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2019-2020年高一化學 第一冊 第五章 物質結構 元素周期律 第一節(jié)原子結構(備課資料)大綱人教版 1.“中子不帶電，電子帶一個單位的負電荷”的說法正確嗎？ 在20世紀50年代前，科學界普遍認為“中子是不帶電的粒子”，但近年來科學家通過高能物理實驗發(fā)現(xiàn)，中子并不是完全不帶電荷，而是其所帶負電荷與正電荷的電量相等，電性相反，剛好抵消，所以中子呈電中性。中子不帶電的說法不科學。 科學家們發(fā)現(xiàn)不僅有帶負電荷的負電子，還有帶正電荷的正電子。負電子和正電子的質量相等，所帶的電荷量也相等，但電性恰好相反。所以，我們所說的電子實際上是負電子，因此“電子帶一個單位的負電荷”的說法應該改成“帶一個負電荷的電子”。 2.探索原子世界 世界萬物是由什么組成的？ 古希臘學者認為，土、氣、火、水這四種元素是萬物組成的本源，這叫“元素說”。 對“元素說”持不同意見的古希臘學者德謨克利特認為，宇宙萬物只有一種起源，那是一種極微小的顆粒，它小到不能再分割了，德謨克利特給它取了個名字——原子（這個名字的希臘原文意即不可再分割）。 于是“原子論”與“元素說”展開了一場大辯論，辯論的結果是元素說勝利了。 原子論為什么會失敗呢？說來也不奇怪，水、火、土、木這些元素即使在古代都是隨處可見的，人們看得見、摸得著。然而，原子是什么東西呢？有誰看到過原子嗎？相比之下，元素說比原子論更直觀、更實在，因此，在“世界是由什么組成的”這樣一個哲學問題的爭論中，元素說占了上風，而且統(tǒng)治了學術界達xx年之久。 18世紀中葉，化學家們發(fā)現(xiàn)水可以分解為氫和氧，而且，人們從不同的“土”（礦石）中煉出銅、鐵、金、銀等許多金屬。由此看來，古希臘學者提出的4種元素都不是最簡單的東西。 隨著發(fā)現(xiàn)的元素越來越多，一個問題很自然地被提出來了：這么多元素是不是由更簡單的東西所組成的？攻克這個難題的是英國化學家道爾頓。 道爾頓在研究中發(fā)現(xiàn)了倍比定律，并在此基礎上提出了原子論： （1）一切物質都是由不可見的、不可再分割的原子組成。原子不能自生自滅。 （2）同種類的原子在質量、形狀和性質上都完全相同，不同種類的原子則不同。 （3）每一種物質都是由它自己的原子組成的。單質是由簡單原子組成的，化合物是由復雜原子組成的（即我們現(xiàn)在所說的分子），而復雜原子又是由為數(shù)不多的簡單原子所組成。復雜原子的質量等于組成它的簡單原子的質量的總和。 在道爾頓的原子學說中，原子是元素的最小單元，它們是不可再分割的。原子真的是不可再分割的微小粒子嗎？這個觀點在19世紀末受到了嚴重的挑戰(zhàn)。 19世紀末生產(chǎn)技術的發(fā)展，已有可能借助于實驗觀察電子的行蹤。1896年劍橋大學著名的卡文迪許實驗室年輕有為的主任湯姆生用一只特制的陰極射線管進行了一項實驗。他利用實驗結果和物理學知識算出了電子的荷質比（電子所帶電荷的量e與它的質量m的比值e/m），并推算出電子的質量應是氫原子質量的1/1836。由此，湯姆生揭開了原子世界神秘的面紗。他本人也因為發(fā)現(xiàn)電子而榮獲1906年度的諾貝爾物理學獎。 湯姆生根據(jù)自己的實驗結果，同時借鑒了別的科學家的研究成果，給原子世界描繪了這樣一幅圖像：原子里充滿了帶正電的液體，電子都浸在這種“正電液”中，就像葡萄干點綴在一個蛋糕里。電子所帶負電荷的總和與“正電液”所帶正電荷的總和，在數(shù)值上相等，所以原子從外面看上去是中性的。 誰也不曾想到，湯姆生提出的如此美妙的“葡萄干蛋糕原子模型”，會在10多年后被他的學生盧瑟福所推翻。 盧瑟福是來自距離英國萬里之遙的新西蘭的留學生，他進入劍橋大學卡文迪許實驗室后跟隨湯姆生學習實驗物理學，由于他勤奮好學、刻苦鉆研，很快就做出了驕人的成績。 