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第六章 物质结构基础
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)kg,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)
质量数和核电荷数是表示原子核的两个基本量。以表示一种质量数为A、质子数为Z的原子。例如元素钾可表示为,这表明钾原子的质量数为39,原子核由19个质子和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 氘(音刀) 重氢 1 1 1 2 氚(音川) 超重氢 1 2 1 3 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、、是氢的三种同位素;碳元素有、、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()、镭()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。
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
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