原子的核式结构原子核

原子的核式结构原子核（精选7篇）

1.原子的核式结构原子核 篇一

《原子的核式结构》教学设计

一、教材分析

“原子的核式结构”是高中原子物理的重要内容，传统的教学设计虽然也能让学生掌握原子的核式结构内容，但不难看出传统教学模式仍为“师传生受”，学生还是被动地接收知识，即使学会了，也不能算会学，无法让学生体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用。面对新课程改革的要求，为营造一个让学生自主学习的良好环境，本人结合平时的实践，对本节内容采用通过让学生小组讨论：用汤姆生的葡萄干布丁模型能否解释ɑ粒子散射实验现象，一步一步得出卢瑟福的原子核式结构模型，在教学中虽然不能进行真实的实验，但同样处处渗透着新课程理念的科学探究思想，从而利于提高学生的逻辑推理能力，观察能力，有利用培养学生勇于攀登科学高峰，不怕苦、不怕累的科学精神，这种通过让学生自己动眼观察、动脑思考，引导他们自己获取知识，不仅活跃了课堂气氛，还发展了学生的思维能力和创新能力。本节课的设计旨在追寻前人的足迹，通过对粒子散射实验分析，从而否定汤姆孙的原子模型，建立卢瑟福的原子核式结构模型。让学生了解在科学研究中，科学家们通过对实验事实的分析，提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中经受检验，正确的被肯定，经不起检验的被否定，在新的基础上再提出新的假说。科学的研究这样螺旋上升和不断深入发展的。

内容分析

粒子散射实验和原子核式结构的内容是本节教学重点。其中粒子散射实验是常用的获取微观世界信息的方法，在原子结构的研究中有非常重要的作用，以后的质子和中子的发现都与粒子散射实验有关。本节对于原子核式结构的建立，粒子散射实验更是起到决定性的作用，所以重点在于对粒子散射实验观察、现象的分析以及从现象中猜测合理的结构。

“原子的核式结构”是高中原子物理的重要内容，除了让学生掌握原子的核式结构内容，让学生体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化也很重要。通过让学生小组讨论：用汤姆生的枣糕模型能否解释ɑ粒子散射实验现象，一步一步得出卢瑟福的原子核式结构模型，在教学中虽然不能进行真实的实验，但同样处处渗透着新课程理念的科学探究思想，从而利于提高学生的逻辑推理能力和分析能力。

学情分析

对于原子的结构其实学生早已经知道，初中的物理、化学中都已经清楚。所以原子结构如何不是本节课要教授的目的，如何从粒子散射实验现象中得出合理的原子结构模型才是本节要关注的重点。前面光的波动性、光的粒子性的学习使学生对于从现象找本质，建模型或假说的过程已不再陌生，所以对学生进行适当的引导、提问即可理解原子核式结构模型。前一节学习了电子的发现过程，学生已经知道原子是有结构的，那么结构如何分布呢？

学生在化学中已经学习了原子核外的电子排布，绝大多数学生都已经知道了原子由原子核和电子组成但一般都尚未清楚原子大小与原子核大小的比例关系，而这一比例必将对学生认识微观世界产生巨大的冲击，从而激发学生的学习热情。

2.原子的核式结构原子核 篇二

一玻尔提出原子结构模型的背景

1897年, J. J. 汤姆生根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下发生轨迹偏离确定阴极射线是带负电的粒子流, 并测出粒子的荷质比。对荷质比的实验确定非常重要, 但对实验数据的解释甚至更重要。［1］当时, 关于阴极射线是粒子流还是以太波的争论很激烈, 面对争论和批判, 汤姆生表现出他特有的猜测能力以及对数据特有的解释方法。同一年, 尽管有两位德国科学家也得到同样精确的荷质比, 但都没能“发现电子”。汤姆生大胆的猜测和理论选择能力以及模型建构能力为实验数据和新的实验设计提供了好的理论框架。对于这种特别的思维方式, 汤姆生这样讲: “从物理学家的观点看, 物质理论只是一个策略, 而非信条; 其目的是为了关联或协调各种明显的现象, 更为重要的是建议、激发和指导实验。这样, 它将为引领观察者越来越深入到前所未知的新领域提供指南。”［2］1汤姆生列举了三项从更深层次上有待揭示的假说和新现象: ( 1) 普劳特的原子整量说 ( 一切元素的原子量都是氢的整倍数) ; ( 2) 元素周期律; ( 3) 放射性现象。汤姆生察觉到, 原子结构理论很有可能正好能够胜任这一任务。 汤姆生受迈尔1878年悬浮磁针实验的启示, 富有创意地设想用环状排列的电子构象, 用以解释元素的化学性质, 在1903—1907年期间, 他进行了一系列的实验探索。

