人类对原子结构的认识

第1讲 人类对原子结构的认识

1．原子

原子的英文名(Atom)是从äτομοζ(atomos ，“不可切分的”)转化而来。很早以前，希腊和印度的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世纪时，化学家发现了物理学的依据：对于某些物质，不能通过化学手段将其继续的分解。19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分。

原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位，一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子，原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。在原子中，质子数与电子数相同，原子表现为电中性。如果质子数和电子数不相同，就成为带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同，质子数决定了该原子属于哪一种元素。原子是一个极小的物体，其质量也很微小，原子的99.9%的重量集中在原子核，其中的质子和中子有着相近的质量，目前可用扫描隧道显微镜观察并拨动单个原子，下图为超高真空多功能扫描隧道显微镜，中图为显微镜下的硅原子结构，右图为在扫描隧道显微镜下科学家拨动49个铁原子排列在钢表面上形成的一个圆形栅栏。

2．构成物质的微粒

构成物质的微粒有原子、分子和离子。

原子是化学变化中的最小微粒，能直接构成物质，如金刚石、石墨等。

分子是构成物质的一种微粒，更多的研究结果表明，分子是由原子结合而成的，如：He、O2、O3、H2O、CO2、H2SO4等。

原子可以通过得到或失去电子形成离子，离子也是构成物质的微粒，如氯化钠就是由Na＋和Cl－构成的。

1．原子结构的演变

原子结构模型是科学家根据自己的认识，对原子结构的形象描摹，一种模型代表了人类对原子结构认识的一个阶段。人类认识原子的历史是漫长的，也是无止境的。原子结构模型主要经历了以下演变过程：

道尔顿原子模型(1803年)：原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球体。

汤姆生原子模型(1904年)：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，形成中性原子，俗称“枣糕式”模型，糕体相当于原子核，分散在其中的枣子相当于电子。

卢瑟福原子模型(1911年)：在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星围绕太阳运转。玻尔原子模型(1913年)：电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。

2．原子的组成

原子是化学反应中的最小微粒，在化学反应中不可分割。科学研究表明，绝大多数原子的原子核由质子和中子构成，质子、中子和电子的质量、所带电荷各不相同。1个质子带1个单位的正电荷，1个电子带1个单位的负电荷，中子不显电性。原子核内的质子数与原子核外的电子数相等，所以原子呈电中性。原子核所含质子数，也就是所带的正电荷数又称核电荷数。科学家发现不同元素的原子所含的质子数各

不相同，而且目前发现的所有原子中，其质子数按1、2、3、4、5……依次递增，刚好和自然整数序列一致，习惯上，人们就把原子中所含质子数称为原子序数，原子序数在数值上等于其核电荷数。阶段一般要求了解原子序数在18以内的原子所带的质子数、核外电子数。

原子核电荷数＝质子数＝核外电子数＝原子序数

原子⎩

⎪⎨⎪⎧ 核外电子(带负电)原子核⎩⎨⎧ 质子(带正电)中子(不带电)

3．原子核外电子排布

在化学家们想像的模型中，每一个原子中的核外电子都绕核作高速运动，永不停止，也不劳累。在多电子原子中，则近似认为电子在原子核外的不同区域内绕核运动，又称为分层运动或分层排布。原子核外，由里到外、由近到远地分布着不同的电子层，供不同的电子绕核运动，尤如大都市中心城区外围所修的绕城公路，供不同性能、不同用途的机动车运行，从而保证交通有序运行。

人们常把原子中电子的这种分层运动用下图表示，中心圆圈表示原子核，围绕其外围的圆表示各个电子层，每个弧线上的小圆圈代表在其上运动着的电子。

通常由里到外依次称为第一层(又称K 层，层序数n ＝1)、第二层(又称L 层，层序数n ＝2)、第三层(又称M 层，层序数n ＝3)…………反过来，排在最外面的层也称为最外层，然后依次为倒数第二层(习惯上称为次外层)、倒数第三层……去掉最外层，其他的层统称为内层。

这种表示方法虽然形象但过于繁琐，通常将以上图示简化为右图，其中“小圆圈”代表原子核，“＋”表示原子核带正电荷，“8”表示原子核内质子数，

也就是核所带电荷数，右边弧线从左至右表示电子层，其上数字表示在

该层运动的电子数。如图表示核内有8个质子的原子核外电子的分层排

布情况，第一层有2个电子，第二层有6个电子，这种图示被称为“原子结构示意图”，用于表示原子的核外电子分层排布。

根据距离中心城区的远近，通过制订一定的交通规则，让不同动力、不同用途的机动车在不同的绕城公路上行驶，有效地降低了车辆的拥堵现象，改善了城市交通秩

序，提高了人们的生活质量。与此一样，对于多电子原子，不同能量的电子也必须遵守一定的“交通规则”，才能让它们“和谐”相处。核外电子分层排布的基本原则主要有以下几条(随着学习的深入，会逐步增加条例，这和城市交通规则的不断改进道理一样)：

(1)电子分层排布时，要先排离核最近的电子层，只有当其排满时才能再往外排，这样会使得体系的能量处于比较低的状态，保持相对稳定，该原则称为“能量最低”原则。

(2)每一层最多排2n2个电子，即第一层最多排2个电子，第二层最多排8个电子……

(3)最外层最多排8个电子，如果只有一层，则最多排2个电子。

[试一试] 1.请你画出核电荷数为6、9、13、16的原子结构示意图。

在具体分析各原子核外电子排布时，须综合考虑以上三个原则，如19号元素，按此部分原则，可能会排出2、8、9三层形式，第三层上有9个电子，虽未突破“每层最多有2n2个电子”原则，但却不符合最外层不超过8的规定，这种排列不符合“交通规则”。正确方法是按2、8、8、1四层形式排布，这样就能

同时满足三个规则。从这个例子中也可以发现，“每层最多有2n2个电子”并不一定要求每一层都达到2n2个，这是在实际排布时要注意的一个问题。

4．元素的性质与原子核外电子排布的关系

在通常情况下，稀有气体性质稳定，很难与其他物质发生化学反应，因此稀有气体又被称为惰性气体。观察部分稀有气体、活泼金属钠和活泼非金属氯形成的稳定离子结构示意图，可看出性质稳定的微粒结构上有许多共性。

从原子结构中我们不难看出，稀有气体原子最外层都排有8个电子(仅He有2个电子)，钠离子和氯离子最外层有了8个电子后也不再活泼，而其他活泼原子最外层电子数均未达到8个，在一定条件下，均有达到8个电子(或2个电子)的倾向。这正是稀有气体很难与其他物质发生化学反应的根本原因，也是“结构决定性质”的完美诠释。如镁原子最外层只有2个电子，它只要失去2个电子，次外层变成最外层，也就达到了8电子的稳定构型；如果用得到电子的方式，它需要6个电子才能达到8电子的相对稳定，不如第一种方式容易。而硫原子最外层有6个电子，它得到2个电子就能满足8电子稳定构型；如果以失去电子的方式，它需要失去6个电子才能达到8电子的相对稳定，也不如第一种方式容易。通常最外层电子数较少的原子