:可以用两种方法来测量某元素的电离能 calculating the energy of the radiation causing particular lines in the emission spectrum of the element计算引起放射谱的放射能量。 using electron bombardment of gaseous elements in discharge tubes.We now know the ionization energies of all of the elements. 在放电管中，使用气体元素的电子轰击方法.These data may be ionization energies of the atomic numbers of elements and their simple electronic configurations.我们现在已知所有元素的电离能，可以根据元素的原子序数和其核外电子排布来解释电离能。在此之前，我们先来考虑影响电离能大小的因素。Factors influencing ionization energies影响电离能大小的因素The three strongest influences on ionization energies of elements are the following 三个最重要的影响因素为： The size of the positive nuclear chargeThis charge affects all the electrons in an atom.The increase in nuclear charge with atomic number will tend to cause an increase in ionization energive.原子核内正电荷数正电荷吸引电子，正电荷越多，电离能越大。 The distance of the electron from the nucleus电子与原子核的距离It has