IB 化學/原子理論
2.1 核原子
2.1.1 : 質子和中子構成原子核，電子在電子層中繞原子核執行。
2.1.2 : 質子 -- 質量 = 1 amu，電荷 = +1 .. 中子 -- 質量 = 1 amu，電荷 = 0 .. 電子 -- 質量 = 1/1840 amu（通常可以忽略），電荷 = -1
.png)
|
| 鋰原子的簡單模型。 未按比例縮放！ |
原子由原子核和繞原子核執行的電子組成。
原子核由帶正電荷的質子和中子組成，中子不帶電，但質量與質子大致相同。
電子帶負電荷，並以極快的速度繞原子核執行。到目前為止，它們似乎不包含更小的粒子：它們是基本粒子。它們極其微小，事實上微小到沒有人能夠檢測到它們的尺寸。它們也非常輕，遠遠輕於質子或中子。因此，電子的重量不計入原子序數。
原子在自然狀態下不帶電，它所含的電子數量與質子數量相同。如果它獲得或失去電子，原子就會帶電，然後被稱為離子。原子中質子的數量決定了它的化學性質（例如氫、金、氬等）。質子不會在化學反應中獲得或失去，而只能在高能核反應中獲得或失去。
2.1.3 : 質量數 (A) -- 質子數量 + 中子數量。原子序數 (Z) -- 質子數量。同位素 -- 原子序數相同但質量數不同的原子（即中子數量不同）
2.1.4 XAz... A = 質量數，Z = 原子序數，X = 原子符號。
2.1.5 : 同位素在物理性質（質量/密度）和放射性方面可能有所不同，但化學性質通常不會不同。
2.1.6 : 原子質量是每個同位素的原子質量（同位素質量）乘以該同位素的相對丰度得出的平均值。結果是非整數原子質量。
2.1.7 : 原子序數 = 質子數量（或電子數量 - 離子電荷），質量數 - 原子序數 = 中子數量。
2.2 電子排布
2.2.1 : 連續光譜連續地穿過紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。線狀光譜只包含該光譜中的一些獨立的譜線。
2.2.2 : 電子被激發（通常透過使電流流過它們）。這會導致電子“躍遷”到更高的電子層（X -> X*），這種狀態只是暫時的，然而，電子會回到其基態。這種變化（當電子從高能級回到低能級時）會降低電子的能量，而這種能量會以光子的形式釋放出來。如果這種光子落在可見光譜中，它就會產生可見光譜。當電子離原子核越來越遠時，電子層在空間和能量方面越來越靠近，因此譜線在光譜的末端匯聚。
電子既表現為粒子，也表現為波。
觀察結果之一是電子不能以任何他們想要的能量繞軌道執行。想想吉他弦上的駐波。只有整數量的半波長才能在弦上形成駐波，原子層也是如此。由於能量取決於波長，這意味著原子中電子的能量（束縛電子）是量子化的。這意味著能量僅限於某些不同的值，每個層對應一個值，不允許有中間值。
2.2.3 : 主要電子能級依次為：2、8、18 等... 2n + 2 用於 n0、n1 和 n2...
