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原子结构与性质

AP 化学 · 知识点 1

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9:19

原子结构与性质

化学方程式计算粒子数量。两种这种物质与一种那种物质反应。但原子太小无法计数,也没有仪器能直接给你……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

1.1

摩尔与摩尔质量

教学大纲

学习目标 1.1.A: 利用量纲分析和摩尔概念计算物质的量或其相对粒子数。

  • 1.1.A.1 在实验室工作中无法直接计数粒子。因此,反应物的质量与发生化学变化的实际粒子数量之间必须存在联系。
  • 1.1.A.2 阿伏伽德罗常数($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$)提供了纯样品中物质的摩尔数与其构成粒子(或式量单位)数量之间的联系。
  • 1.1.A.3 用原子质量单位(amu)表示单个原子或分子的质量是有用的,因为物质一个粒子(原子或分子)或式量单位的平均质量(以 amu 为单位),在数值上总是等于该物质的摩尔质量(以 g 为单位)。因此,物质的质量与其所含粒子数量之间存在定量关系。
    • 公式: $n = m/M$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Because atoms are far too small to count, chemists count in moles 摩尔. One mole contains Avogadro's number 阿伏伽德罗常数 of particles, approximately $6.022\times10^{23}$. The molar mass 摩尔质量 (grams per mole; use atomic masses from the periodic table and add them for a compound) converts between mass and moles:

$$n=\frac{m}{M}.$$
Moles are the bridge between the lab (grams you weigh) and the equation (particles that react).

The mole is the hub: convert between mass, particles, gas volume, and concentration
The mole is the hub: convert between mass, particles, gas volume, and concentration

Worked example. How many moles, and how many molecules, are in $36.0\ \text{g}$ of water ($M=18.0\ \text{g/mol}$)?

$$n=\frac{m}{M}=\frac{36.0}{18.0}=2.0\ \text{mol},\qquad N=n\,N_A=2.0\times6.022\times10^{23}=1.2\times10^{24}\ \text{molecules}.$$

探索

联系质量、摩尔质量和摩尔数

摩尔质量 $M$ 是你称量的质量和摩尔数之间的桥梁:$m = M \times n$。因为对于一种物质 $M$ 是固定的,所以质量与摩尔数成正比——摩尔数加倍,质量也加倍。

词汇 训练
English 中文 拼音
moles/məʊlz/ 摩尔 mó ěr
Avogadro's number/ˌævəˈɡædrəʊz ˈnʌmbə/ 阿伏伽德罗常数 ā fú jiā dé luó cháng shù
molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng
1.2

元素的质谱

教学大纲

学习目标 1.2.A: 解释元素的质谱与其同位素质量之间的定量关系。

  • 1.2.A.1 含有单一元素的样品的质谱可用于确定该元素同位素的种类及其在自然界中的相对丰度。
  • 1.2.A.2 利用每种同位素的质量及其相对丰度,通过加权平均法可以估算出元素的平均原子质量。
    • 排除说明: AP 考试不考核对含有多种元素的样品质谱的解读,也不考核除单电荷单原子离子以外的其他物种所产生的峰的分析。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Mass spectrometry

A mass spectrometer 质谱仪 separates ions by mass-to-charge ratio, giving a mass spectrum 质谱. For singly charged atomic ions, its peaks identify each isotope 同位素 (same element, different neutron count), with signals showing their relative abundance 相对丰度. The element's average atomic mass is the abundance-weighted average of its isotope masses.

Relative atomic mass is the abundance-weighted average of the isotopes
Relative atomic mass is the abundance-weighted average of the isotopes
The mass spectrum of chlorine: two isotopes with different abundances
The mass spectrum of chlorine: two isotopes with different abundances

Worked example. Chlorine is $75.8\%$ chlorine-35 and $24.2\%$ chlorine-37. Its average atomic mass is

$$A_r=(35)(0.758)+(37)(0.242)=26.5+8.95=35.5.$$
The average lies closer to $35$ because that isotope is more abundant – which is why the periodic-table value is $35.5$, not a whole number.

