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化学入门简明讲义-第一章
粥粥2024/06/02原创 化学 IP:湖北

第一章

原子结构

一、原子的构成

    地球上的许多物质,都是由原子组成的,经过长期的实验,人们发现,原子由原子核、核外电子构成。其中原子核由质子和中子构成,原子核相对原子而言体积极小,却占据了原子的主要质量。人们还发现,一个质子带一单位正电荷,一个电子带一单位负电荷,中子不带电。由于原子本身呈电中性,可以推测原子中正负电荷相互抵消,进而可知原子中质子和核外电子的数量相等,下面的表1.1.1印证了这一点。

原子符号名称质子数核外电子数中子数

16O

888
41P151526
39K
191920

表1.1.1


二、元素的概念

如果用Z表示某个原子中质子的数量,E表示原子中核外电子的数量,则有如下关系:

Z=E

且,人们发现质子和中子的质量相近,如果又用N表示原子的中子数,则原子的一种参数,质量数A被这样定义:

A=Z+N

对于一个质量数为A,所含质子数为Z的原子X,通常用AZX来表示它。如此一来,表1.1.1中的三种原子可分别表示为:168O、4115P、3919K。同时我们也发现,质子数和中子数并不存在很好的对应关系,事实上,同样的质子数可以对应许多不同的中子数,我们称质子数相同、中子数不相同的原子为同位素

化学研究物质变化的规律,人们发现,核外电子的排布及数量决定了原子在化学反应中表现出来的性质。因为电子在化学变化中很容易在原子间转移,且电子数等于质子数,为了区分出一类在化学反应中表现出来的性质相同的原子,我们称质子数相等的一类原子为一种元素,元素符号和质子数是一一对应的。应当注意的是,同位素是相互的概念,譬如aA与bA两个原子所含质子数相等,但中子数不相等,则称它们互为同位素;而元素是归属的概念,譬如上述两个原子都属于元素A。当前阶段的课程,不讨论同位素间的差别,而是关注同一元素的性质。

三、电子排布的一般规律

电子并不是在核外的空间中随意弥散的,它遵循一定的规律。

按电子能量的大小,可以将其分为不同能层,能层从内而外,序数一次增加,能量也越来越高,表1.3.0给出了示例:

序数
能层符号KLMNOPQ

表1.3.0

而在不同能层中,按电子能量的高低,又可以分为不同的能级,根据光谱学的命名方法,依次为s、p、d、f、g,在能级符号前加阿拉伯数字表示其所属能层,能级符号右上角表阿拉伯数字表示该能级容纳了几个电子。应当指出的两点是:

一、某一能层的能级数是固定的,对于第n能层,其最多依次容纳n个能层。

二、某一能级容纳的电子数是有上限的,对于前文的5个能级,它们分别最多能容纳2、6、10、14、18个电子。

将上述内容整理成表格,如表1.3.1所示,其中ABCDEFG为标识符,无实义:

能层(序数)K(一)L(二)M(三)N(四)O(五)
能级最多容纳电子数1s22s23s24s25s2
AB2p63p64p65p6

CD3d104d10

5d10



EF4f145f14


合计


2


8


18

G

32

5g18

50

表1.3.1

可见,第n能层有n个能级,总共能容纳2n2个电子;从上到下第a个能级能容纳4a-2个电子

研究发现,能层越往外(即表中右侧),电子能量越高,能级越往高(即表格下方),电子能量越高,且电子总是会按照最稳定、能量最低的形式排列。

然而,电子并非是按表格中从上到下的顺序从左至右依次填满每个能层的。光谱学的事实表明。电子是按从A开始,不断向右上角填入电子,当到达尽头时,再折返回B……依次填满所有能级的,也即电子按:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s……

的顺序依次填入各个能级中的,这被称为能级交错

按照能层从内而外、能级从低至高的顺序,写出的描述核外电子排布的式子被称为电子排布式,这里由表1.3.2给出几个范例:

元素符号电子排布式
26Fe
1s22s22p63s23p63d64s2
3Li
1s22s1
5B
1s22s22p1

表1.3.2

现在,请你自行写出2He、10Ne、18Ar、36Kr、54Xe、86Rn的电子排布式,对照上表,会发现上述三种元素的排布式中,有一部分可以用这些元素的电子排布式替换,替换后,书写大大简化,例如上述三种元素的电子排布式可以分别写为[Ar]3d64s2、[He]2s1、[He]2s22p1,我们称这其中的[He]、[Ne]、[Ar]、[Kr]、[Xe]、[Rn]为原子实,原子实能且仅能用上述6种符号,其原因会在后续课程中学习

然而,部分元素却并不完全遵守能级交错的规则,表1.3.3给出了几种反例:

元素符号带原子实的电子排布式
24Cr
[Ar]3d54s1
29Cu
[Ar]3d104s1
42Mo
[Kr]4d55s1

表1.3.3

这是因为能级在半满和全满时十分稳定,先填入或填出半满或全满能级比正常顺序的填入更加稳定,总能量更低。

应当指出的是,当原子失去电子时,按照能层自外而内,能级自高到低的顺序失去。

[修改于 4天2时前 - 2024/06/09 11:26:07]

来自:数理化 / 化学严肃内容:教程/课程
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~~空空如也
粥粥 作者
10天18时前 IP:湖北
932587

两千字不到的玩意花了我一整个下午

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虎哥
10天15时前 IP:四川
932599

前后都很好,足够精炼,

只是从元素直接到电子排布,排布那里还出现了许多未解释的字母,上升率太高,容易失速。。。

一个科普文中,原则上每个字母、符号、概念第一次出现的时候都需要明确的解释或定义,可以说ABC是××,绝不可以只说ABC不是××。

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粥粥作者
10天15时前 IP:湖北
932602
引用虎哥发表于2楼的内容
前后都很好,足够精炼,只是从元素直接到电子排布,排布那里还出现了许多未解释的字母,上升率太高,容易失...