2.2.4 : 電子從左側新增... 每個層填充完畢後，移動到下一個層... 2、8、18... 只需要到 Z = 20。
主題 12 是主題 2 的 HL 附加材料。
不僅僅是能量是量子化的，電子可以具有的其他性質也被分成不同的單元，沒有中間值。角動量是量子化的，自旋是量子化的，你所選擇的任何方向的角動量分量是量子化的。實際上，有一整套規則決定了這些性質的每個值可以取的值。
每個不同的層細分為一個或多個軌道，每個軌道都有不同的角動量。軌道中的每個層都有一個特徵形狀，並用字母命名。它們是：s、p、d 和f。
在一個電子原子（例如 H、He+、Li++ 等）中，特定層內每個軌道的能量都是相同的。但是，當存在多個電子時，它們會相互作用並使軌道分裂成略微不同的能量。在任何特定層內，軌道的能量取決於角動量，s 軌道具有最低能量，然後是 p，然後是 d，依此類推。
原子中最簡單的軌道是 1s 軌道。1s 軌道只是一個球形的電子雲。
每個電子層只有一個 s 軌道。s 軌道可以容納兩個電子，只要它們自旋量子數不同。
所有 2p 原子軌道的簡化影像。
從第二電子層開始，有一組 p 軌道。被限制在 p 軌道中的電子的角動量量子數為 1，因此每個軌道都具有一個角節點。磁量子數有 3 個選擇，這表明 3 個方向不同的 p 軌道。最後，每個軌道可以容納兩個電子（自旋相反），使 p 軌道總共可以容納 6 個電子。
p 軌道都有兩個電子雲沿每個軸指向。每個軌道沿其軸線對稱。p 軌道的符號表示它指向哪個軸，例如 px 指向 x 軸，py 指向 y 軸，pz 指向 z 軸。p 軌道是簡併的，它們具有相同的能量。p 軌道經常參與成鍵。
| 2px | 2py | 2pz |
|---|---|---|
|
|
第一組 d 軌道是 3d 軌道。磁量子數有 5 個選擇，這產生了 5 個不同的 d 軌道。每個軌道可以容納兩個電子（自旋相反），使 d 軌道總共可以容納 10 個電子。
請注意，在 IB 考試中，你只需要瞭解 s 和 p 軌道的形狀。
在大多數情況下，d 軌道是簡併的，但在某些情況下，它們會分裂，eg 和 t2g 子集具有不同的能量。晶體場理論預測並解釋了這一點。d 軌道有時參與成鍵，特別是在無機化學中。
參見 NEUSS，P6-7 TOK：原子模型在不同知識領域有何意義？科學家創造的模型和理論是對自然世界的準確描述，還是主要用於預測、解釋和控制自然世界的有用解釋？
這裡是一個典型的原子，氦
TOK：這些粒子都不能（或將不會）被直接觀察到。我們使用哪些認識方式來解釋透過使用技術獲得的間接證據？我們相信或知道它們的存在嗎？
公認的值是
| 相對質量 | 電荷 | |
| 質子 | 1 | +1 |
| 中子 | 1 | 0 |
| 電子 | 1/1840 | -1 |
原子的質量是由其核子（質子和中子）決定的。
原子是電中性的，因為它具有相同數量的質子和電子。 電子和質子.
化學（基本上所有化學反應）僅僅是由於電子的行為。
原子的原子序數是質子的數量。
原子的質量數是核子的數量（質子的數量 + 中子的數量）。
原子序數定義了我們正在談論的元素。具有 16 個質子的元素將是“硫”。
應使用以下符號 AZX，例如 126C
給出以下同位素的符號
| 碳-13 | 鈾-235 | 鍶-90 | 磷-32 |
| 136C | 23592U | 9038Sr | 3215P |
同位素具有相同的化學性質，但具有不同的物理性質。
“重水”（21H2O 或 D2O）具有以下性質
沸點：在標準壓力下為 101.42 °C。
冰點：在標準壓力下為 3.81 °C。
相對密度：在 STP 條件下為 1107 g dm-3。
氫-3（“氚”，T）是放射性的，半衰期為 12.32 年。
碳-14 是放射性的，半衰期為 5730 年。
CO2 的密度通常為 1.83 g dm-3，但如果用碳-14 製成，則其密度將為 1.92 g dm-3。