汤姆生早期尝试性地假定在原子内有大量的电子存在, 而原子的质量都集中于电子之上。根据汤姆生猜想的模型, 氢原子中也有1000个以上的电子。尽管这一模型与实际情况相去甚远, 但却具有启发性价值, 它开辟了元素的化学性质与原子中的电子相关的正确思路。这一暗示极其关键, 也富有创造性, 它将元素的化学性质首次归因于“电子排列方式”。之后, 关于“决定元素的化学性质取决于核外电子”的观念便源于此。

为进一步完善原子结构理论, 汤姆生又从直觉上假设原子中的电子数目大致等于原子量, 也相应设计了一系列实验, 试图确定原子内电子的数目和排列方式。［3］为了确证自己设计的原子模型的可信性, 汤姆生重做了迈尔的悬浮磁针实验。实验中用磁棒吸引水面上穿有小磁针的软木塞, 并逐个增加小磁的数量, 结果发现小磁针形成的环形结构也会相应地发生排列上的变化。与此相类似, 汤姆生推断的“电子环”在配列上也应当存在一定的周期性。 以这种周期性为线索, 可以推断元素周期律。［2］111汤姆生关于电子数目等于原子量的想法尽管是错误的。但这一策略很奇特, 在后来的原子结构理论发展中, 汤姆生对于原子结构的设想及其与元素周期性相关的思路直接影响了玻尔, 汤姆生的原子模型在原子结构理论发展史中以及化学上的原子价理论都具有里程碑意义。

卢瑟福在1906年首次观察到 α 粒子的大角度散射。进一步的实验发现, 一束平行的 α 粒子穿过气层或金属薄片时, 出现散射现象。其中大部分 α 粒子发生偏转, 甚至有一小部分粒子的偏转角度很大, 几乎是被反弹。1911年, 卢瑟福据此提出了后世享有盛名的“有核模型”, 极为有影响力的文章 “物质对 α、β 粒子的散射和原子结构”发表于《哲学杂志》［4］。该模型指出, 在原子中有一个带正电荷的核, 原子的全部质量几乎都集中于此; 电子环绕在它的周围运转。卢瑟福的方法与理论开辟了正确研究原子结构的途径, 这一学说对日后的原子物理学的发展具有奠基性作用。但是, 它仍然存在两个尚未解决的问题: 一是未能解释原子的稳定性。根据经典电动力学, 任何运动电荷由于辐射而不断丧失能量, 绕核运动的电子将沿螺旋形轨迹, 最终落到原子核上。二是无法解释原子光谱的离散性。1859年物理学家发现原子光谱, 并用来鉴定新发现的元素。根据卢瑟福的有核模型, 电子并不存在固定的位置, 相应的能量也缺乏固定的值, 于是电子就可以在任一位置发生跃迁, 那么原子就应当有连续光谱。 这显然与事实不符。

1913年, 范德布鲁克提出元素在周期系中的排列顺序即是原子序数的概念。1914年莫斯莱系统研究了多种元素的X射线, 发现原子序数与元素辐射特征线之间的关系, 从而奠定了X射线光谱学的基础。同时莫斯莱依据原子光谱的实验结果确认, 元素周期律中元素排列是以核电荷多少 ( 原子序数) 为依据, 而非原子量。莫斯莱对原子序数的解释与索迪对同位素的发现, 对于用原子结构理论解读元素周期律来讲是至关重要的, 由此消解了对门捷列夫周期表的多种疑问, 比如出现某两个相邻元素排列顺序颠倒的问题等。自此之后, 新的元素周期律作为科学理论就基本成形, 科学家们有了明确的方法来确定已发现元素在周期表中大概的位置和有待发现的新元素及其可能的属性。

