六升七 化学离子概念课｜理解离子形成过程

六升七化学离子概念课｜理解离子形成过程演讲人目录01.课程核心目标与开篇铺垫07.课堂总结与课后回顾03.离子的定义、分类与符号书写05.原子与离子的区别与相互转化02.原子的稳定性与电子得失倾向04.离子的形成过程与物质构成06.离子在生活中的实际应用大家好，我是今天的化学启蒙课主讲老师。不知道大家有没有留心过生活里的小细节：比如我们每天炒菜放的食盐，放进水里会悄悄消失却让水变咸；比如湿手碰台灯开关时，大人总会提醒“别碰，会触电”。这些看似平常的现象，背后都藏着微观世界里一种特殊粒子的身影——离子。今天这节课，我们就一起拨开微观世界的面纱，搞清楚离子到底是什么、怎么形成的，以及它和我们的生活有什么关联。01课程核心目标与开篇铺垫课程核心目标与开篇铺垫在正式讲解离子之前，我们先明确这节课要完成的三个核心目标：第一，回顾原子的基本结构，理解原子为什么整体不带电；第二，掌握离子的形成过程，能区分带正电的阳离子和带负电的阴离子；第三，学会简单离子符号的书写，了解离子构成物质的基本逻辑。要理解离子，我们得先从已经学过的原子结构说起。很多同学可能已经有印象：原子是构成物质的基本粒子之一，但它本身并不是实心的小球，而是由更微小的内部结构组成的。就像我们的学校，有教学楼、操场和办公楼，原子也有自己的“内部分区”。1原子的微观结构拆解我们可以把原子分成两大部分：位于中心的原子核，和在原子核外高速运动的核外电子。1原子的微观结构拆解1.1原子核的组成与电荷属性原子核的体积特别小，大概只占原子总体积的千亿分之一，但它几乎集中了原子的全部质量。原子核里又包含两种粒子：带正电的质子和不带电的中子。每一个质子都带有1个单位的正电荷，中子则没有电荷，所以整个原子核的正电荷总数，就等于原子核里的质子数量。举个例子，我们熟悉的氧原子，原子核里有8个质子，那它的原子核就带有8个单位的正电荷。1原子的微观结构拆解1.2核外电子的运动与电荷属性在原子核外面，有带负电的电子在固定的电子层里高速运动。每一个电子都带有1个单位的负电荷，而且电子的质量特别小，大概只有质子质量的1/1836，所以我们在计算原子质量的时候，通常可以忽略电子的质量，把所有质量都算在原子核上。2原子的电中性本质正常状态下的原子，整体是不带电的，也就是我们说的“电中性”。这是为什么呢？其实很简单：一个完整的原子，核外电子的总数等于原子核里的质子总数。比如刚才说的氧原子，原子核有8个质子，那它的核外就有8个电子，8个正电荷和8个负电荷刚好完全抵消，所以整个原子对外不显电性。我之前第一次接触这个知识点的时候，就用班级做过类比：如果一个班级里有8个男生（每个带1个正电荷）和8个女生（每个带1个负电荷），那整个班级整体就不会有明显的带电情况，和原子的电中性原理是一样的。02原子的稳定性与电子得失倾向原子的稳定性与电子得失倾向我们已经知道原子整体不带电，但不同的原子，化学性质差别特别大：比如稀有气体氖气，几乎不会和任何物质发生反应；但金属钠放在空气中会快速氧化，放进水里还会剧烈反应甚至燃烧。这种化学性质的差异，其实和原子最外层的电子数有着直接的关系。1电子层排布与最外层电子规则核外电子并不是杂乱无章地运动的，它们会按照能量高低排布在不同的电子层里。我们可以把电子层想象成教学楼的楼层：离原子核越近的电子层，能量越低，电子越稳定；离原子核越远的电子层，能量越高，电子越容易脱离原子的束缚。电子层的排布有固定的规则：第一层电子层最多只能容纳2个电子，第二层最多容纳8个电子，最外层的电子层最多只能容纳8个电子（如果第一层是最外层的话，最多只能容纳2个电子，比如氦原子）。