【化学课件】原子结构与元素的初步知识课件

原子结构与元素的初步知识欢迎进入化学世界的核心领域原子结构与元素的初步知识这是化学学——习的基石，也是理解物质世界奥秘的钥匙在这堂课中，我们将深入探索构成万物的最基本粒子，从原子的发现历程到现代原子理论，从元素周期表的奥秘到化学键的形成机制通过系统学习原子的内部结构、电子的分布规律以及元素性质的周期性变化，你将建立起完整的化学知识框架这些知识不仅是考试的重点，更是理解自然界化学现象的基础工具学习目标1理解原子的基本结构2掌握元素的概念与分类掌握原子核与电子层的构成关理解元素的定义和化学符号的系，理解质子、中子、电子三意义，掌握金属、非金属和稀种基本粒子的性质和作用学有气体的基本特征能够运用会分析原子结构示意图，能够元素周期表查找元素信息，理准确描述原子内部的组织架构解元素性质的周期性变化规律3认识原子结构模型的发展了解从道尔顿原子学说到现代量子力学原子模型的发展历程，理解科学认识的渐进性和发展性掌握不同原子模型的特点和适用范围原子的发现史1年道尔顿原子学说1803英国化学家道尔顿首次提出科学的原子学说，认为物质由不可分割的原子组成这一理论奠定了现代化学的基础，虽然后来证明原子可以再分，但其核心思想至今仍有重要意义2年汤姆孙发现电子1897通过阴极射线实验，汤姆孙发现了带负电的电子，证明原子并非不可分割这一发现开启了原子内部结构研究的新纪元，为后续的原子结构理论发展铺平了道路3年卢瑟福核式模型1911卢瑟福通过粒子散射实验发现了原子核，提出了核式原子结构α模型这个模型描述了原子的主要质量集中在体积很小的原子核中，电子在核外空间运动物质的微观粒子原子化学变化中的最小粒子由原子核和电子组成，是构成元素的基本单分子位在化学反应中，原子重新排列组合，但原子本身保持不变，体现了原子的不可创造保持物质化学性质的最小粒子性和不可毁灭性由原子通过化学键结合形成，如水分子由两个氢原子和一个氧原子组成离子H2O分子可以独立存在，具有该物质的全部带电荷的原子或原子团化学性质当原子失去或获得电子时形成离子阳离子带正电荷，阴离子带负电荷离子是许多化合物的构成粒子，在电解质溶液中能够自由移动原子的基本结构原子核位于原子中心，由质子和中子组成原子核体积极小，但集中了原子以上的质量质子带正电荷，中子不带电荷，

