六升七 化学原子结构课｜了解原子核外电子

1.1原子不是实心的小球演讲人六升七化学原子结构课｜了解原子核外电子各位同学，大家好，我是带领大家踏入微观化学世界的化学老师。不知道大家有没有想过，我们手里的课本、桌上的水杯、窗外的大树，这些看得见摸得着的物质，到底是由什么组成的？从初中开始我们就知道，物质是由分子、原子构成的，而原子更是构成物质的基本“积木”。不过很多同学可能会觉得，原子是个看不见摸不着的小东西，离我们的生活很远，但其实我们每天接触的所有物质，背后都藏着原子里核外电子的“小心思”。今天这节课，我们就一起来揭开原子核外电子的神秘面纱，从最基础的排布规律，到它如何决定物质的化学性质，一步步把这个微观世界讲清楚。1.课前铺垫：先搞懂原子的“内部全景”在正式聊核外电子之前，我们得先回顾一下原子的基本构成——毕竟核外电子是原子的一部分，只有先搞清楚整体，才能看清局部。011原子不是实心的小球1原子不是实心的小球我当年第一次学原子的时候，总觉得原子就像玻璃弹珠一样，是个实心的小疙瘩。直到后来做了卢瑟福α粒子散射实验的模拟演示，才彻底推翻了这个想法：1909年卢瑟福和他的学生用带正电的α粒子轰击金箔，结果绝大多数α粒子直接穿了过去，只有极少数粒子被反弹了回来。这个实验证明了原子内部大部分空间都是空的，所有的正电荷和几乎全部质量都集中在一个极小的核心里，也就是我们说的原子核。022原子核里藏着什么？2原子核里藏着什么？原子核的体积非常小，大概只占原子总体积的万亿分之一，但它却决定了原子的种类。原子核里有两种粒子：带正电的质子和不带电的中子。一个质子带一个单位的正电荷，中子不带电，所以原子核的总正电荷数就等于质子数。而整个原子是电中性的，也就是说，原子核外一定有带负电的粒子来平衡正电荷，这些粒子就是我们今天的主角——核外电子。每个电子带一个单位的负电荷，所以对于中性原子来说，核外电子数一定等于质子数。比如氢原子，原子核里有1个质子，核外就有1个电子；氧原子有8个质子，核外就有8个电子。这里我想给大家留一个小思考：既然原子内部大部分都是空的，那我们为什么摸不到空气、却能摸到桌子呢？其实答案就藏在核外电子里，这个问题我们后面会慢慢解开。过渡语刚才我们理清了原子的基本框架：原子核在中心，核外电子在外面“转悠”。但大家有没有想过，这些核外电子是怎么“待”在原子里的？它们是像行星绕太阳一样固定转圈圈，还是乱跑乱动？如果它们有固定的运动规律，又是什么样的规律呢？这就是我们今天要解开的核心问题。031先纠正一个经典误区：不是“行星绕太阳”1先纠正一个经典误区：不是“行星绕太阳”很多同学一开始学原子结构的时候，都会下意识觉得电子是像地球绕太阳一样，沿着固定的轨道绕原子核转。这个想法其实来自卢瑟福的行星模型，但这个模型有一个致命的漏洞：根据经典电磁学的理论，带电的电子在绕转的时候，会不断向外辐射电磁波，损失自己的能量，然后轨道会越来越低，最终一头栽到原子核上，那所有的原子都会瞬间坍塌。但我们身边的所有物质都好好的，桌子不会突然消失，空气也不会变成一团原子核，这说明这个模型肯定有问题。后来丹麦物理学家玻尔在卢瑟福的模型基础上，提出了量子化能级的概念，才解决了这个矛盾。简单来说，电子不能随便在任何位置运动，它只能待在几个特定的“能量楼层”里，每个楼层都有固定的能量值，我们把这些楼层叫做电子层。电子在这些楼层里运动的时候，不会辐射能量，只有当它从一个楼层跳到另一个楼层的时候，才会吸收或者放出能量。比如我们家里的霓虹灯，就是灯管里的电子吸收了电能，跳到了更高的能量楼层，然后又跳回低楼层的时候，把能量以光的形式放了出来，这就是我们看到的彩色灯光。042电子层的划分与排布规则2.1电子层的符号与分层逻辑我们按照电子离原子核的远近，把电子层从内到外依次编号，分别用K、L、M、N、O、P、Q来表示，对应的就是第1、2、3、4、5、6、7电子层。离原子核越近的电子层，能量越低，电子就越稳定；离原子核越远的电子层，能量越高，电子就越容易被“甩出去”或者“抢过来”。