1电子层排布与最外层电子规则1.1稀有气体的稳定结构稀有气体比如氦、氖、氩，它们的最外层电子数刚好达到了这个规则的上限：氦原子最外层只有2个电子，氖原子最外层有8个电子，氩原子最外层也是8个电子。这种最外层电子数达到饱和的原子，化学性质特别稳定，几乎不会和其他物质发生反应，这也是它们被叫做“稀有气体”的原因——它们太“安静”了，很难参与化学反应。2金属原子的电子得失倾向我们身边的大多数金属，比如铁、铜、钠，它们的最外层电子数都少于4个。比如钠原子，它的电子排布是：第一层2个，第二层8个，第三层也就是最外层只有1个电子。最外层只有1个电子的话，离饱和的8个电子还差得远，而且这1个电子离原子核最远，受到的吸引力最弱，很容易就会脱离原子。为了达到像稀有气体那样的稳定结构，金属原子会选择失去最外层的电子：比如钠原子，只要失去最外层的那1个电子，原来的第二层就变成了最外层，刚好有8个电子，达到了稳定结构。同样的，镁原子最外层有2个电子，就会失去2个电子；铝原子最外层有3个电子，就会失去3个电子。3非金属原子的电子得失倾向和金属原子相反，大多数非金属原子的最外层电子数都多于4个，比如氯原子最外层有7个电子，氧原子最外层有6个电子。它们很难通过失去电子达到稳定结构——比如氯原子要失去7个电子才能让最外层变成0个，这显然比得到1个电子要难得多。所以非金属原子会选择得到电子，来填满最外层的电子层：氯原子得到1个电子，最外层就变成了8个，达到稳定结构；氧原子得到2个电子，最外层也变成8个，达到稳定结构。03离子的定义、分类与符号书写离子的定义、分类与符号书写当原子失去或者得到电子之后，原本的电中性就被打破了，这时候的原子就不再是普通的原子，而是变成了带电的粒子——这就是我们今天的主角：离子。1离子的正式定义离子指的是带电的原子或者原子团。简单来说，就是原本不带电的原子，因为得失了电子，导致质子数和电子数不再相等，从而带上了电荷。这里我们先讲简单的单原子离子，也就是由单个原子形成的离子，后面会简单提一下原子团离子。2离子的两大分类根据带电的正负性，我们可以把离子分成两类：2离子的两大分类2.1阳离子：带正电的离子当原子失去电子的时候，核外的电子数就会比质子数少，正电荷总数多于负电荷总数，所以整体带正电，我们把这种离子叫做阳离子。比如刚才说的钠原子，失去1个电子之后，核外电子数变成10，质子数还是11，正电荷比负电荷多1个，所以带1个单位的正电荷，就是钠离子。同样的，镁原子失去2个电子，就会带2个单位的正电荷，形成镁离子。2离子的两大分类2.2阴离子：带负电的离子当原子得到电子的时候，核外的电子数就会比质子数多，负电荷总数多于正电荷总数，所以整体带负电，我们把这种离子叫做阴离子。比如氯原子得到1个电子之后，核外电子数变成18，质子数还是17，负电荷比正电荷多1个，带1个单位的负电荷，就是氯离子。氧原子得到2个电子，就会带2个单位的负电荷，形成氧离子。3离子符号的书写规则为了方便表示离子，我们会用元素符号加上右上角的电荷标注来书写离子符号，这里有几个固定的规则需要大家记住：3离子符号的书写规则3.1电荷标注的顺序先写电荷的数量，再写电荷的正负性。比如钠离子带1个单位正电荷，我们就写成$\ce{Na+}$，而不是$\ce{Na^+1}$——这里要注意，当电荷数是1的时候，数字可以省略，直接写正负号就行。比如$\ce{H+}$、$\ce{Cl-}$，都是省略了数字1的写法。