入门化学在线/测量和原子结构
（进行中）
化学是研究物质及其不同形式相互结合的方式的学科。你学习化学是因为它可以帮助你理解周围的世界。你触碰、品尝或闻到的所有东西都是化学物质，这些化学物质之间的相互作用定义了我们的宇宙。化学是生物学和医学的基础。从蛋白质和核酸的结构到药物的设计、合成和制造，化学让你洞悉事物的运作方式。本书第一章将向你介绍物质、原子及其结构。你将学习科学测量的基础知识，并对化学的规模有一个了解；从最小的原子到“摩尔概念”（第 4 章）中处理的惊人数量。第一章奠定了我们理解的基础。
化学是处理物质的结构、组成、性质和反应特性的科学分支。物质是任何具有质量并占据空间的物质。因此，化学实际上是研究我们周围的所有事物——我们饮用的液体、我们呼吸的气体、从手机上的塑料外壳到脚下的地球的一切的组成。此外，化学是研究物质转化过程的学科。原油通过精炼过程转化为汽油和煤油等更有用的石油产品。其中一些产品进一步转化为塑料。粗金属矿石转化为金属，然后可以加工成从箔纸到汽车的各种物品。潜在的药物从天然来源中被发现，分离出来，然后在实验室中制备。它们的结构被系统地修饰以生产出已导致现代医学巨大进步的药物。化学是所有这些过程的核心，化学家是研究物质性质并学习设计、预测和控制这些化学转化的人。在化学的各个分支中，你会发现几个明显的细分。无机化学，从历史上看，关注地球中发现的矿物和金属，而有机化学则处理最初在生物中发现的含碳化合物。生物化学是有机化学在生物学中的应用的产物，与生物体的化学基础有关。在本课题的后面章节中，我们将更详细地探讨有机化学和生物化学，你会注意到整个课题中散布着有机化合物的例子。如今，各个领域之间的界限已变得模糊，当代化学家需要在所有这些领域都有广泛的背景知识。图 1.1
在本章中，我们将讨论一些物质的性质，化学家如何测量这些性质，并将介绍一些在整个化学和其他物理科学中使用的词汇。
让我们从物质开始。物质定义为任何具有质量的物质。在这里区分重量和质量很重要。重量是物体受到重力作用的结果。在月球上，同一个物体的重量将小于在地球上的重量，因为月球上的重力作用较小。然而，物体的质量是该物体本身的固有属性，无论其位置、重力作用或任何其他因素如何都不会改变。它是一个仅取决于物体中物质数量的属性。
现代理论认为物质是由原子组成的。原子本身是由中子、质子和电子以及越来越多的其他亚原子粒子构成的。我们将重点关注中子，一种不带电的粒子，质子，它带正电，以及电子，它带负电。原子非常小。为了让你了解原子的大小，一枚铜质便士大约包含 28,000,000,000,000,000,000,000 个原子（即 28 六千万亿个）图 1.2。因为原子和亚原子粒子非常小，所以它们的质量无法用磅、盎司、克或任何其他我们用于较大物体的尺度来轻易测量。相反，原子和亚原子粒子的质量是用原子质量单位（缩写为 amu）来测量的。原子质量单位基于一个将不同类型原子的质量相互关联的比例尺（以碳元素最常见的形式为标准）。amu 比例尺为我们提供了一种方便的方法来描述单个原子的质量，并对原子及其反应进行定量测量。在原子中，中子和质子的质量均为 1 amu；电子的质量要小得多（约 0.0005 amu）。
原子理论将中子和质子置于原子中心的原子核中。在原子中，原子核非常小，非常致密，带正电（来自质子）并包含几乎所有原子的质量。电子被放置在围绕原子核的弥散云中。电子云带净负电荷（来自电子上的电荷），在中性原子中，这种云中的电子数量总是与原子核中的质子数量相同（原子核中的正电荷由电子的负电荷平衡，使原子呈中性）。
一个原子由它所拥有的中子、质子和电子的数量来表征。今天，我们认识到至少有 116 种不同类型的原子，每种类型在原子核中都有不同数量的质子。这些不同类型的原子被称为元素。中性的氢元素（最轻的元素）的原子核中始终只有一个质子，电子云中只有一个电子。氦元素的原子核中始终有两个质子。正是原子核中质子的数量决定了元素的标识。然而，元素的原子核中可能具有不同数量的中子。例如，稳定的氦原子核存在一个或两个中子（但它们都有两个质子）。这些不同类型的氦原子具有不同的质量（3 或 4 amu），它们被称为同位素。对于任何给定的同位素，原子核中质子数和中子数的总和称为质量数。所有元素都以同位素集合的形式存在，我们在化学中使用的元素的质量，原子质量，是这些同位素质量的平均值。对于氦，大约有一百万个氦-4 同位素中有一个氦-3 同位素，因此平均原子质量非常接近 4（4.002602）。