能级那个地方,我后面再添加点东西,

你的最后一段

绝不可以只说ABC不是××。

指的是什么?

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粥粥作者
10天14时前 IP:湖北
932603

先标记一下,明天来改

1,0电子外层

2,元素同位素区别说法

3ABCDEF标识

4能级讲解速度

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陈诺
9天15时前 IP:福建
932638

火钳刘明 sticker

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章鱼wheat
9天1时前 IP:江西
932653

以前上小学的时候中途莫名其妙换了一个新的数学老师,除了比较风趣幽默,很会调动情绪之外,还有个不同之处,要求数学作业写完后还得给家长复述一下这道题是怎么做的(我好像记得还有个要求是需要家长听明白再签字,不过我那个时候基本上是敷衍了事)  现在才知道这个是'费曼学习法'

'把深奥的知识以简单易懂的方式解释给一个外行、无任何背景知识的人听'

image.png 找到了个提到了此应用场景的网页



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粥粥作者
8天17时前 IP:湖北
932656
引用章鱼wheat发表于6楼的内容
以前上小学的时候中途莫名其妙换了一个新的数学老师,除了比较风趣幽默,很会调动情绪之外,还有个不同之处...

我这个讲法希望的目的不仅是传授概念,也是希望把术语讲清楚。也就是不但要自己能理解,也要讲给别人听,语言没有那么简单易懂也是为了标准和严谨做的牺牲

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古法造轮
8天16时前 修改于 8天16时前 IP:浙江
932658

很久以前就很奇怪电子排布层为什么不直接按 1 2 3 4 来命名,却用 s p d f 这么奇怪的名字。后来知道了这几个字母分别代表 sharp princple diffuse fundamental,虽然看着名字大概能猜出跟光谱系有关系,但还是不是很确切知道为啥叫这几个名字。刷到这个帖子好奇心又起来了,搜了一下。原来是量子力学发展起来之前的光谱研究科学家根据实验观察光谱系的视觉特点给命名的。找了本书,截图中间那段有简单描述了一下:


spd.png


(有种解开了一道十年前没解出的课后作业题的感觉,毫无卵用却又有点开心

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粥粥作者
8天15时前 IP:湖北
932659
引用古法造轮发表于8楼的内容
很久以前就很奇怪电子排布层为什么不直接按 1 2 3 4 来命名,却用 s p d f 这么奇怪的名...

我孤陋寡闻了,还得多查资料。

早上刚帮同学翻译了五页外文数学书,现在又来看英文文献了,看的不算很懂,专业词汇基本都不大认识,还得去买本原版化学书看看

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落云
5天19时前 IP:辽宁
932750

写的不错,符合我对理想中教材的印象(如果假期有空我也想编编教材)

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某科学的超级屑
5天16时前 IP:贵州
932755

期待楼主轨道稳定性讲解,轨道稳定原子团推拉啥的看着头昏,好多教材不会单独拉出来讲,而是教辅和老师讲到才会拓展,让人头疼

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粥粥作者
5天15时前 IP:湖北
932762
引用某科学的超级屑发表于11楼的内容
期待楼主轨道稳定性讲解,轨道稳定原子团推拉啥的看着头昏,好多教材不会单独拉出来讲,而是教辅和老师讲到...

你这个不属于我讲的内容范畴,我讲的是中学阶段和大一阶段的内容

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某科学的超级屑
4天13时前 IP:贵州
932797
引用粥粥发表于12楼的内容
你这个不属于我讲的内容范畴,我讲的是中学阶段和大一阶段的内容

原子团推拉产生的键稳定性改变老师说高二扩展

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粥粥作者
4天2时前 修改于 4天2时前 IP:湖北
932806
引用某科学的超级屑发表于13楼的内容
原子团推拉产生的键稳定性改变老师说高二扩展

哦,你说的那个三氟乙酸和乙酸的酸性不同吧,我们老师没讲这个名词,以至于我都没搞懂你在说什么

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落云
2天23时前 IP:辽宁
932853
引用粥粥发表于14楼的内容
哦,你说的那个三氟乙酸和乙酸的酸性不同吧,我们老师没讲这个名词,以至于我都没搞懂你在说什么

那不诱导效应么[旺柴]

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粥粥作者
2天22时前 IP:湖北
932855
引用落云发表于15楼的内容
那不诱导效应么[旺柴]

对啊,我之前都没搞懂他说的原子团推拉什么意思


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粥粥作者
2天20时前 IP:湖北
932861

这个系列的名字前面得加“表观”二字以示区分

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