第1讲原子结构.doc

物质结构第1讲 原子结构内容摘要原子（ ）原子核电子（Z个）（electron）质子（Z个）（proton）中子（N = (A-Z)个）（neutron）1原子的组成 2元素、同位素、核素 核素是指具有一定数目的质子数和一定数目中子数的某种原子； 同位素是指具有相同质子数和不同中子数的核素之间的互称； 元素是指具有相同质子数的原子的总称。具有相同的质子数中子数1中子数2中子数3 形成单质或化合物分子组合元素 同位素1 同位素2 同位素3 元素的相对原子质量 各同位素的相对原子质量3元素的相对原子质量同位素之间具有相同的质子数同位素的化学性质极为相似各同位素在天然存在的单质或化合物中所占比例几乎保持不变实验测得的某元素的相对原子质量应包含各同位素的贡献 元素的相对原子质量 符号Ar（） A表示原子 (atom)，r表示相对质量(relative mass)，表示某种元素(element)。M 某同位素的相对原子质量，a 该同位素所占的原子个数百分比（丰度）例1氯元素的相对原子质量的计算同位素同位素的相对原子质量（Mi）丰度（ai）34.96975.7736.96624.23Cl元素的相对原子质量 M1a1M2a2 34.96975.77%36.96624.23%35.453. Cl元素的近似相对原子量 A1a1A2a2 3575.77%3724.23%35.485 3575%3725%35.5（进一步对丰度作近似处理）4同位素通过组合形成具有相同分子结构的单质或化合物的分子。例2 原子的组合方式用O、H、D分别代表16O，1H，2H，它们共可以形成_种不同的水分子。例3 组合过程的定量计算 某元素x的同位素可形成三种双原子分子，其式量分别为158、160、162，其分子个数比为1:2:1，问：元素x有几种同位素？质量数分别为多少？ 计算各种同位素所占原子百分比？【练习一】1假定密里根在他的油滴上测得如下电荷： 1.3310-19C、2.6610-19C、3.3310-19C、4.6610-19C、7.9210-19C 等。 你认为他的电荷值可能是多少？2在卢瑟福的散射实验中，假设被粒子撞击的原子本体都是实心的球体的话，那么我们可以预料到射线束的所有的粒子都会偏转一定程度，而实际上卢瑟福观察到的大多数粒子并没有明显的偏转：在一次实验中，粒子透过了厚达400nm的金箔，即穿透了约1000层金原子层，每100，000个粒子中只有大约1个粒子被偏转。这一粒子呈现出很大的偏转，偏转角达到90以上。当采用两倍厚度的金箔时，发现约有两倍多的粒子呈现出很大的偏转角。 试根据以上实验结果，推测原子核与原子半径的大约比值是多少？3从一种铀矿加丹加板铅铀矿（Katangan curite）,其产地现属非洲扎伊尔制得一块质量为1.0000g的硫化铅PbS试样，经还原后发现得到0.8654g金属铅。另外从一种钍矿挪威钍石（thorite）制得一质量为1.0000g的PbS试样，经还原后发现得到0.8664g金属铅，假设硫元素的相对原子质量为32.064。试计算铅的两种原子量的值。4道尔顿的原子学说曾经起了很大作用。他的学说中，包含有下述三个论点：原子是不能再分的粒子；同种元素的原子的各种性质和质量都相同；原子是微小的实心球体。从现代的观点看，你认为这三个论点中不确切的有哪些？5氧有三种天然同位素，它们的同位素原子量和各同位素原子的百分组成数据分列如下： 16 O 15.994915 99.759% 17 O 16.999133 0.037% 18 O 17.99916 0.204% 计算：氧元素的相对原子质量； 氧元素的近似原子量。6氢元素有三种同位素1H、2H、3H，但从氢元素的相对原子质量为1.008的角度进行考察，似乎并没有涉及氘和氚对氢元素的相对原子质量的贡献。请说明其理由。 氢元素的同位素1H2H3H相应丰度99.984%0.016%110-15%7自然界中，碳除了有2种稳定同位素12C和13C外，还有一种半衰期很长的放射性同位素14C，丰度也十分稳定，如下表所示（注：数据后括号里的数字是最后一位或两位的精确度，14C只提供了大气丰度，地壳中的含量小于表中数据）：同位素相对原子质量地壳丰度（原子分数）12C12（整数）0.9893 (8)13C13.003354826 (17)0.0107 (8)14C14.003241982 (27)1.210-16（大气中） 试问：为什么通常碳的相对原子质量只是其稳定同位素的加权平均值而不将14C也加入取平均值？