随着不同元素被发现并命名，它们的名称缩写也被开发出来，以便进行方便的化学速记。元素的缩写称为其化学符号。化学符号由一个或两个字母组成，符号与元素名称之间的关系通常很明显。因此，氦的化学符号为 He，氮为 N，锂为 Li。有时符号不太明显，但可以理解；镁为 Mg，锶为 Sr，锰为 Mn。然而，自古以来就已知的元素的符号通常基于拉丁语或希腊语名称，从它们的现代英语名称来看似乎有些晦涩。例如，铜为 Cu（来自 cuprum），银为 Ag（来自 argentum），金为 Au（来自 aurum），铁为 (Fe 来自 ferrum)。在学习化学的过程中，你会经常使用化学符号，因此你应该开始学习常见元素的名称和化学符号。当你完成普通化学课程时，你会发现你已经熟练地掌握了几乎所有 116 种已知元素的命名和识别。表 1.1 包含一个你应该从现在开始学习的常见元素的入门列表！
| 元素 | 化学符号 | 元素 | 化学符号 |
|---|---|---|---|
| 氢 | H | 磷 | P |
| 氦 | He | 硫 | S |
| 锂 | Li | 氯 | Cl |
| 铍 | Be | 氩 | Ar |
| 硼 | B | 钾 | K |
| 碳 | C | 钙 | Ca |
| 氮 | N | 铁 | Fe |
| 氧 | O | 铜 | Cu |
| 氟 | F | 锌 | Zn |
| 氖 | Ne | 溴 | Br |
| 钠 | Na | 银 | Ag |
| 镁 | Mg | 碘 | I |
| 铝 | Al | 金 | Au |
| 硅 | Si | 铅 | Pb |
元素的化学符号通常与有关该原子特定同位素中质子和中子数量的信息相结合，以给出原子符号。要写出原子符号，您首先写出化学符号，然后写出元素的原子序数（原子核中的质子数）作为下标，位于化学符号的前面。在它的正上方，作为上标，写出同位素的质量数，即原子核中质子和中子的总数。因此，对于氦，原子序数为 2，并且最常见同位素的原子核中存在两个中子（参见 图 1.3），原子符号为 。在原子质量单位的定义中，“碳的最常见同位素”，，定义为质量正好为 12 amu，其余元素的原子质量是基于它们相对于该同位素的质量。氯（化学符号 Cl）包含两种主要的同位素，一种是 18 个中子（最常见，占自然氯原子 75.77%），另一种是 20 个中子（剩下的 24.23%）。氯的原子序数为 17（它的原子核中有 17 个质子），因此两种同位素的化学符号为 和 。图 1.5a
当有关于元素各种同位素的自然丰度的数据时，计算平均原子质量就变得很简单了。在上面的例子中， 是最常见的同位素，丰度为 75.77%，而 的丰度为剩下的 24.23%。要计算平均质量，首先将百分比转换为分数；也就是说，简单地将它们除以 100。现在，氯-35 代表自然氯的一个分数，为 0.7577，质量为 35（质量数）。将它们相乘，我们得到 (0.7577 × 35) = 26.51。我们需要将代表氯-37 的分数添加到这个数字中，或者 (0.2423 × 37) = 8.965；加起来，(26.51 + 8.965) = 35.48，这是氯的加权平均原子质量。每当我们进行涉及元素或化合物（元素的组合）的质量计算时，我们总是需要使用平均原子质量。
1.2 元素的组织：元素周期表
[edit | edit source]元素原子核中的质子数称为该元素的原子序数。化学家通常按照原子序数递增的顺序将元素排列在一个特殊的排列中，称为元素周期表 (图 1.4).
