A-level 化學/AQA/模組 1/原子結構

原子

希臘哲學家德謨克利特認為，所有物質都是由小的不可分割的粒子組成的，他稱之為原子。原子這個詞來源於希臘語 a，意思是“不”或“沒有”，以及 tom，意思是“切割”。因此，原子這個詞的意思是：不可切割。他理論化，如果一個人把一塊乳酪切成兩半，然後再次切成兩半，再切成兩半，等等，那麼最終就會得到一塊無法再分割的乳酪。這就是他的單個原子。

我們現在知道，原子是物質的最小部分，它保持自身的特性，儘管原子本身可以被細分。換句話說，一旦我們開始觀察原子的內部，我們就不再能確定這個原子屬於哪種元素。

原子本身包含一箇中心的原子核，大部分質量集中在這裡，電子圍繞著這個原子核的外部執行。這個中心的原子核由質子和中子組成。這三種粒子的性質如下表所示。

粒子	相對電荷	相對質量	絕對電荷	絕對質量
質子	+1	1	$1.60\times 10^{-19}$	$1.67\times 10^{-27}$
中子	0	1	0	$1.67\times 10^{-27}$
電子	-1	0（可忽略，或約為 ${\frac {1}{1800}}$)	$-1.60\times 10^{-19}$	$9.11\times 10^{-31}$

在中性原子或元素原子中，質子和電子的數量相等。這使得原子沒有淨電荷。

原子序數和質量數

我們可以從原子的原子核中獲得兩條有用的資訊。第一個是原子序數。這使我們能夠識別原子是哪種元素。原子序數通常用字母 Z 表示，是原子核中質子的數量。正是它將元素放在元素週期表中。

第二個是質量數。它等於質子的數量加上中子的數量（記住，電子的質量可以忽略不計）。它用符號 A 表示。因此，原子中中子的數量等於質量數（A）減去原子序數（Z）。

同位素

有時，原子的質子數表明它是一種特定元素，但它的質量數與該元素的其他原子不同。具有相同質子數但質量數不同的原子被稱為該元素的同位素。質量數的差異是由原子核中存在額外或更少的中子造成的。

由於質子（因此電子）的數量相同，這些物質的化學性質與標準元素的化學性質相同。物理性質（熔點/沸點等）確實會發生變化。

我們通常用元素名稱後跟質量數來指代同位素。例如，質量數為 12（6 個質子和 6 箇中子）的碳原子被稱為碳-12。它用以下方式表示：${}_{6}^{12}\!C$

碳-14 是最有用的同位素之一。它是原子${}_{6}^{14}\!C$。它是放射性的，可以用來確定有機物質的年代，可以追溯到 60,000 年前！其他同位素在醫學上用作示蹤劑，以確定體內任何阻塞的位置。

質譜法

質譜法是一種用來確定樣品中各種同位素的相對丰度的技術。它可以分為四個階段。

1. **汽化和電離** 將待分析的樣品引入真空室。樣品被汽化。如果接下來的步驟要成功，這一點至關重要。真空非常重要，因為要發射到樣品上的電子必須有一個“暢通無阻”的路徑。如果不在真空狀態下，它們就會與空氣分子發生碰撞。

現在對樣品進行電離。為此，使用電子槍。本質上，它是一種向樣品發射高能電子的裝置。這些電子將樣品中的電子撞出軌道，使其電離。樣品中的粒子現在帶正電，如下所示。

$X_{(g)}\to X_{(g)}^{+}+e_{(g)}^{-}$

$He_{(g)}\to He_{(g)}^{+}+e_{(g)}^{-}$

這兩個方程展示了第一次電離階段。然而，離子也有可能被第二個電子電離。這不太可能，因為第二次電離比第一次電離高得多，不太可能達到。這個罕見的事件由這個方程表示

$X_{(g)}^{+}\to X_{(g)}^{2+}+e_{(g)}^{-}$

2. **加速**

由於相反的電荷相互吸引，我們可以使用電場來移動粒子。這些粒子帶正電（電子已被移除），因此我們使用帶負電的電極板來加速粒子穿過機器。

3. **偏轉**

我們現在使用電磁鐵來偏轉粒子。當粒子加速穿過磁場時，它們會改變方向。質荷比（m/z）大的粒子偏轉量小，而質荷比小的粒子偏轉量大。這將不同質荷比的離子分離。

4. **檢測**

樣品中的各種物質現在已經分離。粒子加速進入檢測板。由於它們帶電，在撞擊檢測板時會產生微弱的電流。記錄下這種電流。檢測時磁場的相對強度可以用來計算檢測到的離子的 m/z 值。這使我們能夠確定樣品的組成離子。然而，無法區分具有相同 m/z 值的離子，因為它們將被相同地偏轉！

此頁面提供有關質譜的更多資訊：http://www.chemguide.co.uk/analysis/masspec/howitworks.html#top.

