NCEA 1 级科学/物质结构

引言

所有物质都是由称为原子的极小粒子构成的。原子这个词源于希腊语，意思是不可分割，即不能进一步分割的东西。原子是元素的基本组成部分。

亚原子粒子

原子有三种亚原子粒子

质子 (+): 带正电
电子 (-): 带负电
中子 (0): 不带电

它们有时可以写成 $p$ (质子), $e$ (电子) 和 $n$ (中子)

通常，原子不带总电荷（为中性），因为带正电的质子数量等于带负电的电子数量。中子的数量往往会有所不同，在氢的情况下，没有中子。具有相同质子数量但质量不同的原子称为同位素。

中子在原子功能中起着非常重要的作用。在原子核中，几个质子聚集在一起。由于异性相吸，同性相斥，通常质子会相互排斥并散射原子核。然而，有一种强核力将原子核束缚在一起。这种不可思议的力量使核子（质子和中子）以比电磁力排斥它们的力量大得多的力量相互吸引，但这种力量只在极短的距离内起作用。

质子和中子数量之间存在微妙的平衡。质子通过强力相互吸引，但同时又受到它们电磁电荷的排斥，不能在原子核内大量存在而没有中子的稳定作用，中子通过强力相互吸引，但不带电。相反，中子将它们固有的不稳定性赋予原子核，太多的中子会使原子核不稳定。

屏蔽（或筛选）效应类似于有效核电荷。内层电子在一定程度上排斥价电子（外层电子）。内层电子层越多（周期表中每一行一个新层），屏蔽效应就越大。本质上，内层电子屏蔽价电子免受原子核的正电荷的影响。

原子序数

原子序数是原子核中质子的数量。原子序数决定了原子的元素种类。元素周期表上元素的排列是根据它们的原子序数。每个元素都有一个独特的识别符号。

如果用中子或加速器中的带电粒子轰击重金属，如果质子数量增加，则原子序数也会增加。这就是创造新的称为超铀元素的人造元素的方法，它们是元素周期表上原子序数大于 92 的元素。

质量数

质量数是原子中质子和中子数量的总和。

镁的原子质量为 24.3051，但它的质量数为 24。

电子排列

元素是一种只包含相同类型原子的物质。也就是说，具有相同质子数量的原子。

在原子核内部，有质子和中子。电子围绕原子核运行，排列在不同的能级或电子层中。对于前 20 个元素，每个电子层的最大电子构型为

第 1 层：2

第 2 层：8

第 3 层：8

第 4 层：2（剩余电子）

电子排列告诉我们每个电子层可以容纳多少个电子。

示例

K（钾；原子序数：19）的电子构型为 2,8,8,1。

这告诉我们第 1 层有 2 个电子，第 2 层有 8 个，第 3 层有 8 个，第 4 层有 1 个。

另一种计算前 20 个元素的电子构型的方法是查看元素周期表。元素周期表上的行称为周期，而列称为族。

**元素周期表**
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18

1 H																	2 He
3 Li	4 Be											5 B	6 C	7 N	8 O	9 F	10 Ne
11 Na	12 Mg											13 Al	14 Si	15 P	16 S	17 Cl	18 Ar
19 K	20 Ca	21 Sc	22 Ti	23 V	24 Cr	25 Mn	26 Fe	27 Co	28 Ni	29 Cu	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se	35 Br	36 Kr
37 Rb	38 Sr	39 Y	40 Zr	41 Nb	42 Mo	43 Tc	44 Ru	45 Rh	46 Pd	47 Ag	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te	53 I	54 Xe
55 Cs	56 Ba	57 La	72 Hf	73 Ta	74 W	75 Re	76 Os	77 Ir	78 Pt	79 Au	80 Hg	81 Tl	82 Pb	83 Bi	84 Po	85 At	86 Rn
87 Fr	88 Ra	89 Ac	104 Rf	105 Db	106 Sg	107 Bh	108 Hs	109 Mt	110 Ds	111 Rg	112 Cn

		58 Ce	59 Pr	60 Nd	61 Pm	62 Sm	63 Eu	64 Gd	65 Tb	66 Dy	67 Ho	68 Er	69 Tm	70 Yb	71 Lu
		90 Th	91 Pa	92 U	93 Np	94 Pu	95 Am	96 Cm	97 Bk	98 Cf	99 Es	100 Fm	101 Md	102 No	103 Lr

要计算电子排列，我们可以安全地假设对于前 20 个元素，元素所在的周期等于它具有的电子层数。我们还可以假设每个周期中元素的数量等于每个电子层中的电子数量。

示例

Cl（氯，原子序数：17）位于元素周期表第 7 或 17 族，第 3 周期。因此它有 3 个电子层，最外层有 7 个电子。它的电子排布式为 2,8,7。

第 1、2、16、17 族

反应活性

元素所在的族（列）可以决定其反应活性。第 18 族元素的价电子层已满，因此它们不活泼或稳定。这些元素不会形成化合物，如 O₂ 或 CO₂。另一方面，第 1 族和第 17 族元素非常活泼，因为它们只有一个价电子，很容易失去，因此第 1 族和第 17 族元素在自然界中从未单独存在 - 它们始终以化合物的形式存在，例如 H₂ 和 Cl₂。第 2 族和第 16 族元素中等活泼，在自然界中也以化合物的形式存在。

