《物质结构与性质》——1、能层与能级

引言

化学研究的是构成宏观物体的物质。物质的组成与结构决定了物质的性质与变化。

原子结构决定性质：

如，钠原子的最外层只有一个电子，且原子半径较大，所以容易失去一个电子表现出很强的金属性。氯原子的最外层有7个电子，且原子半径较小，所以容易得到一个电子表现出很强的非金属性。

分子组成结构决定性质：

如，CO和CO2的分子组成、结构不同，CO能燃烧，而CO2可作灭火剂。乙醇（CH3CH2OH）和二甲醚（CH3OCH3）是同分异构体，分子式相同，分子结构不同，乙醇与水能互溶，而二甲醚在水中的溶解度不大，说明分子结构也是决定物质性质的重要因素。

有时分子组成不同，但结构类似的物质有相近的性质。如，对氨基苯磺酰胺是第一种磺胺药，在结构上类似于细菌必需的营养物质对氨基苯甲酸，细菌误将磺胺药当作对氨基苯甲酸，才被杀死。  

晶体结构是决定物质性质的又一个重要因素：

如，金刚石与石墨都是碳单质，但其晶体结构不同。金刚石的硬度很大，且不导电，而石墨很软，且是电的良导体。

贝壳的无机成分主要是碳酸钙，但其内层和外层是两种晶体结构不同的碳酸钙。外壳是坚硬的方解石，起保护作用，内层的珠光层是霰石，光滑而使软体自由移动。

19世纪初，美国人道尔顿创立了近代原子学说，假设原子是化学元素的最小粒子，每种元素有一种原子。20世纪初，人们认识到原子不是最小的粒子，它有复杂的结构。

原子的基本性质，如原子半径、电离能和电负性等都与原子结构密切相关，因而也呈现周期性变化。

第一节　原子结构

1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期表。

1920年，丹麦科学家玻尔在氢原子模型的基础上提出构造原理。从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入原子核外“壳层”顺序。5年后，玻尔的“壳层”落实为能层与能级，厘清了核外电子的运动状态，复杂的原子光谱得以诠释。

1936年，德国科学家马德隆发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理。

一、能层与能级

1、能层

核外电子按能量不同分层排布，以原子核为中心，由内向外排序，将核外电子分为七个不同的能层（目前已知）。其序号、符号以及所能容纳的最多电子数如下：  

以n为能层序号，则每个能层最多容纳的电子数为2n2。

能层越高，电子的能量越高，能量的高低顺序为E(K)<E(L)<E(M)<E(N)<E(O)<E(P)<E(Q)。

2、能级

多电子的原子，同一能层电子的能量并不相同，还可将它们分为不同能级。

（1）任一能层的能级总是从s能级开始。能级数等于该能层的序数，即第一能层有1个能级1s，第二能层有2个能级2s、2p，第三能层有3个能级3s、3p、3d，依次类推。

（2）每一能级用相应能层的序数和字母s、p、d、f……组合在一起来表示，可容纳的最多电子数依次为自然数中的奇数序列1,3,5,7……的2倍。

（3）同一能层的能级能量由低到高的顺序为E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)……

思考：

（1）同一能层不同能级间的能量有何关系？

同一能层不同能级间的能量关系：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……。

（2）以s、p、d、f为符号的能级分别最多可容纳多少个电子？3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数是否相同？

最多容纳的电子数：s能级2个，p能级6个，d能级10个，f能级14个。

3d、4d、5d能级所能容纳的最多电子数相同，均为10个。

（3）第五能层最多可容纳多少个电子？它们分别容纳在几个能级中？

第五能层最多容纳50个电子。它们分别容纳在5个能级中。