當時，已有法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)原子有放射性的消息。盧瑟福和其他人經(jīng)過共同努力，終于搞清楚從鈾、鐳、釙等放射性元素的原子里放射出來的射線至少有三種——α、β、γ射線。 盧瑟福對α射線特別感興趣。他經(jīng)過深入研究α射線的特點后，萌生了將α粒子當作“炮彈”，把它們射進難以攻破的原子“堡壘”中去刺探情況的想法。于是，他進行了著名的散射實驗，即用α粒子去轟擊金箔。實驗的結果，促使他重新提出了一個新的原子模型：原子中有一個很重的核心（叫“原子核”），它集中了原子質量的99%，還集中了全部正電荷；至于電子，則像太陽系的行星一樣分布在核心四周繞著它轉。人們把盧瑟福的原子模型稱為“行星模型”。 盧瑟福的原子模型與當時的電磁場理論發(fā)生了矛盾。怎樣解決這個矛盾，一直是當時的人們所探索的。 1911年，盧瑟福的實驗室里來了一位丹麥的青年物理學家，他叫玻爾。玻爾原先跟隨湯姆生研究金屬中的電子理論，后來卻一頭扎進原子模型中去了。 玻爾選擇了最簡單的原子——氫原子作為他的研究對象，他想構建一個新的原子模型。他研究了氫原子的光譜線，并作了兩個全新的假設。 ①氫原子中的電子在繞原子核旋轉時，只能在一些特定的軌道上運動，不能在其他軌道上運動。電子在每個穩(wěn)定的軌道上運動時原子具有一定的能量，電子在不同的穩(wěn)定軌道上運動原子就具有不同的能量。以氫原子為例，當電子在最里面（即半徑最?。┑能壍郎线\動時，氫原子的能量最低。我們把這個起點的能量值計作零。當電子在第二個軌道上運動時氫原子的能量就是10.29電子伏，當電子在第三、四、五、……條軌道上運動時，氫原子所具有的能量值分別為12.09電子伏、12.75電子伏、13.06電子伏……。這些不連續(xù)的能量值組成了一系列“能級”。 ②當電子從高能級躍遷到低能級時，它將發(fā)射出一定波長的光，這種光輻射的能量恰好等于這兩個能級的能量差。再經(jīng)過換算就能對應某一條氫原子光譜線的波長。 利用這兩個假設，玻爾解開了氫原子的光譜線之謎，成了舉世聞名的原子物理學權威，并榮獲1922年度的諾貝爾物理學獎。 玻爾的理論雖然取得了巨大的成功，但也有不盡人意的地方。特別是他硬性規(guī)定電子只能在一些軌道上運動，不能在其他軌道上運動，顯得毫無道理。 奧地利物理學家薛定諤決心尋找新的規(guī)律。他從法國青年歷史學家、后來改行學物理的德布羅意的思想中得到啟發(fā)，經(jīng)過一段時間的冥思苦想，終于找到一個新的方程式。它深刻地反映出原子世界的運動規(guī)律，后來人們把它稱為“薛定諤方程”。 有了薛定諤方程，電子的運動行為得到了合理的解釋。電子并不是只能呆在某些軌道上，而別的地方不能去。在薛定諤方程中，電子能呆在原子世界內(nèi)的任何地方，只是它們出現(xiàn)在玻爾所說的軌道上的可能性大得多。這樣一來，電子不像繞太陽運轉的行星，而是像環(huán)繞在高山頂尖四周的一片云彩了?！半娮釉啤陛^稠密的地方，就是電子較容易出現(xiàn)的地方；反之，“電子云”很稀薄的地方，就是電子很少光顧的地方。 經(jīng)過幾代科學家近半個世紀的努力，人們終于看清楚原子世界的真相了。在這個神秘的微觀世界里，占統(tǒng)治地位的是帶正電的原子核。它占了原子質量的99%以上，卻只占有原子體積的萬分之一還不到，可見原子里面是多么“空曠”。帶負電的輕巧的電子就在這個黑洞洞的空間里運動。它們是那樣的“循規(guī)蹈距”，從不去占據(jù)別人的位置，更不會跨越原子王國的“雷池”一步。 對原子世界的探索大大豐富了人類的知識寶庫，也把物理學推向“量子力學”（薛定諤方程就是它的重要基礎）的新階段。 ③電子在原子核外的運動狀態(tài)是相當復雜的。