3离子符号的书写规则3.2不同电荷数的写法如果得失的电子数不是1，就要把数字写出来。比如镁离子带2个单位正电荷，写成$\ce{Mg^2+}$；氧离子带2个单位负电荷，写成$\ce{O^2-}$；铝离子带3个单位正电荷，写成$\ce{Al^3+}$。3离子符号的书写规则3.3常见离子的练习我给大家列几个常见的离子，大家可以试着写一下：钙离子（带2个单位正电荷）、钾离子（带1个单位正电荷）、硫离子（带2个单位负电荷）。答案分别是$\ce{Ca^2+}$、$\ce{K+}$、$\ce{S^2-}$，大家可以对照一下自己写的对不对。04离子的形成过程与物质构成离子的形成过程与物质构成我们已经知道了离子是怎么来的，那离子又是怎么构成我们身边的物质的呢？我们可以用最熟悉的食盐来举例子，一步步拆解离子形成物质的过程。4.1钠与氯的反应实例：从原子到离子再到食盐我们都知道，食盐的主要成分是氯化钠，也就是$\ce{NaCl}$。但很多同学可能不知道，氯化钠并不是由氯化钠分子构成的，而是由钠离子和氯离子直接构成的。我们来还原一下这个过程：1.1初始状态的原子钠原子最外层有1个电子，氯原子最外层有7个电子，它们都没有达到稳定结构，化学性质都比较活泼。钠单质是银白色的金属，很容易被氧化；氯气是黄绿色的有毒气体，有很强的氧化性。1.2电子的转移过程当钠和氯气放在一起的时候，钠原子会主动失去最外层的1个电子，变成带正电的钠离子$\ce{Na+}$；氯原子会得到这个电子，变成带负电的氯离子$\ce{Cl-}$。这时候，钠离子和氯离子因为带相反的电荷，就会相互吸引，紧紧地靠在一起，形成氯化钠的微观结构。1.3宏观物质的形成大量的钠离子和氯离子按照一定的规律排列在一起，就形成了我们看到的食盐晶体——白色的固体，有咸味，能溶解在水里。这里我要强调一下：氯化钠里没有单独的$\ce{NaCl}$分子，每一个钠离子周围都会吸引多个氯离子，每一个氯离子周围也会吸引多个钠离子，形成一个巨大的离子晶体。1.3宏观物质的形成2离子化合物的基本概念像氯化钠这样，由阳离子和阴离子相互吸引形成的化合物，我们叫做离子化合物。除了食盐之外，我们常见的硫酸铜（$\ce{CuSO4}$，由铜离子$\ce{Cu^2+}$和硫酸根离子构成）、碳酸钙（$\ce{CaCO3}$，由钙离子$\ce{Ca^2+}$和碳酸根离子构成），都是离子化合物。和我们之前学的分子构成的物质比如水、二氧化碳不一样，离子化合物没有独立的分子，而是由大量的阴阳离子按照固定的比例排列形成的。1.3宏观物质的形成3其他常见的离子形成过程我们再举两个例子，帮助大家巩固：3.1镁和氧的反应镁原子最外层有2个电子，会失去2个电子形成$\ce{Mg^2+}$；氧原子最外层有6个电子，会得到2个电子形成$\ce{O^2-}$，两者结合形成氧化镁$\ce{MgO}$，也就是我们常说的镁砂，常用于耐火材料。3.2铝和硫的反应铝原子失去3个电子形成$\ce{Al^3+}$，硫原子得到2个电子形成$\ce{S^2-}$，为了让正负电荷抵消，需要2个铝离子和3个硫离子结合，形成硫化铝$\ce{Al2S3}$。05原子与离子的区别与相互转化原子与离子的区别与相互转化很多同学容易把原子和离子搞混，其实它们之间既有联系又有明显的区别。我们可以从三个维度来对比一下：1微观层面的核心区别|对比维度|原子|离子||---|---|---||质子数与电子数关系|质子数=电子数|质子数≠电子数||电性|整体不带电（电中性）|带正电或负电||化学性质|大多数原子化学性质活泼|离子的最外层电子达到饱和结构，化学性质稳定|举个最直观的例子：钠原子和钠离子。