正如您从图 1.4 中看到的那样，元素周期表不仅仅是按数字排列的元素网格。在元素周期表中，元素按水平行排列，称为周期（用蓝色数字标注），并按垂直列排列，称为族。这些族用两种略有冲突的方案进行编号。在最简单的表示中，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）偏爱简单地将族从 1 到 18 编号。然而，世界大部分地区的惯例是将前两个族编号为 1A 和 2A，最后六个族编号为 3A-8A；中间十个族然后编号为 1B-8B（但不是按该顺序！）。虽然 IUPAC 编号看起来简单得多，但在本文中，我们将使用当前的美国命名法 (1A-8A)。选择这种方法的原因将在第 3 章中变得更加清楚，届时我们将更详细地讨论“化合价”和电子构型。元素周期表的实际布局是基于元素根据化学性质进行分组。例如，元素周期表中每个族（每列）中的元素都将共享许多相同的化学性质。当我们讨论元素的性质以及它们与其他元素结合的方式时，元素周期表这种特殊排列的原因将变得更加明显。
正如您从 图 1.5 中看到的那样，元素周期表中的每个元素都用一个框表示，框中包含化学符号、原子序数（原子核中的质子数）和元素的原子质量。请记住，原子质量是特定元素所有天然同位素质量的加权平均值。
元素周期表通常会被着色或阴影处理，以区分具有相似性质或化学反应性的元素组。最广泛的分类是金属、类金属（或半金属）和非金属。1A-8A 族中的元素被称为主族元素，而 3-15 族中的元素被称为过渡金属。在 图 1.6 中，金属元素用紫色显示。金属是固体（汞除外），可以导电，通常是延展性的（可以轧成薄片），并且是可延展的（可以拉成丝）。金属通常被分为主族金属（1A-5A 族中用紫色着色的元素）和过渡金属（3-15 族）。非金属（图中黄色）不导电（石墨形式的碳除外），并且具有多种物理状态（有些是固体，有些是液体，有些是气体）。非金属的两个重要亚类是卤素（7A 族）和惰性气体（或稀有气体；8A 族）。在金属和非金属的边界上是硼、硅、锗、砹、锑和碲元素。这些元素共享金属和非金属的物理性质，被称为类金属或半金属。常见的半导体硅和锗属于这一类，正是它们独特的电学性质使得晶体管和其他固态器件成为可能。在本书的后面，我们将看到元素在元素周期表中的位置也与其化学反应性相关联。
1.3 科学记数法
[edit | edit source]在第 1.1 节中，我们指出一个铜质便士大约包含 28,000,000,000,000,000,000,000 个原子。这是一个巨大的数字。如果我们要测量一个氢原子的直径，它大约是 0.00000000000026 英寸。这是一个非常小的数字。化学家在计算中经常使用非常大或非常小的数字。为了使我们能够有效地使用这些范围的数字，化学家通常会使用指数或科学记数法来表示数字。在科学记数法中，一个数字 n 被表示为该数字与 10 的乘积，该数字的乘积被提高到某个指数 x；即，(n × 10x)。数字 102 等于 100。如果我们乘以 2 × 102，则相当于乘以 2 × 100，即 200。因此 200 可以用科学记数法写成 2 × 102。当我们将数字转换为科学记数法时，我们首先写下数字中的第一个（非零）数字。如果该数字包含多个数字，我们将写一个小数点，后跟所有其余数字。接下来，我们检查该数字以查看此小数必须乘以 10 的多少次方才能得到原始数字。操作上，您所做的就是移动小数点。取一个便士中的原子数，即 28,000,000,000,000,000,000,000。我们将从写 2.8 开始。为了获得我们需要的 10 的幂，我们从数字中的最后一个数字开始，并计算我们必须向左移动以到达新的小数点的位数。在这个例子中，我们必须向左移动 22 位。因此，该数字是 2.8 和 1022 的乘积，该数字以科学记数法写成 2.8 × 1022。