离子

**离子表**
+1	+2	+3	-2	-1
NH₄⁺	Ca ²⁺	Al³⁺	O^2-	OH^-
Na⁺	Mg²⁺	Fe³⁺	S^2-	Cl^-
K⁺	Cu²⁺		CO₃^2-	NO₃^-
Ag ⁺	Pb ²⁺		SO₄^2-	HCO₃^-
H⁺	Fe ²⁺
	Ba²⁺
	Zn ²⁺

离子是原子或原子团，它们通过得失电子而成为带电粒子。

元素周期表被分为两类：金属和非金属。金属位于左侧，非金属位于右侧。中间的元素是金属，但被称为过渡金属。金属变成带正电的，称为阳离子。非金属变成带负电的，称为阴离子。失去一个电子的金属原子的质子数比电子数多，因此形成阳离子，例如 H⁺ 和 Al³⁺。而获得电子的非金属原子的电子数比质子数多，因此形成阴离子，例如 Cl^- 和 HCO₃^-。

在化学反应中，氢原子失去其唯一的电子，形成一个包含 1 个质子和 0 个电子的离子。这个氢离子 (H⁺) 带有 +1 的电荷，因为有一个质子，而没有电子来平衡电荷。

氯 (2,8,7) 原子获得一个电子，形成一个包含 17 个质子和 18 个电子的离子。这个氯离子 (Cl^-) 带有 -1 的电荷，因为有 17 个质子，而有 18 个电子。电子数量比质子数量多一个。

通常，钠原子 (2,8,1) 在其外层有 1 个电子。在化学反应中，它会失去这个电子，形成 Na⁺ 离子 (2,8)。

氧 (2,6) 在化学反应中会获得 2 个电子，以填满其外层。它将形成 O²⁺ 离子。

原子希望拥有完整的价电子层，这样它们就会变得不活泼并稳定。这可以通过在化学反应中得失电子来实现。化学反应不仅发生在科学实验室中。第 1 族和第 17 族元素在自然界中并不存在。将第 1 族元素（如钠）暴露在空气中（空气中含有 78% 氮气、21% 氧气、0.9% 氩气和 0.03% 二氧化碳），特别是氧气，会立即发生氧化反应。

**离子规则**
失去电子	阳离子
获得电子	阴离子

离子与元素周期表

离子的反应活性和电荷与其在元素周期表中的位置有关。

第 1 族金属在外层有 1 个电子，因此它们非常活泼，会失去这个电子形成 +1 的阳离子，例如 Li⁺ 和 Na ⁺。

第 2 族金属在外层有 2 个电子，因此它们中等活泼，会失去这两个电子形成 +2 的阳离子，例如 Be²⁺ 和 Mg²⁺。

第 16 族非金属在外层有 6 个电子，因此它们中等活泼，会获得 2 个电子形成 -2 的阴离子，例如 O^2-，S^2-。

第 17 族非金属在外层有 7 个电子。它们非常活泼，会获得 1 个电子形成 -1 的阴离子，例如 F^- ，Cl^-。

第 18 族非金属的外层已满。它们不活泼，不会形成离子，例如 He，Ne，Ar。

**离子的电荷**
元素	电子排布	电荷
氢	1	H +1
氦	2	He 0
锂	2,1	Li +1
铍	2,2	Be +2
氧	2,6	O -2
氟	2,7	F -1
氖	2,8	Ne O

离子化合物

当阳离子（金属）和阴离子（非金属）化学结合时，就会形成离子化合物。这个过程是反应物→生成物。

有两种类型的方程式

文字方程式
化学方程式

文字方程式涉及识别反应物和生成物。化学方程式涉及使用文字和符号来写方程式。在考试中，请确保正确阅读问题，并写下要求的方程式类型。

示例

文字方程式：镁 + 氧气→氧化镁
化学方程式：Mg²⁺ + O^2- → MgO

命名和写化学式

氯化钠（NaCl）的晶体结构，典型的离子化合物。紫色球体是钠阳离子（Na⁺），绿色球体是氯阴离子（Cl⁻）。

为了写出离子化合物的化学式，可以使用交叉相乘规则。

步骤:

1. 在离子表中找到离子，然后去掉 + 和 – 符号。

2. 如果数字相同，则相互抵消。

3. 如果数字不同，则将它们交叉并放下。

4. 如果一个数字被放到一个化合物上，则需要插入括号。

*交叉相乘*规则的示例
化合物名称	找到离子电荷	交叉相乘的数字
氧化镁	Mg²⁺ + O^2-	MgO
氢氧化铝	Al³⁺ + OH^-	(Al(OH))₃ [不平衡]
硝酸钾	K⁺ + NO₃^-	KNO₃
氯化钙	Ca²⁺ + Cl^-	CaCl₂ [不平衡]
硝酸锌	Zn²⁺ + NO₃^-	Zn[(NO₃)]₂ [不平衡]
硫酸钠	Na⁺ + SO₄^2-	Na₂SO₄ [不平衡]

化合物

当两种或多种元素结合在一起时，就会形成化合物，例如 CaCl₂。化学式中的下标数字告诉我们每种元素有多少个原子。

示例

Ca(Cl)₂ - 1 个 Ca，2 个 Cl
Mg(OH)₂ - 1 个 Mg，2 个 H，2 个 O

系数告诉我们有多少个化合物的分子。为了计算每个元素原子的数量，我们将系数乘以原子数。

示例

3Cu(SO)₄ - 3 个 Cu，3 个 S，12 个 O
2CO₂ - 2 个 C，4 个 O
5H₂SO₄ - 10 个 H，5 个 S 和 20 个 O
3Cu(OH)₂ - 3 个 Cu，6 个 O，6 个 H

待办事项
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