氯-35 氣體的密度在標準條件下為 2.92 g dm-3，而氯-37 氣體的密度為 3.08 g dm-3。
生物不斷積累碳-14，但該同位素會以 5730 年的半衰期衰變。
死亡後，積累停止，但衰變仍在繼續，因此碳-14 與碳-12 的比率可用於計算死亡發生的時間。
這可以用來對考古遺址中的有機材料進行年代測定。
鈷-60 會發射伽馬射線，可以將其照射到腫瘤上，試圖殺死其癌細胞。全身照射可用於在嘗試移植之前破壞骨髓。
甲狀腺是人體唯一積累碘的器官，因此碘的同位素可用於研究甲狀腺疾病。將碘-131 或碘-125 以非常低的劑量給予患者，輻射模式可以揭示腫瘤或其他異常生長。更高劑量的碘放射性同位素可以用作甲狀腺癌的治療方法。
完成下表
| 符號 | 質子 | 中子 | 電子 |
|---|---|---|---|
| 115B | 5 | 6 | 5 |
| 6329Cu+2 | 29 | 34 | 27 |
| 20782Pb+2 | 82 | 125 | 80 |
| 3717Cl- | 17 | 20 | 18 |
| 19779Au+3 | 79 | 118 | 76 |
質譜儀的示意圖。
透過改變磁場強度，不同質量的離子可以被聚焦到探測器上。透過這種方式，可以確定從樣品中產生的不同質量離子的相對丰度。這被稱為質譜圖。通常電子轟擊被調整以產生只有單電荷的離子。任何雙電荷離子將比單電荷離子偏轉更多，並且實際上會以相同的方式表現為質量為一半的單電荷離子。這就是 x 軸被標記為 m/z 的原因，其中 m 是物質的相對質量，z 是其相對電荷。例如，硫-32（2+）將在 m/z=16 處被觀測到。
許多元素的相對原子質量不是整數。這是因為它們是同位素的混合物。每種同位素都有一個摩爾質量，該摩爾質量（幾乎）是整數，例如氯-35 的摩爾質量為 35.0 g mol-1，氯-37 的摩爾質量為 37.0 g mol-1。
氯是 24% 氯-37 和 76% 氯-35 的混合物。
因此，摩爾質量為：37 x 0.24 + 35 x 0.76 = 35.48
秘密資訊：碳-12 是唯一摩爾質量為精確整數的同位素。其他同位素的摩爾質量幾乎是，但並不完全是整數。IB 不需要你瞭解這一點 - 但它解釋了為什麼你計算出的值並不總是與你的資料手冊中的值相匹配。
這是汞的質譜圖。我們可以從該光譜中找到兩種型別的資訊
汞有六種同位素
汞-202 是最常見的同位素
汞的摩爾質量實際上是其同位素摩爾質量的平均值。從表中我們可以讀出這些值
| 同位素 | 訊號強度 |
|---|---|
| 198 | 33.8% |
| 199 | 56.4% |
| 200 | 77.5% |
| 201 | 44.3% |
| 202 | 100% |
| 204 | 23.0% |
請注意，“%”不代表“所有汞離子的百分比”。它代表“最強訊號的百分比”。總“百分比”為 335%。
要找到平均值，我們將“%”視為摩爾
33.8 摩爾汞-198 的質量為 6692.4 克
| 同位素的摩爾質量 (g mol-1) |
物質的量 (mol) | 質量 (g) |
|---|---|---|
| 198 | 33.8 | 6692.4 |
| 199 | 56.4 | 11223.6 |
| 200 | 77.5 | 15500 |
| 201 | 44.3 | 8904.3 |
| 202 | 100 | 20200 |
| 204 | 23.0 | 4692 |
| 總計 | 335.0 mol | 67212.3 g |
所以我們得到了平均汞原子的摩爾質量：= 200.6 g mol-1
課堂練習 1. 銅有兩種穩定的同位素
同位素 丰度 (%) 63Cu 69.1 65Cu 30.9 計算銅的摩爾質量。
2. 溴有兩種同位素，79Br 和 81Br。查閱溴的摩爾質量。兩種同位素的比例是多少？
3. 硼有兩種同位素，10B 和 11B。比例是多少？
4. 鉛有四種穩定的同位素
