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CIE AS · 化学 1 ATOMIC STRUCTURE
原子结构
Atomic StructureThe Building Blocks of Matter
CIE 9701 化学第一站。走进原子的内部世界——质子、中子、电子怎么构成万物？电子排布如何决定化学性质？
原子结构同位素电子排布
~ 原子的内部世界 ~
CIE 9701 · AS Level · Ch 1-2
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导读 MAP
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万物
由原子构成
⚛️ 原子结构
原子核（质子+中子）+ 电子云。99.9999% 是空的。
→ 物质的本质
🔢 同位素与摩尔
同位素（同质子数、不同中子数）。摩尔——化学家的计数单位。
→ 质量与数量
⚡ 电子排布
亚层、轨道、电子构型。电子怎么排，决定元素怎么反应。
→ 化学性质的根源
💡 核心：化学的一切——反应、键合、周期性——最终都可以追溯到原子结构，尤其是电子的排布方式。
1.1 · 原子结构 ATOMIC STRUCTURE
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原子
大部分是空的
⚛️ 卢瑟福模型
原子由两大部分组成：
① 原子核（nucleus）：极小（直径 ~10⁻¹⁵ m），集中了几乎全部质量。
② 电子云（electron cloud）：在核外广阔空间中运动。
→ 如果原子是体育场，原子核是场中心的一颗豌豆。
🔢 三种基本粒子
质子 (proton)：电荷 +1，质量 1 amu
中子 (neutron)：电荷 0，质量 1 amu
电子 (electron)：电荷 -1，质量 1/1836 amu
→ 质子和中子在核内；电子在核外。
原子核（质子+中子）居中，电子在核外广阔空间运动
💡 记忆：原子序数 Z = 质子数；质量数 A = 质子数 + 中子数。符号写法：左上角=质量数 A，左下角=原子序数 Z，即 ᴬZ X（如碳-12 写作 ¹²₆C：左上 12，左下 6，6 个质子 6 个中子，切勿把上下标写反）。
1.2 · 同位素 ISOTOPES
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同一元素
不同的体重
🔬 定义
同位素（isotopes）：质子数相同、中子数不同的原子。
化学性质几乎相同（取决于电子数=质子数）。
物理性质不同（质量不同）。
例：¹²C、¹³C、¹⁴C 都是碳，但中子数分别为 6、7、8。
📊 相对原子质量
Ar = 各同位素质量的加权平均：
Ar = Σ(同位素质量 × 丰度)
例：氯有 ³⁵Cl(75%) 和 ³⁷Cl(25%)：
Ar = 35×0.75 + 37×0.25 = 35.5
🦴 ¹⁴C 测年：考古学家靠它定木乃伊年代
🩺 ¹³¹I：甲状腺检查的同位素示踪剂
同一元素质子数相同、中子数不同的原子互为同位素
💡 考点：计算相对原子质量是必考题。记住"丰度"是百分比/占比，不是绝对数量。质量数是整数，但 Ar 通常是小数（因为有多种同位素）。
1.2b · 质谱法 MASS SPECTROMETRY
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怎么称量一个
原子的质量
🔬 质谱仪原理
样品气化→电子轰击电离成正离子。
离子在电场加速、磁场中偏转，按质荷比 m/z 分离。
横轴 = m/z，纵轴 = 相对丰度 (%)。
→ 最右端的分子离子峰 M⁺ = 分子的相对分子质量。
📊 由质谱求 Ar
单质（如氯）的质谱出现多个同位素峰簇（³⁵Cl、³⁷Cl）。
Ar = Σ(m/z × 丰度) = 35×0.75 + 37×0.25 = 35.5。
→ 质谱是测定精确相对原子质量的实验标准方法。
质谱按质荷比 m/z 分离离子，纵轴为相对丰度
💡 考点：9701 几乎每年考质谱——会读 m/z 轴（找 M⁺ 定分子量）、会用丰度算 Ar，是同位素章的核心实验技能。
1.3 · 摩尔 THE MOLE
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化学家的
计数单位
🔢 阿伏伽德罗常数
1 摩尔（1 mol）= 6.02 × 10²³ 个粒子。
这个数字叫阿伏伽德罗常数（L 或 Nₐ）。
就像"1 打" = 12 个，"1 摩尔" = 6.02 × 10²³ 个。
→ 把微观粒子和宏观质量联系起来。
📐 摩尔公式
物质的量 (mol) = 质量 (g) / 摩尔质量 (g/mol)
