2019-2020年高一化學(xué) 第一冊(cè) 第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律 第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)(備課資料)大綱人教版.doc

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2019-2020年高一化學(xué) 第一冊(cè) 第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律 第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)(備課資料)大綱人教版 1.“中子不帶電，電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷”的說(shuō)法正確嗎？ 在20世紀(jì)50年代前，科學(xué)界普遍認(rèn)為“中子是不帶電的粒子”，但近年來(lái)科學(xué)家通過(guò)高能物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中子并不是完全不帶電荷，而是其所帶負(fù)電荷與正電荷的電量相等，電性相反，剛好抵消，所以中子呈電中性。中子不帶電的說(shuō)法不科學(xué)。 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)不僅有帶負(fù)電荷的負(fù)電子，還有帶正電荷的正電子。負(fù)電子和正電子的質(zhì)量相等，所帶的電荷量也相等，但電性恰好相反。所以，我們所說(shuō)的電子實(shí)際上是負(fù)電子，因此“電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷”的說(shuō)法應(yīng)該改成“帶一個(gè)負(fù)電荷的電子”。 2.探索原子世界 世界萬(wàn)物是由什么組成的？ 古希臘學(xué)者認(rèn)為，土、氣、火、水這四種元素是萬(wàn)物組成的本源，這叫“元素說(shuō)”。 對(duì)“元素說(shuō)”持不同意見(jiàn)的古希臘學(xué)者德謨克利特認(rèn)為，宇宙萬(wàn)物只有一種起源，那是一種極微小的顆粒，它小到不能再分割了，德謨克利特給它取了個(gè)名字——原子（這個(gè)名字的希臘原文意即不可再分割）。 于是“原子論”與“元素說(shuō)”展開(kāi)了一場(chǎng)大辯論，辯論的結(jié)果是元素說(shuō)勝利了。 原子論為什么會(huì)失敗呢？說(shuō)來(lái)也不奇怪，水、火、土、木這些元素即使在古代都是隨處可見(jiàn)的，人們看得見(jiàn)、摸得著。然而，原子是什么東西呢？有誰(shuí)看到過(guò)原子嗎？相比之下，元素說(shuō)比原子論更直觀(guān)、更實(shí)在，因此，在“世界是由什么組成的”這樣一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題的爭(zhēng)論中，元素說(shuō)占了上風(fēng)，而且統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界達(dá)xx年之久。 18世紀(jì)中葉，化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水可以分解為氫和氧，而且，人們從不同的“土”（礦石）中煉出銅、鐵、金、銀等許多金屬。由此看來(lái)，古希臘學(xué)者提出的4種元素都不是最簡(jiǎn)單的東西。 隨著發(fā)現(xiàn)的元素越來(lái)越多，一個(gè)問(wèn)題很自然地被提出來(lái)了：這么多元素是不是由更簡(jiǎn)單的東西所組成的？攻克這個(gè)難題的是英國(guó)化學(xué)家道爾頓。 道爾頓在研究中發(fā)現(xiàn)了倍比定律，并在此基礎(chǔ)上提出了原子論： （1）一切物質(zhì)都是由不可見(jiàn)的、不可再分割的原子組成。原子不能自生自滅。 （2）同種類(lèi)的原子在質(zhì)量、形狀和性質(zhì)上都完全相同，不同種類(lèi)的原子則不同。 （3）每一種物質(zhì)都是由它自己的原子組成的。單質(zhì)是由簡(jiǎn)單原子組成的，化合物是由復(fù)雜原子組成的（即我們現(xiàn)在所說(shuō)的分子），而復(fù)雜原子又是由為數(shù)不多的簡(jiǎn)單原子所組成。復(fù)雜原子的質(zhì)量等于組成它的簡(jiǎn)單原子的質(zhì)量的總和。 在道爾頓的原子學(xué)說(shuō)中，原子是元素的最小單元，它們是不可再分割的。原子真的是不可再分割的微小粒子嗎？這個(gè)觀(guān)點(diǎn)在19世紀(jì)末受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。 19世紀(jì)末生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，已有可能借助于實(shí)驗(yàn)觀(guān)察電子的行蹤。1896年劍橋大學(xué)著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室年輕有為的主任湯姆生用一只特制的陰極射線(xiàn)管進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物理學(xué)知識(shí)算出了電子的荷質(zhì)比（電子所帶電荷的量e與它的質(zhì)量m的比值e/m），并推算出電子的質(zhì)量應(yīng)是氫原子質(zhì)量的1/1836。由此，湯姆生揭開(kāi)了原子世界神秘的面紗。他本人也因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)電子而榮獲1906年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 湯姆生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)借鑒了別的科學(xué)家的研究成果，給原子世界描繪了這樣一幅圖像：原子里充滿(mǎn)了帶正電的液體，電子都浸在這種“正電液”中，就像葡萄干點(diǎn)綴在一個(gè)蛋糕里。