99.96%两者紧密结合在原子核内电子层电子在原子核外空间高速运动，形成电子云电子按照能量高低分布在不同的电子层中，距离原子核越近的电子层能量越低，电子越稳定电中性正常原子中质子数等于电子数，正负电荷相等，整个原子呈电中性这种电荷平衡是原子稳定存在的基本条件，也是元素化学性质的重要基础电子的发现阴极射线实验电子的性质年，英国物理学家汤姆孙在研究气体放电现象时，发现了电子是构成原子的基本粒子之一，带一个单位的负电荷电子的1897阴极射线通过在射线路径上施加电场和磁场，他测定了射线粒质量极小，约为质子质量的在原子中，电子围绕原1/1836子的荷质比，发现这些粒子比氢原子轻得多子核高速运动，它们的分布和运动状态决定了原子的化学性质汤姆孙证明阴极射线是由带负电荷的微小粒子组成，这些粒子就是电子电子的发现打破了原子不可分割的传统观念，开启了原电子在原子中不是随机分布的，而是按照一定的规律分层排列子内部结构研究的新篇章这种分层结构称为电子层或能级，是理解元素性质和化学反应的关键质子的发现核式结构的提出意外的实验结果基于实验结果，卢瑟福提出了原子的核式金箔散射实验设计实验结果令人惊讶大部分粒子直线穿结构模型原子中心存在一个体积很小但α年，卢瑟福设计了著名的粒子轰过金箔，少数发生小角度偏转，极少数发质量很大的原子核，原子核带正电荷，电1911α击金箔实验他用粒子束射向极薄的金生大角度散射甚至反弹这与当时流行的子在核外空间运动这一发现揭示了质子α箔，观察粒子的散射情况实验装置包汤姆孙枣糕模型预期的结果完全不符的存在α括放射源、金箔靶和荧光屏检测器中子的发现历史背景查德威克的实验年之前，科学家已经知道英国物理学家查德威克通过粒1932α原子核的质量比其所含质子的质子轰击铍靶的实验，发现了一种量大得多，但无法解释这种质量具有很强穿透力的中性辐射经差异卢瑟福曾预言原子核中可过精确测量，证明这种辐射是由能存在不带电的粒子不带电荷、质量与质子相近的粒子组成中子的意义中子的发现完善了原子结构理论，解释了原子核质量与质子数不符的问题中子与质子一起构成原子核，为后来的核物理学发展和核能应用奠定了基础原子的电中性质子数每个质子带一个单位正电荷，质子数决定了原子核的正电荷数原子序数等于质子数，也等于核外电子数，这是元素最本质的特征电子数每个电子带一个单位负电荷，在正常原子中，电子数等于质子数电子的负电荷与质子的正电荷相互抵消，使整个原子保持电中性电荷平衡原子的电中性是其稳定存在的基本条件当原子失去或获得电子时，电荷平衡被打破，原子变成带电的离子，表现出不同的化学性质电子云与能级电子云模型现代量子力学描述能级结构、、、层分布K LM N概率分布电子出现概率密度图电子并不像行星绕太阳那样在固定轨道上运动，而是在原子核周围的三维空间中呈云雾状分布这种分布称为电子云，表示电子在某一位置出现的概率大小电子云密度大的地方，电子出现的概率高；密度小的地方，电子出现的概率低电子按照能量高低分布在不同的能级中，通常用、、、等字母表示，也可用数字、、、表示距离原子核越近的能级，电子K LM N1234的能量越低，越稳定原子核的构成质子决定元素质子数是元素的身份证中子影响质量中子数决定同位素类型核力结合强相互作用力维持稳定原子核是原子的核心部分，由质子和中子通过强核力紧密结合而成质子数决定了元素的种类和原子序数，这是元素分类的根本依据例如，所有质子数为的原子都是碳元素，质子数为的都是铁元素626中子数的变化会产生同位素现象，即同一元素的不同原子具有相同的质子数但不同的中子数强核力是维持原子核稳定的根本力量，它克服了质子间的电磁排斥力元素与元素符号元素定义符号表示具有相同质子数的同一类原子的总称，用一个或两个字母表示元素，如表示H是物质的基本成分单位每种元素都有氢，表示氧，表示铁这些符号通O Fe其独特的原子序数和化学性质常来源于元素的拉丁文名称周期排列分类体系元素按原子序数递增排列在周期表中，元素按性质分为金属、非金属和稀有气体现出明显的周期性变化规律，为预测体三大类，每类元素具有相似的化学特元素性质提供依据征和反应规律元素的命名与分类7822金属元素非金属元素占元素总数的大部分，具有金属光泽、导包括氢、碳、氮、氧等生命必需元素，性电导热性强、延展性好等特点质与金属相反18稀有气体化学性质极不活泼，最外层电子数达到稳定结构元素的命名来源丰富多样，体现了人类文明的发展历程许多元素名称来源于拉丁文，如金、银；有些以地名命名，如锗、钫；Aurum ArgentumGermania Francium还有些以科学家命名，如居里、爱因斯坦Curium Einsteinium元素周期表概览门捷列夫的贡献年，俄国化学家门捷列夫发现了元素性质的周期性规律，创建了第一个科学的元素周期表他甚至准确预测了当时尚未发现的元素的性质1869现代周期表目前的元素周期表包含种元素，从氢到随着科学技术的发展，人类不断发现和合成新的超重元素，丰富着我们对物质世界的认识118Oganesson实际应用元素周期表不仅是化学学习的工具，更是科学研究和工业应用的重要指南从新材料开发到药物合成，周期表都发挥着不可替代的作用元素周期表的结构横行周期纵列族————元素周期表共有个周期，每个周期代表一个电子层第一周期元素周期表共有个族，分为主族和副族主族元素包括第、7181只有氢和氦两个元素，第