1個電子的運動狀態(tài)取決于它所處的電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀態(tài)?？茖W實驗還告訴我們，在1個原子里，2個電子的：電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀態(tài)完全相同是不可能的。這個原理叫泡利不相容原理。根據(jù)這個原理，可以知道每一軌道中只能容納2個自旋方向相反的電子，并可進一步推算出每個電子層中最多可容納的電子數(shù)是2n2。 核外電子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則。能量最低原理就是在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡先占有能量最低的軌道，只有當能量最低的軌道占滿后，電子才依次進入能量較高的軌道，也就是盡可能使體系能量最低。洪特規(guī)則是在等價軌道（相同電子層、電子亞層上的各個軌道）上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同。后來量子力學證明：電子這樣排布可使能量最低。所以洪特規(guī)則可以包括在能量最低原理中，作為能量最低原理的一個補充。 ●綜合能力訓練題 1.某金屬氧化物的化學式為M2O3，一個分子的電子總數(shù)為50，每個M離子含10個電子，若其中每個氧原子核內(nèi)部有8個中子，M2O3的相對分子質量為102，則M原子核內(nèi)的中子數(shù)為 A.14 B.16 C.10 D.21 解析：本題涉及質子、中子、質量數(shù)和相對分子質量等有關知識，解題的主要依據(jù)是原子組成中的電荷關系和質量關系。 M2O3中M的化合價為+3，其離子為M3+，由于每個M離子具有10個電子，故M原子中含13個電子。設M原子核內(nèi)中子數(shù)為x，則有質量數(shù)102=（13+x)×2+16×3，x=14。 答案：A 2.有兩種氣態(tài)單質Am和Bn，已知2.4 g Am和2.1 g Bn所含的原子個數(shù)相等，而分子數(shù)之比為2∶3。A和B的原子核內(nèi)質子數(shù)都等于中子數(shù)，A原子L層電子數(shù)是K層電子數(shù)的3倍。 （1）A、B的元素符號分別是什么？ （2）Am中的m值是幾？ 解析：本題涉及質量、物質的量、摩爾質量及粒子個數(shù)之間的關系，另有原子結構及原子核外電子排布的知識。由于涉及知識較多，解題時須做到思路清晰，心中有數(shù)。 由題意可知，A為氧元素，Am為氧的單質。設B的相對原子質量為b，則有： ·m=·n（原子個數(shù)相等） b=14 B的質子數(shù)為14/2=7，即B為氮元素。 由分子數(shù)比為2∶3得： ∶=2∶3 n∶m=2∶3 即Bn為N2，Am為O3。 答案：（1）A、B的元素符號分別為O和N。 （2）Am中的m值為3。 3.有相對原子質量均大于10的A、B兩元素形成的兩種化合物X和Y，已知等物質的量的X和Y的混合物的密度是相同條件下氫氣的18.5倍，其中X和Y的質量比為3∶4.4。經(jīng)測定X的組成為AB，Y的組成為AnB，試通過計算確定A、B兩元素的名稱。 解析：本題涉及混合物的平均相對分子質量的計算以及物質相對分子質量與質量、物質的量的關系。 由題可知，X和Y的平均相對分子質量為 18.5×2=37 =37 且= 解得：M（X)=30 M(Y)=44。 又因為A、B兩元素的相對原子質量均大于10，X的組成為AB，且由計算所知其相對分子質量為30，可推得X為一氧化氮。同理，由Y的組成為AnB，相對分子質量為44，可推知Y為一氧化二氮。 答案：A為氮 B為氧