電子所帶負(fù)電荷的總和與“正電液”所帶正電荷的總和，在數(shù)值上相等，所以原子從外面看上去是中性的。 誰(shuí)也不曾想到，湯姆生提出的如此美妙的“葡萄干蛋糕原子模型”，會(huì)在10多年后被他的學(xué)生盧瑟福所推翻。 盧瑟福是來(lái)自距離英國(guó)萬(wàn)里之遙的新西蘭的留學(xué)生，他進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室后跟隨湯姆生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)，由于他勤奮好學(xué)、刻苦鉆研，很快就做出了驕人的成績(jī)。 當(dāng)時(shí)，已有法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)原子有放射性的消息。盧瑟福和其他人經(jīng)過(guò)共同努力，終于搞清楚從鈾、鐳、釙等放射性元素的原子里放射出來(lái)的射線(xiàn)至少有三種——α、β、γ射線(xiàn)。 盧瑟福對(duì)α射線(xiàn)特別感興趣。他經(jīng)過(guò)深入研究α射線(xiàn)的特點(diǎn)后，萌生了將α粒子當(dāng)作“炮彈”，把它們射進(jìn)難以攻破的原子“堡壘”中去刺探情況的想法。于是，他進(jìn)行了著名的散射實(shí)驗(yàn)，即用α粒子去轟擊金箔。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，促使他重新提出了一個(gè)新的原子模型：原子中有一個(gè)很重的核心（叫“原子核”），它集中了原子質(zhì)量的99%，還集中了全部正電荷；至于電子，則像太陽(yáng)系的行星一樣分布在核心四周繞著它轉(zhuǎn)。人們把盧瑟福的原子模型稱(chēng)為“行星模型”。 盧瑟福的原子模型與當(dāng)時(shí)的電磁場(chǎng)理論發(fā)生了矛盾。怎樣解決這個(gè)矛盾，一直是當(dāng)時(shí)的人們所探索的。 1911年，盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室里來(lái)了一位丹麥的青年物理學(xué)家，他叫玻爾。玻爾原先跟隨湯姆生研究金屬中的電子理論，后來(lái)卻一頭扎進(jìn)原子模型中去了。 玻爾選擇了最簡(jiǎn)單的原子——?dú)湓幼鳛樗难芯繉?duì)象，他想構(gòu)建一個(gè)新的原子模型。他研究了氫原子的光譜線(xiàn)，并作了兩個(gè)全新的假設(shè)。 ①氫原子中的電子在繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)，只能在一些特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，不能在其他軌道上運(yùn)動(dòng)。電子在每個(gè)穩(wěn)定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子具有一定的能量，電子在不同的穩(wěn)定軌道上運(yùn)動(dòng)原子就具有不同的能量。以氫原子為例，當(dāng)電子在最里面（即半徑最?。┑能壍郎线\(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原子的能量最低。我們把這個(gè)起點(diǎn)的能量值計(jì)作零。當(dāng)電子在第二個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)氫原子的能量就是10.29電子伏，當(dāng)電子在第三、四、五、……條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原子所具有的能量值分別為12.09電子伏、12.75電子伏、13.06電子伏……。這些不連續(xù)的能量值組成了一系列“能級(jí)”。 ②當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，它將發(fā)射出一定波長(zhǎng)的光，這種光輻射的能量恰好等于這兩個(gè)能級(jí)的能量差。再經(jīng)過(guò)換算就能對(duì)應(yīng)某一條氫原子光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)。 利用這兩個(gè)假設(shè)，玻爾解開(kāi)了氫原子的光譜線(xiàn)之謎，成了舉世聞名的原子物理學(xué)權(quán)威，并榮獲1922年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 玻爾的理論雖然取得了巨大的成功，但也有不盡人意的地方。特別是他硬性規(guī)定電子只能在一些軌道上運(yùn)動(dòng)，不能在其他軌道上運(yùn)動(dòng)，顯得毫無(wú)道理。 奧地利物理學(xué)家薛定諤決心尋找新的規(guī)律。他從法國(guó)青年歷史學(xué)家、后來(lái)改行學(xué)物理的德布羅意的思想中得到啟發(fā)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的冥思苦想，終于找到一個(gè)新的方程式。它深刻地反映出原子世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，后來(lái)人們把它稱(chēng)為“薛定諤方程”。 有了薛定諤方程，電子的運(yùn)動(dòng)行為得到了合理的解釋。電子并不是只能呆在某些軌道上，而別的地方不能去。在薛定諤方程中，電子能呆在原子世界內(nèi)的任何地方，只是它們出現(xiàn)在玻爾所說(shuō)的軌道上的可能性大得多。這樣一來(lái)，電子不像繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，而是像環(huán)繞在高山頂尖四周的一片云彩了。