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物质结构基础
第一章物质结构基础
【知识导航】
“上帝粒子”：
希格斯玻色子（英语：
Higgsboson）是粒子物理学标准模型中所预言的最后一种基本粒子（模型预言了62种基本粒子，已发现61种，包括质子、中子、电子、夸克等），以物理学者彼得·希格斯命名，是一种具有质量的玻色子，没有自旋，不带电荷，非常不稳定，在生成后会立刻衰变。
2012年7月4日，CERN（欧洲核子研究组织）宣布LHC（大型强子对撞机）的紧凑渺子线圈探测到两种新粒子，这两个粒子极像希格斯玻色子，但还有待物理学者进一步分析确定。
——维基中文百科
【重难点】
1．原子的电子层结构
原子核是由质子和中子组成的，原子核与核外电子又一同构成了原子。
由于单质和化合物的化学性质主要取决于核外电子的运动状态，因此，在化学中研究原子结构主要在于了解核外电子运动的规律。
（如图1-1）
图1-1原子的结构图1-2核外电子运动
2．核外电子运动的特性
核外电子运动无法用牛顿力学来描述，具有测不准性。
（如图1-2）
（1）核外电子运动规律的描述
电子云：
电子在原子核外空间出现的概率密度分布。
（如图1-3）是p电子云的形状。
离核越近，电子云密度越大；离核越远，电子云密度越小。
（如图1-4）
图1-3p亚层结构图1-4核外电子概率分布
（2）核外电子运动状态的描述——四个量子数（n、l、m、ms）
多电子原子中，决定能量的量子数是n、l。
（3）核外电子的排布
遵循能量最低原理、泡利不相容原理及洪特规则。
根据n+0.7l的整数部分相同，近似分成若干近似的能级组。
3．原子结构与周期律
元素周期律：
元素的性质（原子半径、电离能、电负性、金属性等）随着核电荷数的递增而呈现周期性的变化。
一般而言，同一周期元素，从左到右原子半径逐渐减小，电离能和电负性逐渐增大，金属性减弱，非金属性增强。
同一族元素，从上到下原子半径逐渐增大，电离能和电负性逐渐减小，金属性增强，非金属性减弱。
周期表中共有7个周期，16个族（7个主族、7个副族、1个0族、1个第Ⅷ族）。
基态的气态原子或气态离子失去一个电子所需要的最小能量称为元素的第一电离能，常用符号I1表示，单位为kJ·mol-1（SI单位为J·mol-1）。
它可以比较元素的金属性强弱。
影响电离能大小的因素是：
有效核电荷、原子半径、和原子的电子构型。
如果I2>>I1，则原子易形成+1价阳离子而不易形成+2价阳离子；如果I3>>I2>I1，即I在I2和I3之间突然增大，则元素R可以形成R+或R2+而难于形成R3+。
4．化学键
是指相邻的原子（离子）之间的强烈的相互作用。
一般可分为离子键、共价键和金属键。
离子键本质是阴阳离子间的静电作用力，离子键没有方向性，没有饱和性。
（如图1-5）
图1-5离子键的形成（NaCl）图1-6共价键的形成（HCl）
共价键的本质是两核间电子云密集区对两核的吸引力，共价键具有饱和性和方向性，可分为σ键（头碰头）（如图1-6）和π键（肩并肩）。
5．杂化轨道理论
杂化轨道：
同一原子中若干能量相近的原子轨道重新组合，形成总数相同的新的原子轨道，杂化轨道比原来轨道的成键能力强，只有多原子分子的中心原子轨道可杂化。
等性sp杂化轨道呈直线形，等性sp2为平面三角形，等性sp3为正四面体。
也存在不等性的杂化方式（如图1-7）。
图1-7典型的不等性sp3杂化
图1-8沸点变化
6．分子间作用力
分子间极性的大小用分子的偶极矩来衡量。
分子间的作用力主要包括范德华力和氢键。
范德华力包括取向力、诱导力、色散力。