n = m / Mr
气体摩尔体积：室温常压 RTP（约 20°C/1 atm）下，1 mol 气体 ≈ 24 dm³（注意不是 STP；STP 0°C 时约 22.4 dm³）。
n = V / 24（气体体积换算摩尔）
💡 核心公式三角：n（摩尔数）= m（质量）/ Mr（摩尔质量）= V（气体体积，RTP）/ 24 = N（粒子数）/ Nₐ。会背这个三角，摩尔计算就解决了大半。
1.4 · 经验式与分子式 EMPIRICAL & MOLECULAR FORMULA
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怎么从
实验数据推化学式
📋 经验式 Empirical Formula
最简整数比的化学式。
求法：① 各元素质量÷Ar → 摩尔数；② 摩尔数÷最小值 → 整数比。
例：C₆H₁₂O₆ 的经验式是 CH₂O。
🔬 分子式 Molecular Formula
经验式的整数倍。
求法：分子量 ÷ 经验式质量 = 倍数 n → 经验式 × n。
例：经验式 CH₂O，分子量 180 → 180/30 = 6 → C₆H₁₂O₆。
💡 考点提示：CIE 常考"燃烧分析"题——给 CO₂ 和 H₂O 的质量，反推有机物的经验式。记住：CO₂ 中碳的质量 = CO₂ × 12/44；H₂O 中氢的质量 = H₂O × 2/18。
1.5 · 浓度与计量 CONCENTRATION & YIELD
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溶液浓度与
限量反应物
🧪 浓度公式 c = n/V
物质的量浓度 c (mol/dm³) = n / V。
例：4.0 g NaOH (Mr=40) 溶成 0.50 dm³ → n=0.10 mol → c=0.20 mol/dm³。
→ 稀释时 n 不变：c₁V₁ = c₂V₂。
💧 水合物 & 限量反应物
水合物：结晶水要计入 Mr。如 CuSO₄·5H₂O 的 Mr = 160+90 = 250（不是 160！）。
限量反应物：按方程摩尔比判断谁先用完，用它算产物。
→ 产率 = 实际产量 / 理论产量 × 100%。
💡 计量四件套：① 浓度 c=n/V；② 水合物算 Mr 别漏结晶水；③ 找限量反应物（看摩尔比）；④ 产率 = 实际/理论。摩尔三角再加这四样，CIE 计量学题基本通关。
2.1 · 电子排布 ELECTRONIC CONFIGURATION
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电子
住在哪里？
🏠 能层 Shells
电子在能层（主量子数 n = 1, 2, 3...）中运动。
每层最多容纳 2n² 个电子。
n=1 容2、n=2 容8、n=3 容18……
🔬 亚层 Sub-shells
能层（主量子数 n）与 s/p/d 亚层的能量分级
每个能层分为亚层：s、p、d、f。
• s 亚层：1 个轨道，容 2 个电子
• p 亚层：3 个轨道，容 6 个电子
• d 亚层：5 个轨道，容 10 个电子
💡 轨道（orbital）：电子可能出现的空间区域，最多容纳 2 个电子（自旋相反）。泡利不相容原理：同一轨道的两个电子自旋必须相反（↑↓）。
2.2 · 排布规则 FILLING RULES
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电子怎么
排座位
① 能量最低原理
电子先填能量低的轨道。
填充顺序：1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p……
⚠ 4s 比 3d 先填！
② 泡利不相容
每个轨道最多 2 个电子。
且自旋必须相反（↑↓）。
→ 一间房最多住两人，面对面。
③ 洪特规则
同一亚层的轨道，电子先单排，再配对。
如 2p³：↑ ↑ ↑（而非 ↑↓ ↑ ○）。
→ 公交车规则：先各坐一排。
轨道方框图：泡利不相容（↑↓）与洪特规则（先单排）
💡 填充顺序速记：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p……注意 4s 在 3d 之前填充，但失电子时 4s 先失（如 Fe²⁺ 失 4s 的 2 个电子）。
2.3 · 电子构型示例 EXAMPLES
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写出
常见元素的电子构型
📊 前 20 号元素
H: 1s¹ He: 1s²
Li: 1s² 2s¹ C: 1s² 2s² 2p²
O: 1s² 2s² 2p⁴ Ne: 1s² 2s² 2p⁶
Na: [Ne] 3s¹ Cl: [Ne] 3s² 3p⁵