2.2核外电子排布的三大基础规则对于初中阶段的我们来说，只需要掌握三个最基础的排布规则，就能画出绝大多数常见原子的结构示意图：能量最低原则：电子总是先排在能量最低的电子层里，也就是先排K层，等K层排满了，再排L层，以此类推。比如氢原子只有1个电子，就排在K层；氦原子有2个电子，刚好把K层排满。每层最大容纳电子数：每个电子层最多能容纳的电子数是2n²，其中n是电子层的编号。比如K层是n=1，最多容纳2×1²=2个电子；L层是n=2，最多容纳2×2²=8个电子；M层是n=3，最多容纳18个电子，不过初中阶段我们只需要记到前三层就足够了。2.2核外电子排布的三大基础规则最外层电子数限制：不管有多少个电子层，最外层的电子数最多不能超过8个（如果只有1个电子层的话，最多只能是2个，比如氦原子）。比如钠原子有11个电子，K层排2个，L层排8个，剩下的1个排在M层，最外层就是1个电子，符合最外层不超过8的规则。这里我给大家举几个常见的例子，帮大家快速理解：碳原子：质子数6，核外6个电子，K层2个，L层4个，结构示意图就是圆圈里写+6，外面第一层2，第二层4。氯原子：质子数17，核外17个电子，K层2，L层8，M层7，最外层7个电子。氩原子：质子数18，核外18个电子，K层2，L层8，M层8，刚好把三层都排满，这就是我们后面会讲到的稳定结构。2.3原子结构示意图的规范画法1很多同学一开始画原子结构示意图的时候容易出错，这里我给大家总结一下规范步骤：2先画一个圆圈，代表原子核，在圆圈里写上“+质子数”，比如氧原子的原子核里有8个质子，就写+8。3从内到外画出电子层，用弧线表示，每层的电子数写在弧线的外侧。4检查总电子数是否等于质子数，比如氧原子总电子数2+6=8，刚好等于质子数8，就画对了。053核外电子的真实运动：没有固定轨迹的“概率云”3核外电子的真实运动：没有固定轨迹的“概率云”到这里可能有同学会问：既然电子是在电子层里运动，那能不能准确说出它某一刻的位置呢？答案是不能。因为微观粒子的运动和宏观物体完全不一样，我们没办法同时准确测出电子的位置和速度，只能知道它在某个区域出现的概率。我们把这个概率分布叫做电子云：电子云密的地方，代表电子在这里出现的概率高；电子云疏的地方，代表电子出现的概率低。比如氢原子的电子云，就像一个球形的“云团”，原子核在球心，电子大部分时间都在离原子核不远的地方活动，不会随便跑到很远的地方。我当年给学生做演示的时候，会用一个喷壶在教室里喷烟雾，然后用手电筒照，烟雾的疏密就像电子云的疏密，让大家直观感受到什么是概率分布，而不是固定的轨道。过渡语讲完了核外电子的运动和排布规则，大家可能会好奇：这些电子的排布到底有什么用？其实我们身边所有物质的化学性质，几乎都是由原子的最外层电子数决定的。接下来我们就聊聊，核外电子到底是如何决定原子的“性格”的。061什么是稳定结构？1什么是稳定结构？我们先来看一组原子：氦、氖、氩、氪、氙，也就是我们常说的稀有气体。这些气体在常温下都是单原子分子，很难和其他物质发生化学反应，甚至几乎不与任何物质反应，因此被叫做“惰性气体”。我们仔细看它们的最外层电子数：氦原子只有1个电子层，最外层2个电子；其他稀有气体的最外层都是8个电子。这就是原子的稳定结构：当原子的最外层电子数达到8个（只有1个电子层的话是2个）的时候，原子就处于稳定状态，不容易得失电子，化学性质非常不活泼。072金属原子与非金属原子的“电子小心思”2金属原子与非金属原子的“电子小心思”绝大多数的金属和非金属原子，最外层电子数都不是稳定结构，因此它们会想尽办法让自己的最外层电子数达到稳定结构，方法就是得失电子：2.1金属原子：容易失去电子金属原子的最外层电子数一般都少于4个，比如钠原子最外层1个电子，镁原子最外层2个电子，铝原子最外层3个电子。这些原子想要达到稳定结构，要么丢掉最外层的电子，让次外层变成新的最外层（比如钠原子丢掉1个电子后，次外层是8个电子，达到稳定）。