让我们看看一个非常小的数字；例如，0.00000000000026 英寸，即氢原子的直径。我们要将小数点放在 2 和 6 之间。要做到这一点，我们必须将数字中的小数点向右移动 13 位。当您将数字转换为科学记数法并将小数点向右移动时，10 的幂必须具有负指数。因此，我们的数字将写成 2.6 × 1013 英寸。表 1.2 中显示了一系列以十进制格式和科学记数法表示的数字。图 1.7 显示了来自原子力显微镜的非凡图像，其中在氯化钠晶体上可视化了钠和氯的单个原子。在这幅图像中，单个原子的尺寸约为 2.6 x 10-13 米。
| 十进制格式 | 科学记数法 |
|---|---|
| 274 | 2.74 × 102 |
| 0.0035 | 3.5 × 10–3 |
| 60221415 | 6.0221415 × 107 |
| 0.125 | 1.25 × 10–1 |
| 402.5 | 4.025 × 102 |
| 0.0002001 | 2.001 × 10–4 |
| 10,000 | 1 × 104 |
练习 1.1 十进制格式和科学记数法之间的转换
Convert the following numbers into scientific notation:
a. 93,000,000
b. 708,010
c. 0.000248
d. 800.0
Convert the following numbers from scientific notation into decimal format: a. 6.02 × 104
b. 6.00 × 10-4
c. 4.68 × 10-2
d. 9.3 × 107
在科学领域，我们使用由国际单位制定义的重量和计量系统，通常称为 SI 单位。SI 系统的核心是定义为绝对值，不参考任何其他单位的简短的基本单位列表。我们将在本文中（以及以后在普通化学中）使用的基本单位包括：米 (m) 用于距离，千克 (kg) 用于质量，秒 (s) 用于时间。物质的体积是一个基于米得出的单位，立方米 (m3) 被定义为边长正好为 1 米的立方体的体积。
由于化学中发生的大多数实验室工作都处于相对较小的规模，因此千克的质量（约 2.2 磅）太大而不方便，因此通常使用克，其中克 (g) 被定义为 1/1000 千克。同样，1 立方米的体积对于实验室来说太大，因此常用立方厘米来描述体积。立方厘米是一个边长为 1/100 米的立方体，如图 图 1.9 所示；一个茶匙约含 5 立方厘米。对于液体和气体，化学家通常使用升来描述体积，其中升 (L) 被定义为 1000 立方厘米。
SI 基本单位通常用单位本身的缩写来表示，前面加上一个公制前缀，其中公制前缀表示基本单位乘以的 10 的幂。常见的公制前缀集如表 1.3 所示。
| 因子 | 名称 | 符号 |
|---|---|---|
| 10-12 | 皮 | p |
| 10-9 | 纳 | n |
| 10-6 | 微 | µ |
| 10-3 | 毫 | m |
| 10-2 | 厘 | c |
| 10-1 | 分 | d |
| 1 | 无 | |
| 103 | 千 | k |
| 106 | 兆 | M |
| 109 | 吉 | G |
使用此表作为参考，我们看到公制符号“c”表示因子 10-2；因此写“cm”等效于写 (10–2 × m)。同样，我们可以将 1/1000 米描述为 mm，其中公制符号“m”表示因子 10-3。表 1.3 中显示的公制前缀集及其符号在化学中被广泛使用，重要的是要记住它们，并熟练地将前缀（及其符号）与相应的 10 因子相关联。
