A-level 化学/AQA/模块 1/原子结构

原子

希腊哲学家德谟克利特认为，所有物质都是由小的不可分割的粒子组成的，他称之为原子。原子这个词来源于希腊语 a，意思是“不”或“没有”，以及 tom，意思是“切割”。因此，原子这个词的意思是：不可切割。他理论化，如果一个人把一块奶酪切成两半，然后再次切成两半，再切成两半，等等，那么最终就会得到一块无法再分割的奶酪。这就是他的单个原子。

我们现在知道，原子是物质的最小部分，它保持自身的特性，尽管原子本身可以被细分。换句话说，一旦我们开始观察原子的内部，我们就不再能确定这个原子属于哪种元素。

原子本身包含一个中心的原子核，大部分质量集中在这里，电子围绕着这个原子核的外部运行。这个中心的原子核由质子和中子组成。这三种粒子的性质如下表所示。

粒子	相对电荷	相对质量	绝对电荷	绝对质量
质子	+1	1	$1.60\times 10^{-19}$	$1.67\times 10^{-27}$
中子	0	1	0	$1.67\times 10^{-27}$
电子	-1	0（可忽略，或约为 ${\frac {1}{1800}}$)	$-1.60\times 10^{-19}$	$9.11\times 10^{-31}$

在中性原子或元素原子中，质子和电子的数量相等。这使得原子没有净电荷。

原子序数和质量数

我们可以从原子的原子核中获得两条有用的信息。第一个是原子序数。这使我们能够识别原子是哪种元素。原子序数通常用字母 Z 表示，是原子核中质子的数量。正是它将元素放在元素周期表中。

第二个是质量数。它等于质子的数量加上中子的数量（记住，电子的质量可以忽略不计）。它用符号 A 表示。因此，原子中中子的数量等于质量数（A）减去原子序数（Z）。

同位素

有时，原子的质子数表明它是一种特定元素，但它的质量数与该元素的其他原子不同。具有相同质子数但质量数不同的原子被称为该元素的同位素。质量数的差异是由原子核中存在额外或更少的中子造成的。

由于质子（因此电子）的数量相同，这些物质的化学性质与标准元素的化学性质相同。物理性质（熔点/沸点等）确实会发生变化。

我们通常用元素名称后跟质量数来指代同位素。例如，质量数为 12（6 个质子和 6 个中子）的碳原子被称为碳-12。它用以下方式表示：${}_{6}^{12}\!C$

碳-14 是最有用的同位素之一。它是原子${}_{6}^{14}\!C$。它是放射性的，可以用来确定有机物质的年代，可以追溯到 60,000 年前！其他同位素在医学上用作示踪剂，以确定体内任何阻塞的位置。

质谱法

质谱法是一种用来确定样品中各种同位素的相对丰度的技术。它可以分为四个阶段。

1. **汽化和电离** 将待分析的样品引入真空室。样品被汽化。如果接下来的步骤要成功，这一点至关重要。真空非常重要，因为要发射到样品上的电子必须有一个“畅通无阻”的路径。如果不在真空状态下，它们就会与空气分子发生碰撞。

现在对样品进行电离。为此，使用电子枪。本质上，它是一种向样品发射高能电子的装置。这些电子将样品中的电子撞出轨道，使其电离。样品中的粒子现在带正电，如下所示。

$X_{(g)}\to X_{(g)}^{+}+e_{(g)}^{-}$

$He_{(g)}\to He_{(g)}^{+}+e_{(g)}^{-}$

这两个方程展示了第一次电离阶段。然而，离子也有可能被第二个电子电离。这不太可能，因为第二次电离比第一次电离高得多，不太可能达到。这个罕见的事件由这个方程表示

$X_{(g)}^{+}\to X_{(g)}^{2+}+e_{(g)}^{-}$

2. **加速**

由于相反的电荷相互吸引，我们可以使用电场来移动粒子。这些粒子带正电（电子已被移除），因此我们使用带负电的电极板来加速粒子穿过机器。

3. **偏转**

我们现在使用电磁铁来偏转粒子。当粒子加速穿过磁场时，它们会改变方向。质荷比（m/z）大的粒子偏转量小，而质荷比小的粒子偏转量大。这将不同质荷比的离子分离。

4. **检测**

样品中的各种物质现在已经分离。粒子加速进入检测板。由于它们带电，在撞击检测板时会产生微弱的电流。记录下这种电流。检测时磁场的相对强度可以用来计算检测到的离子的 m/z 值。这使我们能够确定样品的组成离子。然而，无法区分具有相同 m/z 值的离子，因为它们将被相同地偏转！

此页面提供有关质谱的更多信息：http://www.chemguide.co.uk/analysis/masspec/howitworks.html#top.