同位素 丰度 (%) 204Pb 1.5 206Pb 23.6 207Pb 22.6 208Pb 52.3 計算鉛的摩爾質量。
1. 為測定金的密度，進行了如下實驗。金樣品的質量 = 30.923 克（有效數字為 5 位），金樣品的體積 = 1.6 立方厘米（有效數字為 2 位）。以下哪一個金密度值（以 g cm-3 為單位）是最準確的，可以透過這些測量結果來證明？A. 19.327（有效數字為 5 位）B. 19.33（有效數字為 4 位）C. 19.3（有效數字為 3 位）D. 19（有效數字為 2 位）
2. 氡原子 22286Rn 的原子核包含A. 222 個質子和 86 箇中子。B. 86 個質子和 136 箇中子。C. 86 個質子和 222 箇中子。D. 86 個質子、136 箇中子和 86 個電子。
3. 根據我們目前對原子的認識，以下哪句話是正確的？
I. 給定原子中超過 90% 的質量存在於其原子核中。
II. 元素的不同原子可能具有不同的質量。
III. 元素的化學性質主要由其電子決定。
A. 僅 I B. 僅 I 和 II C. 僅 II 和 III D. I、II 和 III
4. 在哪一對中，物質包含相同數量的中子？A. 10846Pd 和 11048Cd B. 11850Sn 和 12050Sn C. 19678Pt 和 19878Pt+2 D. 22688Ra+2 和 22286Rn
5. 哪一對電子和質子可以代表 Sr+2 離子？質子 電子 A. 38 36 B. 38 38 C. 38 40 D. 40 38
6. 錫的所有同位素具有相同的 I. 質子數；II. 中子數；III. 質量數。A. 僅 I B. 僅 II C. 僅 III D. 僅 I 和 III
電磁波譜統一了各種各樣的“波”、“射線”和“輻射”。
所有電磁輻射在真空中以 299776 ms-1 的速度傳播。
光譜的一部分可以透過其波長、頻率或能量來指定。
電磁波譜。紅線表示室溫熱能。 （奈米科學和奈米技術開源手冊）。能量以 eV 為單位：1 eV 等於 96.5 kJ mol-1。
頻率與能量成正比，與波長成反比。
在能量轉移時，電磁輻射表現為稱為“光子”的能量“包”。
可見光的波長為 400（藍色）至 700（紅色）奈米，對應於 299（藍色）至 171（紅色）kJ mol-1 的能量。這對大多數鍵中的電子來說太小，無法與其相互作用，但對使鍵產生共振來說又太大。
紅外光的波長為 0.7 至 1000 微米，並且攜帶的能量（小於 171 kJ mol-1）可以使鍵振動。這樣，紅外有效地傳遞熱能。
紫外光的波長為 1-400 奈米，這使得波具有足夠的能量（300+ kJ mol-1）來破壞大多數化學鍵。
它告訴我們特定元素的電子可以佔據的能級數。
連續發射光譜在電磁輻射的寬波長範圍內顯示發射
線發射光譜只在某些波長處顯示發射，而在中間波長處沒有發射。
下圖顯示了氫的線發射光譜和 10000 K 黑體的連續發射光譜。
當氫氣被激發時，它會發射出一組特徵的譜線。激發氣體的方法通常是在低壓下透過氣體樣品通電，但如果氫氣被強烈加熱，也會產生相同的效果。
譜線具有以下特徵
存在幾組譜線，在較高頻率（較低波長）處越來越密集，直到最後該組譜線結束。
由萊曼發現的最高頻率系列位於紫外線區域。較低頻率系列位於可見光和紅外線區域。
| 系列 | 收斂極限 |
|---|---|
| 萊曼 | 91 nm (UV) |
| 巴爾末 | 365 nm (可見光) |
| 帕申 | 821 nm (IR) |
| 布拉開 | 1.46 μm (IR) |
| 普豐德 | 2.28 μm (IR) |
氫原子的譜線。
這些譜線是由氫原子中的電子發射的。電子被輸入到氫氣樣品中的能量（通常是電流）“激發”。
“激發”意味著電子離開其通常的低能軌道（其“基態”）並進入更高能量的軌道。電子的軌道通常被稱為“電子層”。