相對質量

以下兩個定義需要在模組一中學習，儘管它們一開始可能看起來很深奧。

相對原子質量 ($A_{r}$)

$A_{r}={\frac {{\mbox{Mean Mass of One Atom}}\times 12}{{\mbox{Mass of One Atom of }}{}_{6}^{12}\!C}}$

這可以透過將每個峰的 m/z 值乘以其相對丰度來從樣品的質譜中計算出來。然後將此總和除以總相對丰度。以下是硼的質譜示例，其中兩個峰分別代表 ${}^{10}\!B$ 和 ${}^{11}\!B$。

${\frac {(19.9\times 10)+(80.1\times 11)}{100}}=10.8$

這也可以從表格中的資料計算出來，如鉛的例子所示。

m/z	相對丰度
204	1.55
206	23.6
207	22.6
208	52.3

(這裡需要注意的是，相對丰度加起來是 100.05，而不是 100。)

${\frac {(1.55\times 204)+(23.6\times 206)+(22.6\times 207)+(52.3\times 208)}{100.05}}=207.24$

相對分子質量 ($M_{r}$)

$M_{r}={\frac {{\mbox{Mean Mass of One Molecule}}\times 12}{{\mbox{Mass of One Atom of }}{}_{6}^{12}\!C}}$

這可以透過從質譜中獲取最右側峰的 m/z 值來計算，例如，氨的例子如下所示。

電子構型

在 GCSE 水平上，電子被呈現為圍繞原子核執行的點狀實體，第一個軌道可以容納兩個電子，第二個可以容納八個電子，第三個可以容納十八個電子。我們現在知道這並不完全準確，在 A 級需要一個更復雜的模型。

我們認為電子軌道位於主能級內的亞能級。每個亞能級能夠容納一個形狀的軌道，用字母 s、p、d 和 f 表示。亞能級本身通常用它們可以容納的軌道型別的字母來表示。例如，你不會說第四主能級的第三個亞能級，而是會說第四能級的 d 亞能級。

在下表中，你可以看到第三主能級的第三個亞能級 (d) 可以包含 5 個 d 型軌道。由於每個軌道最多可以容納 2 個電子，這意味著這個亞能級可以容納 10 個電子。

主能級	亞能級	電子
n=1	→ 1 個 s 型軌道	2
能級中的最大電子數		2
n=2	→ 1 個 s 型軌道	2
	→ 3 個 p 型軌道	6
能級中的最大電子數		8
n=3	→ 1 個 s 型軌道	2
	→ 3 個 p 型軌道	6
	→ 5 個 d 型軌道	10
能級中的最大電子數		18
n=4	→ 1 個 s 型軌道	2
	→ 3 個 p 型軌道	6
	→ 5 個 d 型軌道	10
	→ 7 個 f 型軌道	14
能級中的最大電子數		32

如表所示，每種型別的亞能級中的最大軌道數與其型別有關。一個 “s” 亞能級只能包含一個軌道 (2 個電子)，一個 “p” 亞能級最多可以包含 3 個軌道 (6 個電子)；一個 “d” 最多可以包含 5 個軌道 (10 個電子)；一個 “f” 最多可以包含 7 個 (14 個電子)。

每個主能級的容量是其亞能級容量的總和。你可以看到，主能級的容量等同於 GCSE 電子殼層模型的更簡單模型。

有一些規則需要了解這些軌道的填充方式。

1. 軌道按表格的順序從上到下填充。這是按能量升序排列的；也就是說，每個連續的能級（表格中越往下）比前一個能級具有更高的能量。
2. 每個軌道必須在電子被放入下一個軌道之前被填滿。例如，一個原子必須 *始終* 在其 1s 亞能級中有兩個電子，然後才能將任何電子放入 2s 軌道。

對於 AQA A 級化學，你需要能夠填充到 4s 能級的能級圖。