探索

探索同位素——同种元素,不同质量

保持质子固定,但改变中子以构建两种氯同位素($^{35}$Cl 和 $^{37}$Cl)。同种元素,不同质量——这正是质谱图显示的峰。

词汇 训练
English 中文 拼音
mass spectrometer/mæs spekˈtrɒmɪtə/ 质谱仪 zhì pǔ yí
mass spectrum/mæs ˈspektrəm/ 质谱 zhì pǔ
isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
relative abundance/ˈrelətɪv əˈbʌndəns/ 相对丰度 xiāng duì fēng dù
1.3

纯净物的元素组成

教学大纲

学习目标 1.3.A: 解释由质量表示的元素组成与经验式之间的定量关系。

  • 1.3.A.1 有些纯物质由独立的分子组成,而另一些则由原子或离子构成,这些原子或离子按固定比例结合,如化学式单元所描述。
  • 1.3.A.2 根据定比定律,任何该化合物的纯样品中,其组成元素的质量比总是相同的。
  • 1.3.A.3 列出化合物中各元素原子最低整数比的化学式称为经验式。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The percent composition 百分组成 of a compound is each element's mass fraction. From it you find the empirical formula 实验式 (simplest whole-number ratio of atoms) by converting each element's mass to moles and dividing by the smallest. The molecular formula 分子式 is a whole-number multiple of the empirical formula, found from the molar mass.

Finding the empirical formula: mass to moles, divide by the smallest, read the ratio
Finding the empirical formula: mass to moles, divide by the smallest, read the ratio

Worked example. A compound is $40.0\%$ C, $6.7\%$ H, and $53.3\%$ O by mass. Assuming $100\ \text{g}$, convert each mass to moles and divide by the smallest:

$$\text{C}:\frac{40.0}{12}=3.33,\quad \text{H}:\frac{6.7}{1}=6.7,\quad \text{O}:\frac{53.3}{16}=3.33 \;\xrightarrow{\div 3.33}\; 1:2:1,$$
so the empirical formula is $\text{CH}_2\text{O}$. If the molar mass were $180\ \text{g/mol}$ ($=6\times30$), the molecular formula would be $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ – glucose.

词汇 训练
English 中文 拼音
percent composition/pəˈsent ˌkɒmpəˈzɪʃn/ 百分组成 bǎi fēn zǔ chéng
empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 实验式 shí yàn shì
molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 分子式 fēn zǐ shì
1.4

混合物的组成

教学大纲

学习目标 1.4.A: 解释混合物中元素的质量组成与物质组成之间的定量关系。

  • 1.4.A.1 纯净物包含单一类型的原子、分子或化学式单位。混合物包含两种或两种以上不同类型的原子、分子或化学式单位,其相对比例可以变化。
  • 1.4.A.2 元素分析可用于确定物质中原子的相对数量,并用于测定其纯度。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Unlike a pure compound, a mixture 混合物 has variable composition – its parts keep their own identities. Describe a mixture by the mass or mole fraction of each component; these do not follow a fixed formula. Spectroscopy (like PES or absorption) can measure how much of each component is present.

探索

元素、化合物还是混合物?