由于化学家经常处理非常小（如原子的大小）和非常大（如原子数量）的测量，因此经常需要在公制单位之间进行转换。例如，用克测量的质量，如果用 mg（10–3 × g）表示，可能更容易处理。在公制单位之间进行转换是单位分析（也称为量纲分析）的练习。单位分析是一种比例推理的形式，其中给定测量值可以乘以已知的比例或比率，以得到具有不同单位或量纲的结果。例如，如果您有一个质量为 0.0034 克的物质样本，并且您希望以 mg 表示该质量，则可以使用以下单位分析
此示例中的给定量是 0.0034 克的质量。您想要找到的量是 mg 中的质量，已知的比例或比率由公制前缀的定义给出，即 1 mg 等于 10-3 克。将其表示为比例或比率，您可以说每 10-3 克有 1 mg，或者
看看这个表达式，分子 1 mg 等效于说 1 × 10–3 g，它与分母中的值相同。因此，该比率的数值为 1（任何东西除以它本身都为 1，根据定义）。代数上，我们知道我们可以将任何数字乘以 1，并且该数字将保持不变。但是，如果该数字有单位，并且我们将其乘以包含单位的比率，则数字中的单位将乘以和除以比率的单位，得到原始数字（记住您正在乘以 1），但具有不同的单位。在本例中，如果我们将给定值乘以已知比率，“g”（给定值的单位）将在分母中抵消，“mg”（要查找的单位）将在分子中抵消。因此，原始的克数已转换为毫克，即您想要找到的单位。
我们用来解决此问题的方法可以概括为：给定 × 已知比率 = 查找。给定是一个数值（带有其单位），已知比率基于公制前缀，并被设置成使得比率的分母中的单位与给定值的单位匹配，而分子中的单位与要查找的单位匹配。当它们相乘时，来自给定值的数字现在将具有要查找的单位。在示例中使用的比率中，“g”（给定值的单位）出现在分母中，“mg”（要查找的单位）出现在分子中。
作为已知比率的单位必须反转的情况的示例，如果您想将 1.3 × 107 µg 转换为克，则给定值为 1.3 × 107 µg，要查找的值为克，已知比率将基于 µg 的定义，即每 10-6 克有 1 µg。此比率必须在解决方案中以 µg（给定值的单位）在分母中，g（要查找的单位）在分子中来表示。该问题被设置为
请注意，我们不应该使用“每 10-6 克 1 微克”，而应该反转已知比率并将其表示为“每 1 微克 10-6 克”，以便给定单位（微克）可以抵消。我们可以进行这种反转，因为比率的数值仍然为 1。像这样的简单比率也可以用来将英制单位转换为公制单位。英寸与米之间的比率为 。因此，我们可以将图 1.8中原子之间的距离表示为
示例 1.1 简单公制单位换算
将以下公制测量值转换为指定单位
- a. 9.3 × 10-4 克 转换为 纳克
- b. 278 克 转换为 毫克
练习 1.2 简单公制单位换算 将以下公制测量值转换为指定单位
- a. 2,057 克 - 转换为 千克
- b. 1.25 × 10-7 米 - 转换为 微米
- c. 6.58 × 104 米 - 转换为 千米
- d. 2.78 × 10-1 克 - 转换为 毫克
在迄今为止的示例中，我们能够根据适当的公制前缀的定义来写出一个已知比率。但是，如果我们想将一个以毫克表示的数字转换为以纳克表示的数字，该怎么办？在这种情况下，我们需要依次使用两个已知比率；第一个比率的分母为给定单位（毫克），第二个比率的分子为要查找的单位（纳克）。例如，如果给出 0.00602 毫克，要求找到纳克，我们可以根据每毫克克数建立一个比率。如果我们在这一点上解决了这个问题，我们将得到一个单位为克的结果。为了得到以纳克为单位的最终答案，我们需要将这个中间结果（新的给定值）乘以一个基于每克纳克数的比率。完整的设置如下所示