“電子云”較稠密的地方，就是電子較容易出現(xiàn)的地方；反之，“電子云”很稀薄的地方，就是電子很少光顧的地方。 經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家近半個(gè)世紀(jì)的努力，人們終于看清楚原子世界的真相了。在這個(gè)神秘的微觀(guān)世界里，占統(tǒng)治地位的是帶正電的原子核。它占了原子質(zhì)量的99%以上，卻只占有原子體積的萬(wàn)分之一還不到，可見(jiàn)原子里面是多么“空曠”。帶負(fù)電的輕巧的電子就在這個(gè)黑洞洞的空間里運(yùn)動(dòng)。它們是那樣的“循規(guī)蹈距”，從不去占據(jù)別人的位置，更不會(huì)跨越原子王國(guó)的“雷池”一步。 對(duì)原子世界的探索大大豐富了人類(lèi)的知識(shí)寶庫(kù)，也把物理學(xué)推向“量子力學(xué)”（薛定諤方程就是它的重要基礎(chǔ)）的新階段。 ③電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。1個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于它所處的電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀態(tài)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)還告訴我們，在1個(gè)原子里，2個(gè)電子的：電子層、電子亞層、軌道的空間伸展方向和自旋狀態(tài)完全相同是不可能的。這個(gè)原理叫泡利不相容原理。根據(jù)這個(gè)原理，可以知道每一軌道中只能容納2個(gè)自旋方向相反的電子，并可進(jìn)一步推算出每個(gè)電子層中最多可容納的電子數(shù)是2n2。 核外電子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則。能量最低原理就是在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡先占有能量最低的軌道，只有當(dāng)能量最低的軌道占滿(mǎn)后，電子才依次進(jìn)入能量較高的軌道，也就是盡可能使體系能量最低。洪特規(guī)則是在等價(jià)軌道（相同電子層、電子亞層上的各個(gè)軌道）上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同。后來(lái)量子力學(xué)證明：電子這樣排布可使能量最低。所以洪特規(guī)則可以包括在能量最低原理中，作為能量最低原理的一個(gè)補(bǔ)充。 ●綜合能力訓(xùn)練題 1.某金屬氧化物的化學(xué)式為M2O3，一個(gè)分子的電子總數(shù)為50，每個(gè)M離子含10個(gè)電子，若其中每個(gè)氧原子核內(nèi)部有8個(gè)中子，M2O3的相對(duì)分子質(zhì)量為102，則M原子核內(nèi)的中子數(shù)為 A.14 B.16 C.10 D.21 解析：本題涉及質(zhì)子、中子、質(zhì)量數(shù)和相對(duì)分子質(zhì)量等有關(guān)知識(shí)，解題的主要依據(jù)是原子組成中的電荷關(guān)系和質(zhì)量關(guān)系。 M2O3中M的化合價(jià)為+3，其離子為M3+，由于每個(gè)M離子具有10個(gè)電子，故M原子中含13個(gè)電子。設(shè)M原子核內(nèi)中子數(shù)為x，則有質(zhì)量數(shù)102=（13+x)×2+16×3，x=14。 答案：A 2.有兩種氣態(tài)單質(zhì)Am和Bn，已知2.4 g Am和2.1 g Bn所含的原子個(gè)數(shù)相等，而分子數(shù)之比為2∶3。A和B的原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)都等于中子數(shù)，A原子L層電子數(shù)是K層電子數(shù)的3倍。 （1）A、B的元素符號(hào)分別是什么？ （2）Am中的m值是幾？ 解析：本題涉及質(zhì)量、物質(zhì)的量、摩爾質(zhì)量及粒子個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，另有原子結(jié)構(gòu)及原子核外電子排布的知識(shí)。由于涉及知識(shí)較多，解題時(shí)須做到思路清晰，心中有數(shù)。 由題意可知，A為氧元素，Am為氧的單質(zhì)。設(shè)B的相對(duì)原子質(zhì)量為b，則有： ·m=·n（原子個(gè)數(shù)相等） b=14 B的質(zhì)子數(shù)為14/2=7，即B為氮元素。 由分子數(shù)比為2∶3得： ∶=2∶3 n∶m=2∶3 即Bn為N2，Am為O3。 答案：（1）A、B的元素符號(hào)分別為O和N。 （2）Am中的m值為3。 3.有相對(duì)原子質(zhì)量均大于10的A、B兩元素形成的兩種化合物X和Y，已知等物質(zhì)的量的X和Y的混合物的密度是相同條件下氫氣的18.5倍，其中X和Y的質(zhì)量比為3∶4.4。經(jīng)測(cè)定X的組成為AB，Y的組成為AnB，試通過(guò)計(jì)算確定A、B兩元素的名稱(chēng)。 解析：本題涉及混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算以及物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與質(zhì)量、物質(zhì)的量的關(guān)系。 由題可知，X和Y的平均相對(duì)分子質(zhì)量為 18.5×2=37 =37 且= 解得：M（X)=30 M(Y)=44。 又因?yàn)锳、B兩元素的相對(duì)原子質(zhì)量均大于10，X的組成為AB，且由計(jì)算所知其相對(duì)分子質(zhì)量為30，可推得X為一氧化氮。同理，由Y的組成為AnB，相對(duì)分子質(zhì)量為44，可推知Y為一氧化二氮。 答案：A為氮 B為氧