第六章 物质结构基础解析

第六章物质结构基础

学习目标

掌握核外电子的排布规律，离子键和共价键的主要特征，常见原子的电子排布式的书写及根据电子层的结构判断元素在元素周期表中的位置的方法；熟悉元素有关性质周期性变化的规律，分子间作用力、氢键及其在物质相关性质中的意义。了解四个量子数的意义，元素周期表的构成和使用。

自然界的物质种类繁多，其性质各异。物质在性质上的差别主要是由于物质的内部结构不同引起的。因此要了解物质的性质，尤其是化学性质及其变化规律，必须清楚物质的结构。物质结构主要包括原子结构、化学键、分子结构等。我们从原子结构开始认识物质结构。

第一节原子结构

一、原子的组成

原子是由带正电的原子核与核外带负电的电子构成，原子核所带的正电量和核外电子带的负电量相等，整个原子呈电中性。

原子核位于原子的中心。它的直径约为10-16-10-14m之间，约为原子直径（10-10m）的十万分之一。所以它的体积很小。原子核和电子仅占整个原子空间的极小一部分，原子中绝大部分是空的。原子核由质子和中子构成，每个质子带1个单位的正电荷，中子不带电，因此，核电荷数由质子数决定。按核电荷数由小到大的顺序给元素编号，所得的序号称为该元素的原子序数。

对整个原子而言，在原子中存在以下关系：

原子序数=核电荷数（Z）＝核内质子数＝核外电子数

每个质子的质量为1.6726×10-27kg，中子的质量为1.6748×10-27kg，电子的质量仅约为质子质量的1/1836，所以，原子的质量主要集中在原子核上。由于质子、中子的质量很小，因此，通常用它们的相对质量。实验测得，作为相对原子质量标准的12C的质量是1.9927×10-26kg，它的质量的1/12为1.6606×10-27kg，质子和中子对它的相对质量分别为1.007和1.008，取近似整数值为1。显然，如果忽略电子质量，将原子核内所有的质子和中子的相对质量取近似整数相加，所得的数值称为原子的质量数，用A表示，中子数符号用N表示，质子数符号用Z表示。

质量数（A）＝质子数（Z）＋中子数（N）

X表示一种质量数为A、质子数为质量数和核电荷数是表示原子核的两个基本量。以A

Z

K,这表明钾原子的质量数为39，原子核由19个质子和Z的原子。例如元素钾可表示为39

19

20个中子构成。

归纳起来，原子的组成可简单表示为：

原子

二、同位素

我们把核电荷数（即质子数）相同的一类原子称为元素。同种元素的原子其质子数必然相同，但中子数不一定相同，例如氢元素的原子都含有一个质子，但有的氢原子不含中子，有的氢原子含有一个中子，有的氢原子含有2个中子，具体情况见表2-1 表2-1 氢元素的三种不同原子的组成

名称

俗称 质子数 中子数 核电荷数 质量数 符号 氕（音撇）

氢 1 0 1 1 H H 11或 氘（音刀）

重氢 1 1 1 2 D H 21或 氚（音川） 超重氢 1 2 1 3 T

H 31或 人们把原子里具有相同质子数和不同中子数的同一元素的不同原子互称同位素。具有放

射性的同位素称为放射性同位素。许多元素都有同位素，上述H 11、H 21、H 31是氢的三种同位

素；碳元素有C 12

6、C 136、C 146三种同位素。目前，用人工方法制造出许多种放射性同位素，

这些同位素称为人造放射性同位素。放射性同位素都能自发地放射出α射线、β射线和γ射

线。放射性同位素在医药上有着广泛应用，如钴（Co 6027）、镭（Ra 22688）放射出的射线能抑制

和破坏细胞的生长活动，用来治疗癌症等疾病，还可用放射性同位素作示踪原子，研究药物的作用机制、药物的吸收和代谢等。

同一元素的各种同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质几乎完全相同。

三、核外电子的运动特征

原子核外电子的运动状态与宏观物体不同。宏观物体如天上飞的飞机、地上奔驰的火车，都有确定的运动路线，我们可以在任何时候同时准确地测出它们的运动速度和所在的位置。而原子中，电子的质量很小，又在原子这样小的空间（直径约10-10 m ）内作高速（近光速）运动，其运动没有确定的轨道，不能用经典力学（牛顿力学）来描述，通常采用量子力学的方法，通过研究电子在核外空间运动的几率分布来描述核外电子的运动规律。