在前面两项中，“毫克”单位被抵消，在后面两项中，“克”单位被抵消，只留下“纳克”，即要查找的单位。在做这类问题时，一个让人放心的乐趣是，如果你设置了你的问题，单位被抵消，只留下要查找的单位，你就知道你已经正确地设置了问题！你所要做的就是进行顺序计算，你就会知道你的答案是正确的！
练习 1.3 顺序公制单位换算 将以下公制测量值转换为指定单位
- a. 2,057 毫克 - 转换为 千克
- b. 1.25 × 10-7 千米 - 转换为 微米
- c. 9.3 × 10-4 皮克 - 转换为 纳克
- d. 6.5 × 104 毫米 - 转换为 千米
科学实验室中的实验工作通常涉及测量。每当我们进行测量时，我们总是力求使我们的值尽可能准确。例如，图 1.9 中的尺子可以用来测量两个红色箭头之间的距离。
距离大于 50 毫米，这是第二个箭头之前显示的最后一个数字。如果我们仔细观察，我们会发现第二个箭头大约在 50 毫米标记后的第四个和第五个刻度之间。因此，测量值大于 54 毫米，小于 55 毫米，约为 54.5 毫米。我们测量中的最后一个数字是估计的，但前两位数字是精确的。在任何类似的测量中，你报告的最后一个数字总是估计的数字。如果我们说测量值为 54 毫米，那就错了，因为我们知道它更大。如果我们说测量值为 54.5567 毫米，那就没有意义了，因为我们的刻度没有显示这种精度。在科学测量中，估计的数字称为最小有效数字，而所有精确数字加估计数字的总数称为测量中的有效数字位数。因此，图中的测量值 54.5 有三位有效数字（3 SF）。通过遵守这条规则，我们可以查看任何测量值，并立即知道所进行测量的精度。为了正确解释测量中的有效数字位数，我们必须知道如何解释包含零的测量值。例如，一个物体被发现质量为 602 毫克。最后一个数字（2）是估计的，前两位数字是精确的。因此，测量值精确到三位有效数字。我们也可以使用公制转换比率 将测量值表示为 0.00602 克。现在，我们的数字中多了三位数字（称为前导零），但我们的数字更准确了吗？不；在测量中，前导零（出现在数字之前的零）永远不是有效数字。
让我们考虑另一个测量值；我们被告知一个距离是 1700 米。首先要注意的是，这个数字没有小数点。这告诉我们，这个数字中的估计数字是 7，这个数字只有两位有效数字。此测量值中的最后两个零称为尾随零；在没有小数点的数字中，尾随零永远不是有效数字。但是，如果距离被报告为 1700.00 米，则小数点的存在将意味着最后一个零是估计的数字（零也可以被估计），这个数字将有六位有效数字。作为规则，在一个包含小数点的数字中，尾随零始终是有效数字。这些解释测量中零的简单规则收集在表 1.4 中。
将这些规则应用于一些示例
- 117.880 米包含六位有效数字；该数字有小数点，因此尾随零是有效数字。
- 0.002240 克包含四位有效数字；该数字有小数点，因此尾随零是有效数字，但前导零不是。
- 1,000,100 包含五位有效数字；该数字没有小数点，因此尾随零不是有效数字。然而，第一个和第五个数字之间的零是有效数字。
- 6.022 × 1023 包含四位有效数字。在科学计数法中，测量值中的所有有效数字都显示在指数之前。（记住这一点，当你将测量值转换为科学计数法时。）
练习 1.4 测量中的有效数字 确定以下每个数字中的有效数字位数
- a. 2,057,000
- b. 1.250600
- c. 9.300 × 10-4
- d. 6.05 × 104
正如我们在 1.1 节中所学，现代原子理论将质子和中子置于原子的原子核中，而电子则被置于围绕这个原子核的弥散云中。然而，随着化学家和物理学家开始研究原子的结构，他们发现原子中所有的电子并不等效。电子并没有随机地被放置在一个巨大的“云”中，而是似乎被排列在不同的能级上，并且需要能量来将电子从较低的能级移动到较高的能级。在 19 世纪早期，人们发展了一种原子结构的数学模型，将这些能级定义为量子能级，如今这种描述通常被称为量子力学。