8在计算氯元素的相对原子质量时，有同学注意到，在质子和中子结合形成氯原子的过程中，出现质量亏损。试计算出在此过程中的质量亏损的值为_。9原计划实现全球卫星通讯需发射77颗卫星，这与铱（Ir）元素的原子核外电子数恰好相等，因此称为“铱星计划”。已知铱的一种同位素是Ir，则其核内的中子数是 （A）77 （B）114 （C）191 （D）26810已知自然界中铱有两种质量数分别为191和193的同位素，而铱的平均原子量为192.22，这两种同位素的原子个数比应为 （A）39:61 （B）61:39 （C）1:1 （D）39:11111H、2H、3H、16O构成的相对分子质量不同的水分子共有 （A）3种 （B）5种 （C）6种 （D）12种12某元素的单质为双原子分子，由其原子构成的分子有三种，且分子的相对质量分别为70、72、74，若此三种分子的个数比为9:6:1。由此推断出的正确的结论是 （A）此元素有三种同位素 （B）其中一种同位素原子的质量数为36 （C）其中质量数为37的同位素占原子总数的25%（D）此元素的单质的平均相对分子质量为7213氯只有35Cl和37Cl两种稳定同位素，它们在氯气中的原子数之比35Cl : 37Cl为3 : 1。则分子量为70、72、74的氯气分子数之比不可能是（A）5:2:1 （B）5:2:2 （C）9:6:1 （D）9:3:214（1）用35Cl标记的次氯酸钠（Na35ClO）和足量的用37Cl标记的盐酸（H37Cl）反应，在室温下得到一种相对分子质量为72的气体，将所得溶液蒸干，只得到一种产物，写出反应方程式，并标出反应中电子转移的方向和数目，以及产物的化学式及式量：_；化学式_，式量_。 （2）氯酸钾固体和浓盐酸在常温下，可以发生反应制取氯气，若用两种不同的同位素标 记的方法，反应中得到的氯气的相对分子质量是不相同的。 （a） 用H37Cl和K35ClO3反应，生成的气体73.3（220/3）； （b） 用H35Cl和K37ClO3反应，生成的气体70.6（212/3）。 根据以上实验事实，请判断在上述反应中的氧化剂还原剂氧化产物和还原产物，并标出此氧化还原反应中的电子转移方向和数目：_。 15一些元素的同位素丰度如下表所示。最常见的同位素丰度都当作100来表示元素质量丰度质量相对丰度质量相对丰度H1100.020.015C12100.0131.1N14100.0150.37O16100.0170.04180.20P31100.0S32100.0330.080344.4Cl35100.03732.5Br79100.08198.0试分析：各有多少种分子量不同的HCl、Cl2分子，它们的个数比分别为多少？若将上述研究的结果，运用于CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4分子，又将得出怎样的结论？16右图是分子式满足CnH2n+1X（X = F、Cl、Br）的有机物的质谱图。请根据你对同位素的有关知识的理解，试写确定该卤代烃中所含的卤族元素是_，并写出图中化合物的分子式_。第2讲 原子核外电子的运动状态内容摘要1核外电子运动状态能量：量子化电子 理论：1924年，德布罗意首先提出 运动方式：波粒二象性 实验：电子衍射实验证实（1）核外电子运动的特征 （2）核外电子运动状态的描述 主量子数n（n = 1，2，3，4，）电子层电子层的序数(n)123456符号KLMNOP能量低 高 角量子数l（l = 0，1，(n-1) ） 电子亚层取值 l = 0 l = 1l = 2 l = n-1亚层符号 s pd f、g、h.电子云形状球形对称纺棰形（哑铃形）十字花瓣形更为复杂能量类氢原子在电子层数相同的条件下，l的取值与能量无关.多电子原子在电子层数相同的条件下，l的取值越大，能量越高。 磁量子数m （m = 0，1，2，l）电子云的伸展方向 （a）当l=0、m=0时，s电子云只有一种伸展方向。其图形为： （b）当l=1，m=0、m=1时，P电子云有三种不同的伸展方向。其图形为： （c）当l=2，m=0、m=1、m=2时，d电子云有五种不同的伸展方向。其图形为： 自旋量子数ms（ms = +1/2， -1/2 ）电子的自旋 核外电子的运动状态轨道电子的自旋主量子数（电子层）角量子数（电子亚层）磁量子数（电子云的伸展方向） 轨道：具有一定能量和伸展方向的电子云所占据的空间。