非极性分子间只存在色散力，极性分子和非极性分子间存在色散力和诱导力，极性分子与极性分子间存在色散力、诱导力和取向力。
氢键是一种特殊的分子间作用力，而不是化学键。
形成氢键的条件：
电负性很大，原子半径很小的原子（如F、O、N）与氢原子以共价键相结合。
与氢原子结合的原子电负性越强氢键能力越大。
氢键可分为分子内氢键和分子间氢键。
分子内氢键常常会使化合物的沸点和熔点降低，而分子间氢键使化合物的沸点和熔点升高。
（如图1-8）
【例题分析】
1．选择题。
下列分子中，中心原子的原子轨道属等性sp杂化的是（）（2011年安徽中医学院专升本专业课考试题）
A.BCl3B.BeCl2C.CH4D.H2O
解：
答案B。
BCl3为等性sp2杂化，空间为平面三角形。
BeCl2为等性sp杂化，空间为直线型。
CH4为等性sp3杂化，空间为正四面体形。
只有H2O为不等性sp3杂化，见图7，同样类型还有NH3。
2．选择题。
乙醇水溶液中存在分子间作用力有（）（2011年安徽中医学院专升本专业课考试题）
A.取向力，色散力B.氢键，诱导力C.取向力，氢键，诱导力D.A和B
解：
答案D。
分子间作用力包括范德华力和氢键。
乙醇和水分子均为极性分子，因此之间的范德华力应包括取向力、诱导力和色散力三种，而且符合存在氢键的两个条件，乙醇有羟基，水有氧氢键，所以它们之间也存在氢键。
3．判断题。
H2O的沸点比HF高，所以O-H……O氢键比F-H……F氢键的键能大。
（）（2011年安徽中医学院专升本专业课考试题）
解：
×。
分子间作用力有两种，氢键和范德华力。
因为F的电负性大于O，所以O-H……O氢键实际比F-H……F氢键的键能小。
但H2O的沸点比HF高，主要是因为H2O的分子量比HF高，导致范德华力比HF高。
4．选择题。
单电子原子中，电子的能量高低取决于量子数（）（2009年安徽中医学院专升本专业课考试题）
A.n和lB.nC.lD.n，l和m
解：
B。
多电子原子中，电子的能量主要取决于n（决定离核距离）和l（决定电子云形状）。
而单电子原子比较特殊，核外电子只在s亚层运动，因此能量高低取决于主量子数n。
【知识拓展】
1．核裂变和核聚变
图9核裂变图10核聚变
2．水的形态
图11水的氢键图12干冰及晶体结构模型
【习题】
一、选择题
【A型题】（单项选择题）
1．主量子数n＝3的电子层容纳的轨道数和电子数为（）
A．3和6B．3和9C．9和18D．6和12
2．决定多电子原子的电子运动能量的量子数是（）
A．nB．n、l、mC．n、lD．n、l、m、ms
3．量子数n，l，m不能决定（）
A．电子的自旋方向B．原子轨道的形状C．原子轨道的能量D．原子轨道取向
4．下列各组量子数中，不可能存在的是（）
A．3，2，2，-1/2B．3，1，-1，-1/2C．3，2，0，+1/2D．3，3，0，-1/2
5．描述基态钠原子最外层一个电子的四个量子数是（）
A．3，0，0，+1/2B．3，1，0，+1/2C．3，2，1，+1/2D．3，2，0，-1/2
6．下列电子亚层中，轨道数目最多的是（）
A．n=1,l=0B．n=2,l=1C．n=3,l=2D．n=4,l=1
7．某+3价离子的核外电子排布为1s22s22p63s23p63d5,该离子对应的元素在周期表中位于（）
A．第3周期，Ⅷ族B．第4周期，Ⅷ族
C．第4周期，ⅢA族D．第4周期，ⅢB族
8．有d电子的基态原子，其电子层数至少是（）
A．1B．2C．3D．4
9．基态29Cu核外电子的原子实表示式是（）
A．[Ar]3d94s2B．[Ar]3d104s1C．[Ar]3s23d9D．[Ar]3s13d10
10．下列四种元素的电子构型中，正确的是（）