根据原子的量子模型，已知元素的电子可以存在于七个不同的量子能级，用主量子数 *n* 表示，其中 *n* 的值为 1 到 7。随着量子数的增加，具有该量子数的电子的平均能量也会增加。图 1.5 中所示的元素周期表中的七行中的每一行都对应于一个不同的量子数。第一行 (*n* = 1) 只能容纳两个电子。因此，元素周期表第一行中的元素最多只能拥有两个电子（氢有一个，氦有两个）。第二行 (*n* = 2) 能够容纳八个电子，元素周期表第二行中的元素在第一层（它已满）将有两个电子，而在第二层将有最多八个电子。
量子理论还告诉我们，给定能级中的电子并不都是等效的。在给定能级内，电子存在于亚能级（或亚层）中。任何给定能级的亚能级由字母 s、p、d 和 f 表示，亚能级的总数也由量子数 *n* 给出。s 亚能级可以容纳两个电子，p 能容纳六个，d 能容纳十个，f 能容纳 14 个。元素周期表第一行中的元素 (*n* = 1) 的电子只存在于 1s 亚能级中（*n* = 1，因此只能有一个亚能级）。氢中的单个电子将被标识为 1s1，氦中的两个电子将被标识为 1s2。氟位于元素周期表的第二行（n = 2），原子序数为 9，因此有九个电子。氟中的电子排列如下：两个在第一层 (1s2)，两个在 2s 亚层 (2s2) 和五个在 2p 亚层 (2p5)。如果我们要写出氟的电子构型，我们将写成 1s2 2s2 2p5。原子中每个亚能级也与一个轨道相关联，其中轨道只是一个电子可能被发现的空间区域。 图 1.10 显示了 s、p 和 d 轨道的计算形状；七个 f 轨道的形状更为复杂。
1.8 用电子填充轨道
[edit | edit source]如上所述，一个 s 亚能级可以容纳两个电子，p 能容纳六个，d 亚能级可以容纳十个，f 能容纳 14 个。虽然 s 亚能级中有两个电子，但这些电子并不相同；它们在被称为自旋的量子属性上有所不同。为了简单地说明这一点，亚层中的电子通常用指向向上或向下的箭头表示，图形化地表示相反的自旋轴（↑ 和 ↓）。根据洪特规则，电子被添加到亚能级中，该规则指出，在任何一个轨道被双重占据之前，亚层中的每个轨道都将被单个电子占据，并且所有单重占据轨道的电子具有相同的自旋。当一个亚层被双重占据时，电子具有相反的自旋。例如，碳具有一个充满的 1s 亚层，一个充满的 2s 亚层和两个在 2p 亚层中的电子 (2p2)。因此，我们可以将碳中的电子表示为
氟的电子构型是 1s2 2s2 2p5，因此我们可以将氟中的电子表示为
这种顺序一直很好地延续到第三周期；事实证明，3d 轨道的能量略高于 4s 轨道，因此 4s 先被两个电子填充，然后接下来的 10 个电子被放置在 3d 轨道中。这是元素周期表中的一种普遍趋势，并且填充顺序可以通过 图 1.11 中所示的方案轻松预测。在这个方案中，你只需沿着对角线上的箭头走就可以确定要填充的下一个轨道。
在写电子构型时经常使用的一种捷径是，将“核心”电子简单地显示为前一周期中的惰性气体。例如，氟位于第二周期（n = 2）。这意味着与第一周期相关的轨道已经填满了，就像它们在惰性气体氦 (He) 中一样。因此，我们可以用“氦核心”代替上面写出的氟的构型，或
钙位于第四周期，属于 2A 族。这意味着前三个量子能级已填满（*n* = 1、2 和 3），就像它们在氩中一样。因此，钙的电子构型可以写成
请注意，在这个例子中，3d 轨道被显示为下一个接收电子的轨道。在 图 1.12 中，在 4s 亚层填满后，接下来是 3d，然后是 4p，等等。
练习 1.5 电子构型
- a. 写出铍和碳的完整电子构型。
- b. 确定与以下电子构型相对应的元素