二、三周期各有个元素，第

四、五周、族，副族元素为第族的过渡元素8213-183-12期各有个元素18同一族的元素具有相似的化学性质，因为它们的最外层电子数相同一周期的元素具有相同的电子层数，但最外层电子数逐渐增加同例如，第族的碱金属都易失去个电子形成价离子，第11+1从左到右，元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，这体现族的卤素都易得到个电子形成价离子171-1了元素性质的周期性变化规律周期与族的含义周期性是元素性质变化的根本规律同周期元素从左到右，原子序数递增，核外电子数和质子数同时增加，但电子层数保持不变这导致原子半径逐渐减小，核对外层电子的吸引力增强族的概念反映了元素化学性质的相似性同族元素的最外层电子数相同，因此表现出相似的化学行为例如，碱金属族都具有强烈的金属性，卤素族都是活泼的非金属主要族元素举例族别典型元素最外层电子数主要性质第族碱金属、、极易失电子，1Li Na K1活泼金属第族碱土金、、易失个电子，2Mg CaBa22属活泼金属第族卤素、、、易得个电子，17F ClBr I71活泼非金属第族稀有、、为化学性质稳定，18He NeAr8He2气体很难反应元素的相对原子质量基准选择以碳同位素为基准，其原子质量定义为-1212相对比较其他元素原子质量与碳的质量比值-12平均值考虑同位素丰度的加权平均原子质量相对原子质量是化学计算的重要参数，它反映了原子的实际质量大小常见元素的相对原子质量氢为，氧为，碳为这些数值略有小数是

1.

00815.

99912.011因为考虑了同位素的存在和它们在自然界中的丰度相对原子质量的概念简化了化学计算，使我们能够方便地进行摩尔计算和化学方程式的配平在实际应用中，通常使用近似的整数值进行计算同位素氢的同位素碳的同位素氢有三种同位素氕、氘碳和碳是碳的重要¹H-12-14和氚它们的质子数同位素碳是稳定同位²H³H-12都是，但中子数分别为、素，碳具有放射性，被10-