激發的電子最終會“弛豫”到低能軌道。它們以光子的形式發射多餘的能量。
從發射光譜模式中，我們可以推斷出兩點
a) 因為我們觀察到線狀光譜，我們知道激發電子只有有限數量的更高能量軌道。
b) 每個連續軌道/電子層的能量收斂到一個最大值，因為每組譜線在較高能量處收斂。
萊曼系是由電子直接弛豫到基態引起的。
電離能
第一電離能是指從 1 摩爾氣態原子中移除每個原子上的一個電子所需的能量。
例如，Ca (g) → Ca+(g) + e-
萊曼系的收斂極限與氫原子的電離能相關：萊曼系中發射的最大能量光子是電子在仍然是氫原子的一部分時所能具有的最高能量。
較低能量系列是由電子弛豫引起的，但不是弛豫到基態。例如，巴爾末系是由於電子弛豫到具有第二低能量的軌道（到“第二電子層”）時發射的光子造成的。
作業
1. 與氫原子中電子躍遷 n = 3 → n = 2 相對應的譜線是紅色的。在躍遷 n = 2 → n = 1 時釋放了什麼型別的輻射？
A. 紫外線
B. 紅光
C. 紅外線
D. 無線電波
2. 哪個能級之間的電子躍遷釋放的能量最多？
A. 第一能級到第三能級
B. 第四能級到第九能級
C. 第六能級到第三能級
D. 第二能級到第一能級
3. (a) 下圖（未按比例）代表氫原子中的一些電子能級。
(i) 在此圖上畫一個箭頭表示氫原子電離的電子躍遷。標記此箭頭為 A [2]
(ii) 在此圖上畫一個箭頭表示可見光發射光譜中的最低能量躍遷。標記此箭頭為 B [2]
給出以下物質的基態電子排布：硫原子：鉀原子：氯離子：鎂離子
高階
研究鈣等元素的電離能可以讓我們計算出每個電子層中可以容納的電子數量。
| 電離 | 電離能（kJ mol-1) | log10(IE) |
|---|---|---|
| 第一電離能 | 6.00 x 102 | 2.78 |
| 第二電離能 | 1.15 x 103 | 3.06 |
| 第三電離能 | 4.91 x 103 | 3.69 |
| 第四電離能 | 6.47 x 103 | 3.81 |
| 第五電離能 | 8.14 x 103 | 3.91 |
| 第六電離能 | 1.05 x 104 | 4.02 |
| 第七電離能 | 1.23 x 104 | 4.09 |
| 第八電離能 | 1.42 x 104 | 4.15 |
| 第九電離能 | 1.82 x 104 | 4.26 |
| 第十電離能 | 2.04 x 104 | 4.31 |
| 第十一電離能 | 5.70 x 104 | 4.76 |
| 第十二電離能 | 6.33 x 104 | 4.80 |
| 第十三電離能 | 7.01 x 104 | 4.85 |
| 第十四電離能 | 7.88 x 104 | 4.90 |
| 第十五電離能 | 8.64 x 104 | 4.94 |
| 第十六電離能 | 9.40 x 104 | 4.97 |
| 第十七電離能 | 1.05 x 105 | 5.02 |
| 第十八電離能 | 1.12 x 105 | 5.05 |
| 第十九電離能 | 4.95 x 105 | 5.69 |
| 第二十電離能 | 5.28 x 105 | 5.72 |
課堂練習
繪製 log10(IE) 對電離數的圖形。
為什麼電離能總是增加？
是什麼導致了第二電離能和第三電離能、第十電離能和第十一電離能以及第十八電離能和第十九電離能之間的突然跳躍？
鈣的電子構型是什麼？
繪製出你對鈉的等效圖形的預測。
作業
哪種元素會產生這樣的圖形？
解釋圖形的形狀。
使用你的資料手冊繪製 Li 到 Ne 元素的第一電離能圖形。為什麼從 Li 到 Ne 電離能通常增加？
原子核的電荷從 Li 到 Ne 增加。如果我們減去內層電子的電荷，我們可以計算出作用於外層電子層的電荷：有效核電荷。因為週期中的每個元素都具有相同數量的內層電子，所以有效核電荷從 1 (Li) 到 8 (Ne) 增加。增加的電荷將外層電子保持在適當位置的力增強，從而增加了去除其中一個電子所需的能量。（它還減小了原子的尺寸：Li 比 Ne 大）。