（3）每一电子层中电子云的形状、轨道的分布状况和最多可填充的电子数电子层 (n)Kn=1Ln=2 M n=3Nn=4电子亚层 （l）s0s0p1s0p1d2s0p1d2f3电子云的形状及径向分布电子云的伸展方向（m）000，100，10，1，200，10，1，20，1，2，3各电子亚层上的简并轨道数1131351357各电子层的轨道总数(n2)14916各电子层最多可填充的电子数（2n2）2818361s2s2p3p3d3s4s4p4d4f5f5g5d5p5s 同一电子亚层上的不同轨道的能量是相等的，这些能量相等的轨道就称为简并轨道。 2核外电子排布的基本规律 （1）能量最低原理 能量最低原理是自然界普遍适用的法则，同样适用于处于稳定状态（基态）下的原子。即电子在轨道上的分布，必须使整个原子的能量最低，这样体系最稳定。 多电子原子轨道能级图（2）泡利（Pauli）不相容原理 1925年泡利在总结了大量实验结果后指出，在同一原子中不允许两个电子的四个量子数完全相同。这就是著名的泡利不相容原理。换句话说，同一原子的轨道上最多只能容纳两个电子，且自旋相反。 （3）洪特规则 洪特从光谱实验数据总结出了一条规律：电子在简并轨道上分布时，将近可能分占不同的轨道，且自旋相反。 洪特规则的特例当简并轨道全充满或半满或全空时，整个原子的能量较低，亦即较稳定。这就是洪特规则的特例。3电子分层排布的实验证明：电离能电离能：气态原子（或离子）失去电子生成离子（或高价离子）所需要的能量（KJ/mol）【练习二】1已知多电子原子中，下列电子具有如下量子数（n、l、m、ms），其中能量最高的电子是 （A）2，1，1，-1/2 （B）3，1，-1，-1/2 （C）3，0，0，-1/2 （D）3，2，-2，-1/22下列元素的原子的第一电离能最大的是 （A）N （B）O （C）P （D）B3某原子核外的5个电子的量子数分别列于下表。写出它们的轨道符号，并按它们轨道能量高低次序排列（如有能量相同的，需注明）编号n l m ms轨道符号轨道能量高低排列4 0 0 +1/23 1 -1 -1/23 2 0 +1/23 2 -2 -1/23 0 0 -1/24A、B、C、D都是短周期元素，原子半径DCAB。其中A、B处于同 一周期，A、C处于同一主族。C原子核内的质子数等于A、B原子核内的质子数之和， C原子最外层上 p 电子数是D原子最外层上 s 电子数的2倍。试回答： 这四种元素分别是A_B_C_D_； 这四种元素单质的熔点由高到低的顺序是：_； 写出A、B、D组成的化合物与B、C组成的化合物相互反应的化学方程式： _。5今有A、B、C、D四种元素，其中A元素为1826年法国青年所发现，他在研究海水制盐时，于剩余的副产物苦卤中通入氯气后发现溶液颜色变深，若进一步提取，可得一种红棕色液体，有刺鼻的臭味。B、C、D均为短周期元素。D原子核内的质子数正好等于C原子核内质子数的两倍，而它们最外电子层上的p电子数恰相等，D原子的最内电子层上电子数是B原子核外电子数的2倍。 则四种元素是：A_、B_、C_、D_。 写出由上述元素组成的单质或化合物相互作用生成沉淀的两个反应方程式： _、_。6A、B、C、D是短周期元素，A元素的最高价氧化物的水化物与它的气态氢化物反应得到离子化合物，1摩该化合物含有42摩电子，B原子的最外层电子排布式为nsnnp2n，C、D两原子的最外层电子数分别是内层电子数的一半，C元素是植物生长的营养元素之一。 试写出：A、B元素形成的酸酐的化学式：_；D元素的单质与水反应的化学方程式：_； A、C元素气态氢化物的稳定性大小_ _（用分子式表示）。7有V、W、X、Y、Z五种元素，它们的原子序数依次增大，且都小于20。其中X和Z是金属元素。V和Z属同一族，它们原子的最外电子层上只有1个电子。W和Y也属同一族，它们原子最外电子层的p亚层电子数是s亚层电子数的二倍。X原子最外电子层上电子数等于Y原子最外电子层上电子数的一半。由此可知：V是_、W是_、X是_、Y是_、Z是_。由这五种元素组成的一种化合物是_。8W、X、Y、Z四种元素都位于短周期内，它们的原子序数依次递增。W 原子核内仅有一个质子，X原子的电子总数与Z原子的最外层电子数相等，W原子与X原子的最外层电子数之和与Y原子的最外层电子数相等。Z 原子s电子总数与p电子总数相等，且Z只能形成阴离子。由此推断它们的元素符号是： W