A．铍1s22p2B．碳1s22s22px22py02pz0C．铝1s22s22p63s3D．钠1s22s22p63s1
11．用来表示核外某一电子运动状态的下列各组量子数中，合理的一组是
A．3，2，-1，+1B．4，2，3，-1/2
C．3，2，2，+1/2D．3，3，-1，-1/2
12．下列不属于化学键的是（）
A．非极性共价键B．极性共价键C．氢键D．配位键
13．下列不含氢键的是（）
A．H2OB．HFC．CH4D．CH3OH
14．下列外围电子排布中，不易形成离子的是（）
①2s22p5②3s1③4s2④2s22p2⑤2s22p6
A．①⑤B．②⑤C．③⑤D．④⑤
15．下列元素的电负性大小顺序为（）
A．C＜N＜O＜F＜SiB．Si＜C＜N＜O＜F
C．C＜Si＜N＜O＜FD．Si＜C＜O＜N＜F
16．下列说法正确的是（）
A．元素的最外层电子构型和外围电子构型是一致的
B．主量子数为4时，有4s、4p、4d、4f四个原子轨道
C．同一能级组中的各能级，它们可能具有不同的电子层
D．第三电子层中最多可容纳18个电子（2n2），则在第三周期中有18种元素
17．CO2分子是（）
A．以非极性共价键结合的非极性分子
B．以极性共价键结合的极性分子
C．以极性共价键结合的非极性分子
D．以非极性共价键结合的极性分子
18．下列各组微粒半径大小排列顺序正确的是（）
A．P＞Si＞NaB．O2－＞Mg2+＞Al3+C．Ca＞Ba＞Ca2+D．Cl－＞F＞F－
19．下列原子第一电离能大小比较错误的是（）
A．Mg＞AlB．O＞NC．C＞BD．Zn＞Ga
20．下列粒子半径大小比较错误的是（）
A．Al＞Al3+B．F－＞FC．Cl＞FD．C＞B
21．下列物质中含离子键的是（）
A．Cl2B．CO2C．NaClD．CH4
22．下列分子属于非极性分子的是（）
A.NH3B.H2SC.CH4D.CO
23．下列化合物中，既存在离子键和共价键，又存在配位键的是（）
A．NH4FB．NaOHC．H2SD．CH3COONa
24．水的反常熔、沸点是因为（）
A．范德华力B．配位键C．离子键D．氢键
25．下列分子中属于极性分子的是（）
A．CO2B．SO2C．CH4D．苯
【X型题】（多项选择题）
26．下列说法正确的是（）
A．角量子数l决定原子轨道形状
B．角量子数l决定原子轨道在空间的取向
C．磁量子数m决定原子轨道在空间的取向
D．自旋量子数ms只可取2个值，即+1/2和-1/2。
27．下列分子中，具有直线形结构的是（）
A．CO2B．CS2C．H2OD．CH4
28．原子核外电子排布应遵循（）
A．最大重叠原理B．能量最低原理C．保利不相容原理D．洪特规则
29．下列化合物中采用sp3杂化轨道成键的分子是（）
A．CCl4B．H2OC．NH3D．BF3
30．卤化氢的热稳定性从上到下减弱，其原因在于（）
A．分子量增加B．键能减弱C．键长增长D．范德华力增加
二、填空题
1．H2O、HF、NH3在同族中的反常熔沸点是由于它会形成_______。
2．已知某元素为第四周期第ⅣA元素，其价电子构型为_____________，元素符号为________，这个元素的原子有________个电子层，最外层有_______个电子。
3．3s1电子的四个量子数值分别为___、____、_______、______。
4．原子轨道之所以要杂化，是因为可以____________________。
三、问答题
1．电子层与能级组有何不同？
2．核外电子运动有那些基本特征？
3．根据原子结构理论，完成下列表格。
原子序数
元素符号
电子排布式
各层电子数
周期数
族数