為什麼硼和氧的電離能打破了一般趨勢？
s2 排布是穩定的（就像“惰性氣體構型”是穩定的）。
硼具有 [He] 2s2 2px1 排布。失去 px1 電子使硼恢復到這種穩定狀態，因此失去這個電子出乎意料地容易。
類似地，s2 px1 py1 pz1 排布是穩定的。
氧具有 [He] 2s2 2px2 2py1 2pz1 排布。失去一個 px 電子使氧恢復到這種穩定狀態，因此失去這個電子出乎意料地容易。
每個能級（“殼層”）由軌道（“亞殼層”）組成。
每個軌道可以容納兩個電子。
軌道型別的數量等於殼層數，例如：殼層 3 有三種類型的軌道，s、p 和 d。
殼層 1 1s
殼層 2 2s 2p
殼層 3 3s 3p 3d
殼層 4 4s 4p 4d 4f
殼層 5 理論上具有五種型別的軌道，但目前沒有已知的元素使用其 g 軌道。
每個殼層中的軌道具有遞增的能量。s 的能量最低，然後是 p、d、f 等。每個殼層只有一個 s 軌道。有三個 p 軌道，五個 d 軌道等。
s 軌道是簡單的球體。
三個 p 軌道沿 x、y 和 z 軸排列。
殼層 1 和 2 的軌道顯示為（頂部）可能的電子位置雲和（底部）包含大多數電子特徵的表面。
洪特規則：要找到元素的電子構型，我們一個一個地構建電子，將每個電子放入能量最低的可用軌道。記住哪個是能量最低的可用軌道的一個簡單方法是使用以下圖表
1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f …
6s 6p 6d …
7s 7p …
洪特規則：如果有不止一個軌道可供選擇，例如 2p 軌道，則這些軌道將每個填入一個電子，然後再填入電子對。
氮的電子構型為
1s 2s 2px 2py 2pz
↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
而不是
1s 2s 2px 2py 2pz
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑
編寫完整電子構型的最簡單方法是記下最後一個惰性氣體，然後像這樣新增任何額外的電子
釩：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3
釩：[Ar] 4s2 3d3
無論您是以填充順序（如上例所示）還是以殼層順序編寫軌道，都沒有關係
釩：[Ar] 3d3 4s2
元素 24 和 29 是特例。3d5 和 3d10 構型非常穩定，因此會從 4s 軌道中取出一個電子以建立 3d5 和 3d10 構型。
例如：鉻不是：[Ar] 4s2 3d4 鉻是：[Ar] 4s1 3d5 完成下表：1s H
He 2s 2p Li [He] 2s^1
Be [He] 2s^2
B [He] 2s^2 2p^1
C [He] 2s^2 2p^2
N [He]
O [He]
F [He]
Ne [He] 3s 3p Na [Ne]
Mg [Ne]
Al [Ne]
Si [Ne]
P [Ne]
S [Ne]
Cl [Ne]
Ar [Ne] 3d 4s 4p K [Ar]
Ca [Ar]
Sc [Ar]
Ti [Ar]
V [Ar]
Cr [Ar]
Mn [Ar]
Fe [Ar]
Co [Ar]
Ni [Ar]
Cu [Ar]
Zn [Ar]
Ga [Ar]
Ge [Ar]
As [Ar]
Se [Ar]
Br [Ar]
Kr [Ar] 4d 5s 5p Rb [Kr]
Sr [Kr]
Y [Kr]
Zr [Kr]
Nb [Kr]
Mo [Kr]
Tc [Kr]
Ru [Kr]
Rh [Kr]
Pd [Kr]
Ag [Kr]
Cd [Kr]
In [Kr]
Sn [Kr]
Sb [Kr]
Te [Kr]
I [Kr]
Xe [Kr]
元素週期表的四個區塊以最高能量佔據軌道命名