14、氘被称为重氢，氚具广泛用于考古学的年代测定12有放射性，半衰期约年它们的化学性质基本相同，但

12.3物理性质有所差异铀的同位素铀和铀是铀的主要同位素铀是重要的核燃料，可-235-238-235用于核反应堆和核武器铀虽然不能直接裂变，但可转化为钚-238-，也具有重要应用价值239离子的形成电子得失原子在化学反应中失去或获得电子，打破原有的电荷平衡金属原子容易失去外层电子，非金属原子容易获得电子以达到稳定的电子构型离子形成失去电子的原子变成带正电荷的阳离子，获得电子的原子变成带负电荷的阴离子离子所带电荷数等于得失电子数，符号用或表示+-稳定结构离子形成的驱动力是达到稳定的电子构型，通常是电子稳定结8构这种稳定结构使离子比相应的原子更加稳定，是离子化合物形成的基础离子的概念与实例阳离子实例阴离子实例钠离子、镁离子、氯离子、氧离子、硫Na+Mg2+Cl-O2-铝离子等都是常见的阳离离子等是典型的阴离子Al3+S2-子它们是金属原子失去外层电它们是非金属原子获得电子后形子后形成的，带正电荷阳离子成的，带负电荷阴离子的半径的半径比相应原子小，因为失去比相应原子大，因为增加电子导电子后电子层减少致电子间排斥增强离子化合物阳离子和阴离子通过静电引力结合形成离子化合物，如、等NaCl MgO这些化合物在水中能够电离，形成可导电的电解质溶液，在工业和生活中应用广泛分子、原子和离子的区别粒子类型电性稳定性存在形式典型实例原子电中性相对稳定单独存在、、He Ne或结合Ar分子电中性稳定保持化学、H2O性质、CO2CH4离子带电荷在化合物成对或成、、Na+Cl-中稳定群存在SO42-理解这三种粒子的区别对于掌握化学反应机理至关重要原子是化学变化中的最小粒子，分子是保持化学性质的最小粒子，而离子是带电荷的原子或原子团它们在不同的化学环境中发挥不同的作用经典的原子结构模型1汤姆孙枣糕模型年提出，认为原子是一个带正电的球体，电子像枣子一1904样镶嵌在其中这个模型首次承认了电子的存在，但无法解释卢瑟福的散射实验结果2卢瑟福核式结构年基于粒子散射实验提出，原子中心有一个很小的原子1911α核，电子在核外空间运动这个模型成功解释了散射实验，但存在电子坠核的理论困难3波尔行星模型年结合量子理论，提出电子在特定轨道上运动不辐射能1913量这个模型成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子的解释存在局限性卢瑟福模型的缺陷经典力学预测按照经典电磁理论，做圆周运动的带电粒子应该不断辐射电磁波，失去能量，最终坠落到原子核上这与原子的稳定存在相矛盾坠核时间计算理论计算表明，如果电子按经典力学运动，它将在约秒内坠10^-10落到原子核，这显然与原子的实际稳定性不符光谱连续性问题经典理论预测原子应该发射连续光谱，但实验观察到的是线状光谱这表明经典物理学无法完全解释原子内部的运动规律波尔的量子条件定态轨道电子只能在特定的圆形轨道上运动，在这些轨道上电子不辐射能量，原子处于稳定状态这些特殊轨道称为定态轨道或量子化轨道能级跃迁当电子从高能级跃迁到低能级时，原子辐射特定频率的光子；当电子从低能级跃迁到高能级时，原子吸收相应频率的光子能量变化遵循ΔE=hν角动量量子化电子轨道角动量只能取某些分立值，即ℏ，其中为正整L=n n数，ℏ为约化普朗克常数这是量子力学的重要特征之一电子能级示意图层N n=4最多个电子132层M n=32最多个电子18层L n=23最多个电子8层K n=14最多个电子2电子在原子中按照能量高低分层分布，形成电子层结构每层能容纳的最大电子数遵循规律，其中为电子层序数电子优先占据能量较低的内层，当内层2n²n填满后才进入外层这种分层结构是元素性质周期性变化的根本原因，也是化学键形成和化学反应发生的理论基础最外层电子数直接决定了元素的化学性质和反应活性最外层电子与化学性质化学键的初步认识离子键共价键金属原子与非金属原子之间通过电子转移形成的化学键金属原非金属原子之间通过共用电子对形成的化学键原子通过共享电子失去电子变成阳离子，非金属原子获得电子变成阴离子，阴阳子达到稳定的电子构型，电子对在两个原子之间运动，属于两个离子通过静电引力结合原子共同拥有电子完全转移电子共享••形成离子晶体形成分子••具有较高熔沸点熔沸点变化较大••水溶液能导电纯净物不导电••典型反应举例钠与氯气反应氢气与氧气反应₂钠₂₂₂氢2Na+Cl→2NaCl2H+O→2H