K: [Ar] 4s¹ Ca: [Ar] 4s²
Sc: [Ar] 3d¹ 4s²
[Ar] = 氩的核心（简写）。
⚠ 过渡金属例外
常见元素电子构型示例（含 Cr/Cu 半满全满例外）
Cr（24）：[Ar] 3d⁵ 4s¹（不是 3d⁴ 4s²！）
Cu（29）：[Ar] 3d¹⁰ 4s¹（不是 3d⁹ 4s²！）
→ 半满/全满更稳定。第四周期 d 区的两个经典例外。
💡 考点技巧：① 先写核心 [惰气]；② 按 4s→3d 顺序填；③ 第四周期 d 区中 Cr 和 Cu 是两个经典例外（半满/全满更稳定），必须记住；④ 离子的电子构型：先失 4s 再失 3d。
2.4 · 电离能 IONISATION ENERGY
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把电子
从原子中拽出来
⚡ 定义
第一电离能（1st IE）：从 1 mol 气态原子中各移除 1 个电子所需的最小能量。
X(g) → X⁺(g) + e⁻
单位：kJ/mol。总是吸热（正值）。
📈 周期性趋势
同一周期（→）：电离能增大（核电力增大，电子更难移除）。
同一族（↓）：电离能减小（电子离核更远，屏蔽更多）。
但有例外：Be→B（2p 开始）、N→O（2p 配对）。
💡 连续电离能（successive ionisation energy）的证据：电离能数据证明了电子分层排布——当从一个能层进入内层时，连续电离能会出现骤增（取对数后呈阶梯状）。这是电子构型理论的实验基础。
2.4b · 连续电离能 SUCCESSIVE IE
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连续电离能
证明电子分层
📈 阶梯骤增
逐个移除电子，第 n 电离能越来越大（电子越来越少、净吸引增强）。
关键：当进入更内层时，电离能出现骤增（大跳跃）。
→ 骤增的位置 = 电子能层的分界，这是壳层结构的直接实验证据。
🔍 由 IE 推电子构型
连续电离能取对数呈阶梯骤增，骤增点即能层分界
某元素 IE 在第 2→3 个电子之间骤增 → 它处于第 2 周期、最外层 2 个电子（如 Be 或 Mg，第 2 族）。
→ 反过来用连续 IE 跳跃点，可推断元素所属族。
💡 核心证据：log(电离能) 对"移除电子数"作图呈阶梯状，骤增点对应进入新能层——这是电子分层排布理论最直接的实验依据。
2.5 · 原子/离子半径 ATOMIC & IONIC RADIUS
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半径怎么
变大变小
📏 周期性趋势
同周期（→）：原子半径减小（核电荷↑、同层电子，吸引更强）。
同族（↓）：原子半径增大（电子层数增多）。
→ 与电离能趋势正好相反（半径小→抓电子紧→IE 大）。
⚖️ 离子 vs 母原子
阳离子（失电子）< 母原子（少一层电子、核电荷不变→更紧）。
阴离子（得电子）> 母原子（电子增多、排斥增大）。
例：Na(186 pm) > Na⁺(102)；Cl(99) < Cl⁻(181)。
💡 一句话：同周期半径↓、同族半径↑；阳离子比母原子小、阴离子比母原子大。半径与电离能趋势相反，常一起考。
考点速记 KEY POINTS
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CIE 必考
关键术语
⚛️ 原子
A=质子+中子；Z=质子数=电子数（中性原子）。
🔢 摩尔
1 mol = 6.02×10²³。n = m/Mr = V/24。
⚡ 电子排布
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d……。Cr: 3d⁵4s¹, Cu: 3d¹⁰4s¹。
📊 电离能
→增大，↓减小。例外：Be→B、N→O。
自测 SELF-TEST
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你能答出
这些吗？
① 基础题
写出 Fe（26）和 Fe²⁺ 的完整电子构型。
计算 ³⁵Cl(75%) 和 ³⁷Cl(25%) 的相对原子质量。
Cr 和 Cu 的电子构型为什么是例外？
② 应用题
某化合物含 C 40%、H 6.7%、O 53.3%，求经验式。
为什么第二电离能比第一电离能大？
解释 N→O 电离能下降的原因。
💡 答题技巧：① 电子构型一定要标亚层（1s²2s²2p⁶...）；② 摩尔计算写清单位；③ 电离能趋势用核电荷/屏蔽/距离三要素解释。
学习建议 STUDY TIPS
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怎么学
最有效
📚 记忆策略
① 填轨道图：画方框+箭头练习电子排布。
② 摩尔三角：n=m/Mr=V/24=N/Nₐ。
