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？
~ 原子的内部世界 ~
万物
由原子构成
原子核（质子+中子）+ 电子云。99.9999% 是空的。
→ 物质的本质
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
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。
原子
大部分是空的
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。
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。
💡 记忆：原子序数 Z = 质子数；质量数 A = 质子数 + 中子数。符号写法：ᴬᶻX（如 ¹²₆C 表示碳-12，6 个质子 6 个中子）。
同一元素
不同的体重
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。
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
💡 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）。
化学家的
计数单位
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。
物质的量 (mol) = 质量 (g) / 摩尔质量 (g/mol)
n = m / Mr
气体摩尔体积（STP）：1 mol 气体 = 24 dm³（室温常压）。
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）/ 24 = N（粒子数）/ Nₐ。会背这个三角，摩尔计算就解决了大半。
怎么从
实验数据推化学式
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。
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。
电子
住在哪里？
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……
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（↑↓）。
电子怎么
排座位
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！
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。
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。
💡 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）。
写出
常见元素的电子构型
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）。
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。这是 CIE 必考例外。
💡 考点技巧：① 先写核心 [惰气]；② 按 4s→3d 顺序填；③ Cr 和 Cu 是唯二例外，必须记住；④ 离子的电子构型：先失 4s 再失 3d。
把电子
从原子中拽出来
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）。
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）。
💡 成功电离能的证据：电离能数据证明了电子分层排布——当从一层进入下一层时，电离能骤增。这是电子构型理论的实验基础。
CIE 必考
关键术语
A=质子+中子；Z=质子数=电子数（中性原子）。
1 mol = 6.02×10²³。n = m/Mr = V/24。
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d……。Cr: 3d⁵4s¹, Cu: 3d¹⁰4s¹。
→增大，↓减小。例外：Be→B、N→O。
你能答出
这些吗？
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？
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。
怎么学
最有效
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。
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。
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 ~
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。
参考来源
Cambridge International AS & A Level Chemistry Coursebook · Lawrie Ryan & Roger Norris · CIE 9701