钠原子最外层有1个电子，化学性质特别活泼，放到水里会和水剧烈反应，生成氢氧化钠和氢气；而钠离子的最外层有8个电子，达到了稳定结构，不会和水发生反应，我们吃的食盐里就有大量的钠离子，对人体是安全的。2原子与离子的相互转化原子和离子之间可以通过得失电子相互转化：2原子与离子的相互转化2.1原子变成离子金属原子失去电子→阳离子；非金属原子得到电子→阴离子。2原子与离子的相互转化2.2离子变回原子阳离子得到电子→原子；阴离子失去电子→原子。比如钠离子$\ce{Na+}$得到1个电子，就会变回钠原子$\ce{Na}$；氯离子$\ce{Cl-}$失去1个电子，就会变回氯原子$\ce{Cl}$。3常见原子与对应离子的实例氯原子$\ce{Cl}$→得到1个电子→氯离子$\ce{Cl-}$（阴离子）05氧原子$\ce{O}$→得到2个电子→氧离子$\ce{O^2-}$（阴离子）03我给大家整理了几个最常见的对应关系，方便大家记忆：01铁原子$\ce{Fe}$→失去2个电子→亚铁离子$\ce{Fe^2+}$，失去3个电子→铁离子$\ce{Fe^3+}$04氢原子$\ce{H}$→失去1个电子→氢离子$\ce{H+}$（阳离子）0206离子在生活中的实际应用离子在生活中的实际应用很多同学可能会觉得，微观的离子离我们的生活很远，但其实我们的衣食住行都离不开离子。接下来我们就聊聊，离子到底在哪些地方发挥着作用。1离子与人体健康我们的身体本身就是一个巨大的“离子溶液”，各种离子在我们的血液、细胞液里流动，维持着我们的生命活动：1离子与人体健康1.1维持细胞渗透压钠离子和钾离子是维持细胞渗透压的核心离子，它们能控制细胞内外的水分平衡。我们常说的生理盐水，就是浓度为0.9%的氯化钠溶液，它的离子浓度和人体细胞内的离子浓度一致，不会破坏细胞的渗透压，所以常用于医疗输液、清洗伤口。1离子与人体健康1.2骨骼与牙齿的形成钙离子和磷酸根离子结合形成磷酸钙，是我们骨骼和牙齿的主要成分。如果身体里的钙离子不足，就会出现抽筋、骨质疏松等问题，所以我们需要通过牛奶、豆制品来补充钙离子。1离子与人体健康1.3血液的运输功能血红蛋白里含有亚铁离子$\ce{Fe^2+}$，它能和氧气结合，把氧气运输到身体的各个部位。如果缺铁，就会导致缺铁性贫血，所以我们常说的“补铁”，其实补充的是亚铁离子。2工农业生产中的离子应用2.1农业生产农业上常用的氮肥比如硝酸铵$\ce{NH4NO3}$，就是由铵根离子$\ce{NH4+}$和硝酸根离子$\ce{NO3-}$构成的，这些离子能被植物的根系吸收，为植物提供氮元素，促进植物的生长。另外，农药里的波尔多液，是由硫酸铜和石灰乳混合而成的，利用铜离子的毒性来杀灭害虫。2工农业生产中的离子应用2.2工业生产工业上的电镀工艺，就是利用离子的定向移动，在金属表面镀上一层耐腐蚀的金属，比如自行车车把上的镀铬层，就是通过铬离子的还原沉积形成的。另外，污水处理的时候，也会通过加入化学试剂，让污水里的重金属离子形成沉淀，从而去除污染物。3现代科技中的离子技术3.1锂电池我们每天用的手机、笔记本电脑里的锂电池，核心原理就是锂离子的定向移动。当电池充电的时候，锂离子会从正极移动到负极储存起来；当我们使用手机的时候，锂离子又会从负极移动到正极，形成电流，为手机提供能量。3现代科技中的离子技术3.2净水技术我们家里用的净水机，很多都用到了离子交换技术：比如软化水的树脂，会把水里的钙离子、镁离子交换成钠离子，从而降低水的硬度，减少水垢的形成。