③ 例外清单：Cr、Cu 必须背。
✏️ 答题策略
① 显示步骤：摩尔计算不跳步。
② 有效数字：答案保留 3 位 sig fig。
③ 单位：每个数字都标单位。
💡 最核心：化学的第一步是理解原子。电子构型决定了元素的一切行为——键合、反应、周期性。把这一卷学透，后面会轻松很多。
下一站 NEXT
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CIE AS · 化学 2
化学键
Chemical Bonding
原子怎么连接成分子？离子键、共价键、金属键——下一卷深入化学键的世界。
~ 化学键 ~
生活中的原子 ATOMS AROUND US
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原子就在
你身边
🧅 切洋葱为什么哭？
洋葱细胞破裂释放蒜氨酸酶。
催化产生含硫挥发物（次磺酸→催泪因子）。
刺激泪腺 → 流泪。
→ 冷藏或先泡水可减缓反应。
🔧 铁为什么生锈？
铁较活泼，易失去电子被氧化（电化学腐蚀）。
4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃（再失水成铁锈 Fe₂O₃·xH₂O）。
本质是氧化反应，需 O₂ 和水同时存在。
→ 镀锌 / 涂漆隔绝水氧即可防锈。
💡 原子结构决定化学性质：金属易失电子→易被氧化（生锈）；电子排布的不同，造就了万物迥异的脾气。
原子的故事 FUN FACTS
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原子的
惊人事实
🌌 惊人数字
你身体里的每个氢原子都来自 138 亿年前的宇宙大爆炸。
碳和氧则诞生于恒星核聚变的炉膛。
一滴水中约有 10²¹ 个分子——比银河系恒星还多。
👨🔬 阿伏伽德罗
6.02×10²³ 这个数字比银河系恒星总数还多上亿倍。
阿伏伽德罗本人只提出假说，从未亲自测量。
真正的数值是后人用 X 射线衍射晶体才精确测定的。
💡 尺度感：1 mol 水约 18 g = 一小口水；而 1 mol 软糖平铺全中国，能盖出几厘米厚——化学把抽象数字接回了可感知的体量。
摩尔计算实战 MOLE CALC
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摩尔
实战练习
📝 例题 1 · 由质量求粒子数
CaCO₃ 的 Mr = 40+12+48 = 100。
5 g CaCO₃ → n = m/Mr = 5/100 = 0.05 mol。
分子数 N = n×Nₐ = 0.05×6.02×10²³ ≈ 3.01×10²² 个。
📝 例题 2 · 由质量求气体体积
8 g O₂ → n = 8/32 = 0.25 mol。
RTP 下 V = n×24 = 0.25×24 = 6 dm³。
→ 同样 0.25 mol 的任何气体，体积都是 6 dm³。
💡 万能公式：n = m/Mr = V/24 = N/Nₐ。先求 n（摩尔数），再换算到题目要的量，永远不会乱。
燃烧分析与气体 FORMULA & GAS
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从燃烧产物
推化学式
🔥 燃烧分析例题
0.10 mol 某烃完全燃烧，生成 0.30 mol CO₂ 和 0.40 mol H₂O。
→ C：0.30 mol；H：0.40×2 = 0.80 mol。
原子比 C:H = 0.30:0.80 = 3:8 → 经验式 C₃H₈。
→ 欲定分子式还需分子量（如 Mr=44 → 即为 C₃H₈ 丙烷）。
💨 气体摩尔体积
STP（0°C，旧 1 atm）：1 mol ≈ 22.4 dm³。
RTP（约 20°C，1 atm）：1 mol ≈ 24 dm³。
→ CIE 9701 默认用 24 dm³（RTP），除非题目另给条件。
💡 记忆：经验式 = 最简整数比；分子式 = 经验式 × n（n 由分子量决定）。CIE 默认 RTP 用 24 dm³。
结语 END
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原子结构
完成！
💡 总结：万物由原子构成，原子由质子/中子/电子组成。电子的排布方式（s/p/d 轨道）决定了元素的化学性质——这就是周期表的秘密。
参考 REFERENCES
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参考来源
📚 教材
Cambridge International AS & A Level Chemistry Coursebook · Lawrie Ryan & Roger Norris · CIE 9701