因为最外层电子数越少，丢掉电子就越容易，所以金属元素的化学性质都比较活泼，比如钠放在空气中会迅速氧化，放在水里会剧烈反应放出氢气。2.2非金属原子：容易得到电子非金属原子的最外层电子数一般都多于4个，比如氯原子最外层7个电子，氧原子最外层6个电子，氮原子最外层5个电子。这些原子想要达到稳定结构，不需要丢掉太多电子，反而更容易从其他原子那里抢来电子，让最外层电子数达到8个。比如氯原子只需要抢1个电子，就能让最外层变成8个电子，因此氯气的化学性质也非常活泼，能和很多金属、非金属发生反应。2.3特殊的氢原子和碳原子氢原子是最特殊的原子，它只有1个电子层，最外层最多只能容纳2个电子，所以氢原子既可以丢掉1个电子变成氢离子，也可以得到1个电子变成氢负离子。而碳原子的最外层有4个电子，既不容易丢掉电子，也不容易得到电子，因此碳原子经常通过和其他原子共用电子的方式来达到稳定结构，这也是有机物能形成这么多复杂结构的原因。083离子的形成：得失电子后的带电粒子3离子的形成：得失电子后的带电粒子当原子得失电子之后，就不再是电中性的了，会变成带电的粒子，我们把这种带电的原子叫做离子：失去电子的原子带正电，叫做阳离子，比如钠原子丢掉1个电子后，变成带1个单位正电荷的钠离子（Na⁺）。得到电子的原子带负电，叫做阴离子，比如氯原子得到1个电子后，变成带1个单位负电荷的氯离子（Cl⁻）。阳离子和阴离子因为带有相反的电荷，会互相吸引，结合成中性的化合物，这就是离子化合物的形成原理。比如我们每天吃的食盐，就是钠离子和氯离子互相吸引形成的氯化钠（NaCl）。我当年带学生做实验的时候，会让大家用塑料尺摩擦头发，然后吸引碎纸屑，其实就是摩擦让塑料尺带上了电荷，和离子结合的原理是一样的，大家可以回家试试这个小实验。过渡语讲到这里，我们已经把核外电子的运动、排布、以及它如何决定物质的化学性质都讲清楚了。接下来我们通过几个小练习，帮大家巩固一下今天学到的知识。091基础练习：画原子结构示意图1基础练习：画原子结构示意图请大家试着画出以下5种常见原子的结构示意图，并且标出最外层电子数：氮原子（质子数7）镁原子（质子数12）硫原子（质子数16）钾原子（质子数19）氖原子（质子数10）大家可以对照一下答案：氮原子K层2，L层5，最外层5；镁原子K层2，L层8，M层2，最外层2；硫原子K层2，L层8，M层6，最外层6；钾原子K层2，L层8，M层8，N层1，最外层1；氖原子K层2，L层8，最外层8，属于稳定结构。102拓展小知识：电子跃迁与我们的生活2拓展小知识：电子跃迁与我们的生活刚才我们提到了电子在不同能级之间跃迁会放出光，其实我们生活里的很多东西都用到了这个原理：比如家里的荧光灯，就是灯管里的汞原子吸收电能后，电子跳到高能级，然后跳回低能级的时候放出紫外线，紫外线再激发灯管内壁的荧光粉，变成我们看到的可见光；比如我们看的烟花，不同的金属元素在燃烧的时候，电子跃迁会放出不同颜色的光，比如钠元素放出黄色光，铜元素放出绿色光，这就是烟花五颜六色的原因。113课堂小提问：为什么我们能摸到东西？3课堂小提问：为什么我们能摸到东西？回到我们最开始的问题：既然原子内部大部分都是空的，为什么我们能摸到桌子？其实答案就是核外电子：当我们的手靠近桌子的时候，我们手上的原子的核外电子和桌子上的原子的核外电子会互相排斥，因为它们带的都是负电荷，这种排斥力让我们感觉到“摸到”了东西，而不是我们的手真的穿过了原子的空隙。121本节课核心总结1本节课核心总结今天我们从原子的基本构成出发，一步步揭开了核外电子的神秘面纱：首先我们纠正了“电子像行星绕太阳一样运动”的误区，知道了电子是在量子化的电子层里排布的，遵循能量最低、每层最大容纳数、最外层不超过8的规则；然后我们了解了核外电子的真实运动是概率分布的电子云；最后我们明白了，原子的最外层电子数决定了它的化学性质，金属原子容易失电子，非金属原子容易得电子，得失电子后形成的离子互相结合成我们身边的各种物质。其实我们身边的每一样东西，从我们喝的水到我们用的手机，背后都是这些微小的核外电子在“安排”着