6
11
17
26
53
4．Na的第一电离能小于Mg，而Na的第二电离能却大大超过Mg？
5.用电子构型解释金属原子半径大于同周期的非金属原子半径？
【参考答案】
一、选择题
【A型题】
1.C2.C3.A4.D5.A6.C7.B8.D9.B10.D11.C12.C13.C14.D15.B16.C17.C18.B19.B20.D21.C22.C23.A24.D25.B
【X型题】
26.ACD27.AB28.BCD29.ABC30.BC
二、填空题
1．氢键
2．4s24p2，Ge，4，4
3．n＝3，l＝0，m＝0，ms＝+1/2或-1/2。
4．形成更稳定的共价键
三、问答题
1．电子层是用来表示核外电子离核平均距离的术语，将n相同的电子称为同一层的电子。
而能级组是用来表示核外电子能级大小的术语，将（n+0.7l）值整数相同的能级称为同一能级组。
在讨论原子的内层电子能级时，把n相同的能级合并为一组，如K层（1s）、L层（2s2p），是很合适的，因为同一层中能级相差不大。
但在讨论原子的外层电子能级时，由于能级交错的结果，这种电子层分法就不够恰当。
如4f和4s虽同为4层，但4f的能级要高得多，实际比6s能级还要高，故它和6s合为一组更合适。
能级组是划分周期表中周期的依据。
2．核外电子运动有三个基本特点
（1）核外电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级，其能级大小与主量子数n和角量子数l有关。
（2）电子的空间运动状态需用波函数来描述，一定的波函数由三个量子数（n、l、m）决定的。
（3）电子的运动没有确定的运动轨道，而有与波函数平方成正比的几率密度分布。
3．
原子序数
元素符号
电子排布式
各层电子数
周期数
族数
6
C
1s22s22p2
2、4
2
ⅣA
11
Na
1s22s22p63s1
2、8、1
3
ⅠA
17
Cl
1s22s22p63s23p5
2、8、7
3
ⅦA
26
Fe
1s22s22p63s23p63d64s2
2、8、14、2
4
Ⅷ
35
Br
1s22s22p63s23p63d104s24p5
2、8、18、7
4
ⅦA
4．Na，Mg的第一电离能（I1）都是丢失3s上的一个电子所需要的能量。
r（Na）>r（Mg），且Na的有效核电荷比Mg小，（I1）Na<（I1）Mg。
第二电离能Mg仍是丢掉一个3s电子所需要的能量，而Na是丢掉内层2s22p6满层上的电子，故（I2）Na>（I2）Mg。
5．同一周期元素的原子，从左到右电子逐一填入同一能级，而同一能级电子互相间排斥较大，且周期表从左到右，有效核电荷持续增加，对外层电子的吸引力依次增加。
故同周期的金属原子半径大于非金属原子半径。
【趣味题】
一个放射性同位素的半衰期是指一个样本内，其放射性原子的衰变至原来数量的一半所需的时间。
半衰期越短，代表其原子越不稳定，每颗原子发生衰变的机会率也越高。
居里夫人（1867-1934）法国籍波兰科学家，研究放射性现象，发现镭和钋两种放射性元素，一生两度获诺贝尔奖。
钋（Po）是一种银白色金属，能在黑暗中发光，天然的钋含量非常微小，但却是世界上最毒的物质。
同位素钋-210，其半衰期有138天。
英国《每日电讯报》和法新社2012年7月3日报道，根据瑞士一家实验室的检验结果显示，巴勒斯坦前民族权力机构主席亚西尔·阿拉法特可能死于高剂量放射性钋-210中毒。
如果按照2004年阿拉法特去世，距今8年时间，请简要计算钋-210的衰变次数。
近似为21次。
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