将每个样本分类为元素、化合物或混合物。

词汇 训练
English 中文 拼音
mixture/ˈmɪkstʃə/ 混合物 hùn hé wù
1.5

原子结构与电子排布

教学大纲

学习目标 1.5.A: 使用构造原理(Aufbau principle)表示某元素原子或其离子的基态电子排布。

  • 1.5.A.1 原子由带负电的电子和带正电的原子核组成,原子核由质子和中子构成。
  • 1.5.A.2 库仑定律用于计算两个带电粒子之间的作用力。
    • 公式: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
  • 1.5.A.3 在原子和离子中,电子可被视为处于“壳层(能级)”和“亚层(次能级)”中,这由基态电子排布所描述。内层电子称为核心电子,外层电子称为价电子。电子排布由量子力学解释,如构造原理所述,并在元素周期表中得到体现。
    • 排除说明: AP考试不会考核对原子亚层中电子分配量子数的内容。
  • 1.5.A.4 通过库仑定律的定性应用,可以估算从不同亚层或同一亚层(在不同原子或离子中)移除一个电子所需的相对能量(电离能)。该能量与距原子核的距离及原子核的有效(屏蔽)电荷有关。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An atom is a tiny nucleus 原子核 (protons and neutrons) surrounded by electrons in shells and subshells (s, p, d, f). The electron configuration 电子排布 lists how electrons fill these, lowest energy first (e.g. $1s^2\,2s^2\,2p^6$). For main-group atoms, the outer-shell electrons are the valence electrons 价电子 that take part in bonding. Transition-metal bonding can also involve electrons in an inner d subshell. Coulomb's law explains their energies: electrons closer to, and less shielded from, the nucleus are held more tightly.

An atom: a tiny nucleus of protons and neutrons, with electrons in shells
An atom: a tiny nucleus of protons and neutrons, with electrons in shells
A row of nine burning dishes, each flame a different vivid colour — crimson, orange, yellow, green, blue, violet
Flame tests: each metal ion gives its own colour because heat excites its electrons and, as they drop back down, they emit light of specific wavelengths

Worked example. Write the electron configuration of sulfur ($Z=16$). Fill subshells in order until $16$ electrons are placed: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$. The $3s$ and $3p$ electrons (six in total) are the valence electrons, so sulfur tends to gain two electrons to complete its octet.

The periodic table organises elements by atomic structure — electron configuration explains the patterns
The periodic table organises elements by atomic structure — electron configuration explains the patterns
探索

探索电子如何填充壳层

更改原子序数 $Z$ 并观察电子按能量最低优先顺序(构造原理)填充壳层。最外层电子是驱动键合的价电子。

词汇 训练
English 中文 拼音
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
electron configuration/ɪˈlektrɒn kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/ 电子排布 diàn zǐ pái bù
valence electrons/ˈveɪləns ɪˈlektrɒnz/ 价电子 jià diàn zǐ
1.6

光电子能谱

教学大纲

学习目标 1.6.A: 解释原子或离子的光电谱与以下两者之间的关系: i. 该物种基态电子排布。 ii. 电子与原子核之间的相互作用。

  • 1.6.A.1 可以通过光电光谱法(PES)实验测定特定电子层中电子的能量。PES 谱中每个峰的位置对应于从相应亚层移除一个电子所需的能量,且每个峰的相对高度(理想情况下)与该亚层中的电子数量成正比。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Photoelectron spectroscopy 光电子能谱 (PES) measures the energy needed to remove electrons from each subshell. Each peak is a subshell: its position gives the binding energy (how tightly held) and its height gives the number of electrons in it. PES data let you read an element's electron configuration and confirm shell structure directly.

Successive ionisation energies reveal the shell structure through big jumps
Successive ionisation energies reveal the shell structure through big jumps
The photoelectron spectrum of neon: one peak per subshell, height set by electron count
The photoelectron spectrum of neon: one peak per subshell, height set by electron count
探索

匹配 PES 峰

在光电子能谱中,峰的位置表示结合能,峰高表示电子数量。将每个峰与其在钠中的亚层对应起来。

词汇 训练
English 中文 拼音
Photoelectron spectroscopy/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɒn spekˈtrɒskəpi/ 光电子能谱 guāng diàn zǐ néng pǔ
1.7

周期性变化趋势

教学大纲

学习目标 1.7.A: 解释元素原子性质的趋势与电子结构及周期性之间的关系。

  • 1.7.A.1 元素周期表的组织基于元素性质的重复规律,这些规律可由基态电子排布模式以及原子中完全或半充满的电子壳层(和亚层)的存在来解释。
    • 排除说明: AP 考试不考核书写违背构造原理的元素的电子排布式。
  • 1.7.A.2 元素周期表内原子性质的趋势(即周期性)可以通过元素在周期表中的位置进行预测,并利用库仑定律、壳层模型以及屏蔽效应和有效核电荷的概念进行定性理解。这些性质包括:
    • i. 电离能
    • ii. 原子半径和离子半径
    • iii. 电子亲和能
    • iv. 电负性。
  • 1.7.A.3 上述周期性(见 1.7.A.2)可用于在无数据的情况下预测或估算性质值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Trends across the periodic table follow from nuclear charge and shielding:

Electronegativity rises across a period and falls down a group
Electronegativity rises across a period and falls down a group
  • Atomic radius 原子半径 decreases across a period (stronger pull) and increases down a group (more shells).
  • Ionization energy 电离能 (energy to remove an electron) increases across, decreases down – opposite to radius.
  • Electronegativity 电负性 (pull on shared electrons) increases across and up, toward fluorine.
Periodic trends: how radius, ionization energy, and electronegativity change across and down
Periodic trends: how radius, ionization energy, and electronegativity change across and down
探索

探索周期内的原子半径

横跨第 3 周期,观察原子半径缩小——每个新增的质子都会增加有效核电荷,并将同一电子层拉得更紧。

词汇 训练
English 中文 拼音
Atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 原子半径 yuán zǐ bàn jìng
Ionization energy/ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/ 电离能 diàn lí néng
Electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 电负性 diàn fù xìng
1.8

价电子与离子化合物

教学大纲

学习目标 1.8.A: 解释元素反应性趋势与周期性之间的关系。

  • 1.8.A.1 两种元素形成化学键的可能性取决于其价电子与原子核之间的相互作用。
  • 1.8.A.2 周期表中同一纵列的元素倾向于形成类似的化合物。
  • 1.8.A.3 离子化合物中原子的典型电荷由价电子数决定,并可根据其在周期表中的位置进行预测。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Atoms gain, lose, or share valence electrons to reach stable configurations. Metals (low ionization energy) lose electrons to form cations 阳离子; nonmetals gain electrons to form anions 阴离子. Oppositely charged ions attract into an ionic compound 离子化合物, whose formula balances the charges to make the whole neutral. For example, aluminium ($3+$) and oxide ($2-$) combine as $\text{Al}_2\text{O}_3$ so the $+6$ and $-6$ cancel.

Common mistakes.

  • Taking the simple average of the isotope masses. Weight each mass by its abundance: chlorine is 35.5, not 36.
  • Rounding a mole ratio such as $1:1.33$ to $1:1$. A decimal near $.33$, $.5$ or $.67$ means you multiply: $1:1.33\times3 = 3:4$.
  • Reading the tallest PES peak as the most tightly held electrons. Peak height gives the number of electrons; peak position (binding energy) gives how tightly they are held, and the core $1s$ peak is furthest out.
  • Explaining a smaller radius across a period by "more shells". Across a period the shell count stays the same; the nuclear charge rises while shielding hardly changes, so the electrons are pulled closer.
  • Removing a transition metal's $3d$ electrons before its $4s$ electrons when it forms an ion. The $4s$ electrons are lost first: $\text{Fe}^{2+}$ is $[\text{Ar}]\,3d^6$, not $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^4$.
  • Saying ionization energy falls down a group because the nucleus has less charge. The nuclear charge rises, but the outer electron is further away and more shielded, so it is held less tightly.
探索

观察通过电子转移形成离子键

金属给出其价电子,非金属接收它们,从而使两者都达到满壳层。原子变成带相反电荷的离子并相互吸引——这种静电吸引力就是离子键。

词汇 训练
English 中文 拼音
cations/ˈkætaɪənz/ 阳离子 yáng lí zǐ
anions/ˈænaɪənz/ 阴离子 yīn lí zǐ
ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ 离子化合物 lí zǐ huà hé wù
1.8

考试技巧

English
  • Use the mole as the hub: convert grams↔moles with $n=m/M$ and moles↔particles with Avogadro's number.
  • Relative atomic mass is the abundance-weighted average of the isotopes — it lies closer to the more abundant one, not halfway.
  • For an empirical formula, turn each element's mass into moles and divide by the smallest; scale up to whole numbers.
  • Read periodic trends from nuclear charge and shielding: atomic radius decreases across a period, ionisation energy and electronegativity increase across (and up).
  • Fill electron configurations in energy order; the outer valence electrons control the chemistry.

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