研究表明，电子在原子核外空间各区域出现的几率是不同的。我们以氢原子为例。氢原子只有1个核外电子，我们假想有一架特殊的照相机来给氢原子进行无数次照相，然后将照片叠加，可得到图2-1的图象。图像显示，电子在核外空间一定范围内出现，犹如带负电荷的云雾笼罩在原子核的周围，人们形象地称它为“电子云”。

电子云是电子在核外空间出现的几率密度分布的形象化表示法。小黑点比较密集的区域是电子出现几率较大的区域，称该区域内电子云的密度较大。图2-1说明氢原子的电子云呈球形对称，电子在核外空间各区域出现的几率是不同的，离核越近处电子云的密度越大，电子出现几率越多；在离核越远处电子云密度越小，电子出现的机会越少。通常把电子出现几率最大而且密度相等的地方连结起来作为电子云的界面，界面以内电子出现的几率达95℅，界面以外出现的几率小于5℅。图 2-2为氢原子电子云界面图。

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图2-1 氢原子电子云示意图图2-2 氢原子电子云界面图

四、核外电子的运动状态

电子在核外的运动有其特殊性。根据量子力学，需要用四个量子数才能确定某一个电子的运动状态。量子数是用来表征微观粒子运动状态的一些特定数字。

（一）主量子数n

主量子数n用来描述电子离核的远近，是决定电子能量高低的主要因素。n的取值为1，2，3，4，…等正整数，相应地用K，L，M，…等符号表示。如n=1，表示第一电子层，n=2，表示第二电子层。依此类推，n越大，表示电子层离核越远，该层电子的能量越高。

（二）角量子数l

角量子数l决定原子轨道和电子云的形状，是决定电子能量的次要因素。具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间又可称为原子轨道。研究发现，在同一电子层中的电子的能量大小有差别，电子云的形状也不同。根据这个差别，又将电子层分成1个或几个亚层。

当n给定时，l可取0，1，2，3，…，（n-1）等值，共取n个值。如n=1时，l只有1个值，即l =0；当n=2时，l有0，1两个值；n=3时，l有0，1，2三个值。依此类推，l 的每一个值代表一种电子云的形状或同一电子层中不同状态的亚层。l为0，1，2，3可分别用s，p，d，f符号来表示。主量子数、角量子数与原子轨道及电子云形状的对应关系见表2-2。

s、p、d电子云形状如图2-3、2-4和2-5所示。

表2-2 主量子数、角量子数与原子轨道及电子云形状的对应关系

主量子数（电子层数）n

角量子数

（电子亚层）l

电子云

（轨道、亚层）

具体原子

轨道名称

电子云形状

1（K层）0 s 1s 球形对称

2（L层）0 s 2s 球形对称

1 p 2p 哑铃型

3（M层）0 s 3s 球形对称

1 p 3p 哑铃形

2 d 3d 四瓣花瓣形

4（N层）0 s 4s 球形对称

1 p 4p 哑铃形

2 d 4d 四瓣花瓣形

3 f 4f 复杂形状

电子的能量由该电子的n、l值来决定。同一主量子数，电子的能量为E n S

（三）磁量子数m

磁量子数m描述电子云（或原子轨道）在空间的伸展方向。其值取决于l，当l给定时，m取从- l至+ l包括0在内的所有整数，共取2l +1个值，每个m值代表电子云的一种伸展方向。s、p、d电子云空间伸展方向如图2-3、2-4、2-5所示。

l =0时，s电子云是球形对称的，没有方向性，m=0；或者说s亚层只有1个轨道，即s 轨道。

l =1时，m可有-1，0，+1共3个值，说明p电子云在空间可有3种取向，分别为沿x，y，z轴分布的p x、p y、p z 3个p轨道。

l=2时，m有-2，-1，0，+1，+2共5个值，即d电子云在空间有五种取向，可有5个d轨道。