O原子失去个电子形成⁺，原子与氧原子通过共用电子对1Na氯原子获得个电子形成⁻，形成共价键，生成水分子每1Cl两种离子通过离子键结合形成个氧原子与两个氢原子形成两氯化钠这是典型的离子化合个共价键，达到稳定的电子构物形成反应型3氢气分子形成₂两个氢原子各提供一个电子形成共用电子对，使每个H+H→H氢原子都达到电子稳定结构这是最简单的共价键形成过程2稳定结构的追求八隅体规则电子配对除氢和氦外，大多数元素倾向于通过得最外层个电子形成对电子对，这种配84失或共享电子，使最外层达到个电子置具有最低的能量状态，因此最为稳定8的稳定构型成键驱动能量最小追求稳定结构是化学键形成的根本驱动达到稳定结构的原子或离子具有最低的力，决定了元素的反应倾向和化合价化学势能，不易再发生化学反应稀有气体稳定结构范例——28氦氖He Ne层个电子，已达饱和状态层个电子，典型的八隅体结构K2L818氩Ar层个电子，外层稳定构型M8稀有气体是天然存在的稳定结构典型代表，它们的最外层电子已经达到稳定构型，因此化学性质极不活泼在常温常压下，稀有气体都以单原子分子形式存在，很难与其他元素发生化学反应正是因为稀有气体的这种稳定性，其他元素在化学反应中往往模仿稀有气体的电子构型，这就是稀有气体电子构型规则，也称为八隅体规则的理论基础元素周期性变化规律原子半径金属性非金属性电离能同周期从左到右逐渐减小，同周期从左到右逐渐减弱，同周期从左到右逐渐增强，同周期从左到右逐渐增大，同族从上到下逐渐增大同族从上到下逐渐增强同族从上到下逐渐减弱同族从上到下逐渐减小金属性和非金属性金属性强的元素非金属性强的元素如钠、钾等碱金属，最如氟、氯等卤素，最外层Na KF Cl外层只有个电子，极易失去形有个电子，极易获得个电子171成阳离子这些元素具有良好的达到稳定结构这些元素通常不导电性、导热性和延展性，在空导电，与金属形成离子化合物气中易被氧化中等性质元素如碳、硅等，最外层有个电子，既不易失去也不易获得电子，C Si4主要通过共价键与其他原子结合，表现出中等的化学活性元素周期表的使用技巧确定位置根据原子序数在周期表中找到元素位置，横行为周期数，纵列为族数主族元素的族数等于最外层电子数，这是判断化学性质的重要依据分析性质利用周期性规律预测元素性质金属性、非金属性、原子半径、电离能等同族元素性质相似，同周期元素性质呈规律性变化预测反应根据元素在周期表中的位置和最外层电子数，预测元素的化合价、成键类型和反应产物这是化学反应预测的重要工具常见主族元素总结族别元素主要性质重要用途存在形式第族、极活泼金属制备化工原料化合物形式1NaK第族、四价非金属有机化合物、半导体单质和化合物14C Si第族、六价非金属生命必需、工业原料单质和化合物16O S第族、七价非金属消毒剂、氟化物化合物形式17F Cl铁、铜等过渡元素特点多种氧化态催化性能导电导热过渡元素可以形成多许多过渡金属及其化过渡金属普遍具有良种氧化态，如铁有、合物具有优异的催化好的导电性和导热性，+2价，铜有、性能，能够加速化学铜是最重要的导电材+3+1+2价这使它们能够形反应进行铁是合成料之一它们的这些成丰富多彩的化合物，氨的催化剂，铂是汽性质源于自由电子的在催化和材料科学中车尾气净化催化剂存在应用广泛磁性材料一些过渡元素如铁、钴、镍具有铁磁性，是制造永磁材料和电磁设备的重要原料这些性质在现代电子工业中不可替代元素与人类生活铁工业脊梁氧生命之源碳生命基础——————铁是人类使用最多的金属元素，从古代的氧气是维持生命的必需物质，参与细胞呼碳是构成有机化合物的核心元素，从简单铁器时代到现代的钢铁工业，铁及其合金吸和新陈代谢过程同时，氧气支持燃烧的甲烷到复杂的蛋白质和，都以碳骨DNA钢材广泛应用于建筑、机械、交通等各个反应，在工业生产、医疗救护等方面发挥架为基础碳的四价成键能力使生物分子领域，是现代工业文明的基础重要作用具有无限的多样性原子结构的科学意义反应机理化学反应的本质电子变化电子的得失和共享原子结构核外电子分布规律原子结构理论的建立使化学从经验科学转变为理论科学，为理解化学反应的本质提供了理论基础所有化学反应都可以归结为原子核外电子的重新分布和排列，这是现代化学理论的核心观点通过原子结构理论，我们能够预测元素的性质、解释化学键的形成机制、设计新的化学反应和合成路径这为新材料开发、药物设计、环境保护等领域的发展提供了强有力的理论支撑现代原子理论发展波粒二象性电子既是粒子又是波不确定性原理2无法同时确定位置和动量概率云模型3描述电子出现概率分布世纪量子力学的发展彻底改变了我们对原子结构的认识德布罗意提出了物质波概念，海森堡建立了不确定性原理，薛定谔提出了波动20方程这些理论表明电子不是在固定轨道上运动，而是以概率云的形式分布在原子核周围现代原子理论不仅能够精确解释氢原子光谱，还能处理复杂的多电子原子体系，为现代化学、材料科学和量子技术的发展奠定了坚实的理论基础。