1s2 2s1 和 1s2 2s2 2p6。
学习要点
[edit | edit source]- 物质被定义为任何具有质量的物质。物质是由原子组成的，原子主要由中子、质子和电子构成。中子不带电，质子带正电，电子带负电。
- 原子和亚原子粒子的质量使用原子质量单位（缩写为 amu）测量；质子和中子的质量为 1 amu，电子的质量可以忽略不计。
- 中子和质子位于原子中心的原子核中。原子几乎所有的质量都集中在原子核中。电子被置于围绕原子核的弥散云中。
- 电子云带净负电荷，在中性原子中，电子云中的电子数量总是与原子核中的质子数量相同。
- 原子的身份由其原子核中质子的数量决定；每种独特的原子类型称为元素。具有相同数量的质子但其原子核中中子数量不同的元素称为同位素。元素的原子质量是这些同位素中每个同位素的质量的加权平均值。
- 每个元素都使用其化学符号来表示，化学符号是其名称的缩写（许多符号基于拉丁语或希腊语名称）。
- 元素的原子符号由化学符号组成，化学符号前面是元素的原子序数作为下标，紧接在其上方是表示元素特定同位素的质量数的上标。
- 元素的平均原子质量可以计算为自然丰度中每个同位素的比例与该同位素的质量数的乘积之和；或者，平均原子质量 = f1M1 + f2M2 + f3M3 …
- 原子核中质子的数量称为该元素的原子序数。元素通常按照元素周期表中原子序数的递增顺序排列。在元素周期表中，横行称为周期，纵列称为族。
- 在科学领域，通常使用科学记数法（指数记数法）来表示非常大或非常小的数字，其中数字 *n* 表示该数字与 10 的乘积，10 的幂为 x；即 (n × 10x)。
- 在 SI（或公制）系统中，距离的单位是米（m），质量使用千克（kg），时间使用秒（s）。物质的体积是基于米的导出单位，立方米（m3）定义为边长正好为 1 米的立方体的体积。通常，在实验室中，质量用克（g）（1/1000 千克）表示，立方厘米（cc）用于描述体积。立方厘米是一个边长为 1/100 米的立方体。对于液体和气体，体积通常用升来描述，其中升（L）定义为 1000 立方厘米。
- SI 基本单位通常用单位本身的缩写表示，前面加上一个公制前缀，其中公制前缀表示基本单位乘以的 10 的幂。
- 在度量单位之间进行转换时，一个简单的算法是将给定的测量值乘以一个已知的比例或比率，得到一个具有你想要查找的度量单位或维度的结果。
- 在科学测量中，报告的最后一个数字是估计的，这个数字被称为最小有效数字；这个数字加上所有精确数字的总数，再加上估计的数字，被称为测量中的有效数字位数。在识别测量中的有效数字位数时，所有前导零都被排除在外。被非零数字包围的零被包含在内，并且，对于带有小数点的数字，尾随零也被包含在内。如果一个数字没有小数点，则尾随零不包括在内。用科学记数法表示的数字包含n中的所有有效数字；（n × 10x）。
- 根据原子的量子模型，电子存在于七个不同的量子能级，用主量子数 n 表示，其中 n 的值为一到七，对应于周期表中的七行。第一行 (n = 1) 可以容纳两个电子；第二行 (n = 2) 可以容纳八个电子；第三行 (n = 3) 可以容纳十八个电子，最多可以容纳 2n2 个电子（对于已知的元素）。
- 量子理论还告诉我们，给定能级中的电子存在于亚能级（或亚壳层）中。任何给定能级的亚能级由字母 s、p、d 和 f 以及能级的量子数标识，写成 1s2 2s2 2p5 等。每个亚能级也与一个轨道相关联，轨道只是电子可能存在的一个空间区域。
- 在向亚能级添加电子时，洪特规则指出，在一个亚壳层中，每个轨道在任何一个轨道被双重占据之前，都只被一个电子单重占据，并且所有单重占据轨道中的电子具有相同的自旋（用“向上和向下”箭头表示）。电子按照亚能级能量增加的顺序添加，并不一定按照数字顺序添加。