相对质量

以下两个定义需要在模块一中学习，尽管它们一开始可能看起来很深奥。

相对原子质量 ($A_{r}$)

$A_{r}={\frac {{\mbox{Mean Mass of One Atom}}\times 12}{{\mbox{Mass of One Atom of }}{}_{6}^{12}\!C}}$

这可以通过将每个峰的 m/z 值乘以其相对丰度来从样品的质谱中计算出来。然后将此总和除以总相对丰度。以下是硼的质谱示例，其中两个峰分别代表 ${}^{10}\!B$ 和 ${}^{11}\!B$。

${\frac {(19.9\times 10)+(80.1\times 11)}{100}}=10.8$

这也可以从表格中的数据计算出来，如铅的例子所示。

m/z	相对丰度
204	1.55
206	23.6
207	22.6
208	52.3

(这里需要注意的是，相对丰度加起来是 100.05，而不是 100。)

${\frac {(1.55\times 204)+(23.6\times 206)+(22.6\times 207)+(52.3\times 208)}{100.05}}=207.24$

相对分子质量 ($M_{r}$)

$M_{r}={\frac {{\mbox{Mean Mass of One Molecule}}\times 12}{{\mbox{Mass of One Atom of }}{}_{6}^{12}\!C}}$

这可以通过从质谱中获取最右侧峰的 m/z 值来计算，例如，氨的例子如下所示。

电子构型

在 GCSE 水平上，电子被呈现为围绕原子核运行的点状实体，第一个轨道可以容纳两个电子，第二个可以容纳八个电子，第三个可以容纳十八个电子。我们现在知道这并不完全准确，在 A 级需要一个更复杂的模型。

我们认为电子轨道位于主能级内的亚能级。每个亚能级能够容纳一个形状的轨道，用字母 s、p、d 和 f 表示。亚能级本身通常用它们可以容纳的轨道类型的字母来表示。例如，你不会说第四主能级的第三个亚能级，而是会说第四能级的 d 亚能级。

在下表中，你可以看到第三主能级的第三个亚能级 (d) 可以包含 5 个 d 型轨道。由于每个轨道最多可以容纳 2 个电子，这意味着这个亚能级可以容纳 10 个电子。

主能级	亚能级	电子
n=1	→ 1 个 s 型轨道	2
能级中的最大电子数		2
n=2	→ 1 个 s 型轨道	2
	→ 3 个 p 型轨道	6
能级中的最大电子数		8
n=3	→ 1 个 s 型轨道	2
	→ 3 个 p 型轨道	6
	→ 5 个 d 型轨道	10
能级中的最大电子数		18
n=4	→ 1 个 s 型轨道	2
	→ 3 个 p 型轨道	6
	→ 5 个 d 型轨道	10
	→ 7 个 f 型轨道	14
能级中的最大电子数		32

如表所示，每种类型的亚能级中的最大轨道数与其类型有关。一个 “s” 亚能级只能包含一个轨道 (2 个电子)，一个 “p” 亚能级最多可以包含 3 个轨道 (6 个电子)；一个 “d” 最多可以包含 5 个轨道 (10 个电子)；一个 “f” 最多可以包含 7 个 (14 个电子)。

每个主能级的容量是其亚能级容量的总和。你可以看到，主能级的容量等同于 GCSE 电子壳层模型的更简单模型。

有一些规则需要了解这些轨道的填充方式。

1. 轨道按表格的顺序从上到下填充。这是按能量升序排列的；也就是说，每个连续的能级（表格中越往下）比前一个能级具有更高的能量。
2. 每个轨道必须在电子被放入下一个轨道之前被填满。例如，一个原子必须 *始终* 在其 1s 亚能级中有两个电子，然后才能将任何电子放入 2s 轨道。

对于 AQA A 级化学，你需要能够填充到 4s 能级的能级图。