根据以上物理学事实, 原子核外电子数等于原子序数的推测, 已是一个不争的事实, 关于原子结构需要进一步思考的是电子在原子核外的分布状况, 以便解决卢瑟福模型所面临的困难。

二玻尔尝试建构“定态跃迁”原子模型

1911年夏, 玻尔博士毕业后得到卡尔斯伯基金会资助, 于9月底来到剑桥留学, 追随他仰慕已久的国际电子学权威汤姆生, 在卡文迪什实验室工作。 这一时期玻尔在工作上并不顺心。但当1912年3月玻尔转入曼彻斯特卢瑟福的研究室工作之后, 卢瑟福则为玻尔敞开了全新的发展空间。［5］在曼彻斯特期间, 玻尔甚至比卢瑟福本人更深刻地洞察到了卢瑟福的有核模型所隐含着的内在意义, 同时又汲取了汤姆生关于原子结构的一些独到的猜想。

1913年, 玻尔分三部分发表长篇论文“论原子和分子的构造”, 文中首次明确了原子核的概念, 尝试性地推测原子和分子的稳定结构［6 － 8］。回丹麦半年后 ( 即1913年2月) , 玻尔从光谱学专家朋友那里得知了氢光谱的巴尔末公式, 受到了决定性的启示。这个公式与普朗克公式在频率与正整数关联方面的相似性, 使他认识到, 在把量子条件引入原子系统时, 光谱公式提供了正确的线索。另一方面, 玻尔推进并且深化了行星式原子模型的类比, 将行星的分层轨道与电子的各个稳定态 ( “定态”) 对应起来。 于是, 原子稳定性疑难就得到解决: 电子在稳定态 ( “轨道”) 上仍然可以借助于经典力学来讨论; 而不同稳定态之间的变化, 即发射频率和释放的能量之间的关系则由普朗克量子公式来给定。这一模型中, 原子核的周围被捕获的电子所落入的轨道可以不同, 是离散的。处于量子化轨道中的电子都是稳定的, 电子从一个轨道跃迁至另一轨道时会释放或吸收能量。

玻尔设想原子核外电子排列分别属于不同的环形定态轨道, 这一思路很有可能得益于汤姆生在20世纪初所做一系列设想和实验的启示, 不可能是通过理论计算所得, 也并非直接来自于光谱学研究。 对氢光谱的成功解释, 只是导出的结果却不是他的出发点或预定目标。正如1913年1月31日他写给卢瑟福的信中所提到的: “我根本不考虑对应于可见光谱线的频率计算问题, 而仅是基于最初所使用的假设尝试讨论处于‘定态’的原子和分子的构造。”［9］当然, 由于玻尔原子模型的新颖性和奇异性, 创新力度极大, 它兼有经典与量子的双重性, 因此一开始是不容易被理解和接受的。卢瑟福就对玻尔模型产生过疑问: “这一切的基本原理到底是什么? 普朗克思想与经典力学的混合让人很难形成一个物理思想……, 当电子从一个稳定态跃至另一个称稳定态时, 它是如何决定将会以那样的频率振动?”［10］

对于玻尔的思想, 人们往往集中于从量子理论方面进行研究, 却完全忽视他对原子中电子构象的细节性思考。他当时已经在尝试推测原子中电子的详细排列结构, 玻尔在论文第二部分指出: “电子角动量的普适恒定条件, 再加上稳定条件, 在大多数情况下并不足以完全地确定体系的构造。”［7］他的主要目的却是试图利用对应元素的性质的知识来得出一些线索。玻尔对原子和元素周期体系的理论进行全新的探讨, 并首次设计出关于较小序数元素的电子构象的局域性的周期表:

尽管受汤姆生的启发, 但玻尔的电子构象模型与汤姆生猜想的“电子环配列”有所不同。比如相邻两个元素的结构, 玻尔设计的排列方式是在前一元素的最外层再加一个电子, 而汤姆生的“电子环配列” 将新增加的电子置于最内层。表中是玻尔对较小序数元素的电子构象的详细推测, 限于当年物理学界的背景知识, 玻尔无法计算和确定每一电子层壳最多可容纳的电子数。从表中各元素的电子排列数据, 我们得知, 玻尔对原子中电子的构象形式的考虑, 更多的是从元素化学性质的周期性入手的。不难看出, 玻尔是依据元素化合价来得出原子最外层电子数目的, 例如表中氧元素与氮元素的电子排列之所以是8 ( 4, 2, 2) 与7 ( 4, 3) , 而不是当今已普遍认可的8 ( 2, 6) 与7 ( 2, 5) , 那也是根据当时化学家公认的元素化合价来决定的。

从表中所列电子构象形式, 我们可以揭示玻尔的思路, 他先确定第一列中各元素的电子排序, 第二列中各元素的电子排列方式是由元素化学性质的相似性来确定的, 第二个元素电子的排布是在前一元素电子排列的基础上前面再排8个电子。也就是说, 元素化学性质的相似性是由两个元素最外层电子的相似决定的。然而, 表中第一排的两个元素就相当特殊, 9号元素氟的电子排布为什么是9 ( 4, 4, 1) , 而不是现在公认的 ( 8, 1) 呢? 按照玻尔的解释, 是由于对应于前一种相似元素, 9号元素的体积变化较大, 而其他元素的体积变化却较小。还有, 原子序为21—24的四个元素分别同原子序为5—8的四个元素安排在同一周期, 也是有特殊原因的, 在门捷列夫发表于1906年的最后一张表中, 四个元素的确是被安排为3—6族的。这进一步印证玻尔的确是根据元素周期律来设计各元素原子的电子排列方式的。

完成三部曲之后, 玻尔实际是等待对其原子模型的实验检验和进一步的实验结果, 他暂停了进一步的理论研究。

至此, 玻尔的原子结构理论尚未能对氢光谱作出较为完整的说明, 更不可能对门捷列夫周期律有完整的解释。他在哥本哈根物理学会的演讲 ( 1920年12月15日) 中也承认这种简单的原子结构模型并不能对氢光谱、斯塔克效应和塞曼效应作出详细、 合理的解释。［11］

三玻尔再次构造原子模型

八年之后, 不论是光谱学还是化学研究, 都有了新的发现和进展。玻尔及时汲取并巧妙地运用了这些新成果, 进一步搭建原子模型。

玻尔给《自然》杂志寄去他的第一封信“原子结构” ( 1921) ［12］, 介绍他提出量子论的原子理论的一般特点“在于努力寻求各电子的一些组态和运动, 以便这些组态和运动有可能利用原子序数来对如此清楚地显示在众所周知的周期律中的各元素化学性质的变化作出诠释”。这是他在哥廷根大学举办的他的量子论的原子理论与周期律关系的一系列演讲 ( 1922年6月) 和此后发表系列论文的前奏, 也是对他的理论的整体思路的一种概括。他在这封信中详细说明了惰性气体元素的原子稳定结构的模型, 并提到要以此作为整个原子构造理论的基本参照点或界标。在信的最后, 玻尔指出他的意图在于把更多的注意力放在根据由光谱应用产生的量子论原理来诠释元素的化学性质。

事实上, 玻尔的量子论原理具体是指由索末菲、 朗德等物理学家对光谱学的研究, 并根据光谱结构分析产生的两个量子数n, k ( 后来又确定为l, 称之为角量子数) 。玻尔假定, 原子中的电子是一个个地受原子核束缚, 形成连续的电子排布过程。在玻尔的“分层轨道”模型中, 原子核对电子的各种束缚过程, 即电子在“分层轨道”中的逐步安排, 是与不同定态间跃迁的考虑相联系的。玻尔进一步假定, 不同电子层并不只是简单的层壳, 而是可以继续划分成若干“电子亚层”: 也就是说, 主量子数为2的电子轨道还可以分成两个亚层, 主量子数为3的轨道可以划分为三个亚层, 以此类推。

玻尔在信中描述了他建构量子论的原子模型的基本方法。他先确定惰性气体的电子排布方式, 并以此为基准, 再确定其他原子的排列方式。惰性气体的原子结构为:

括号中下标数字代表每一组内电子轨道的主量子数。玻尔进一步解释, 他对惰性气体元素的电子排布形式的考虑源于化学家, 例如A. 柯塞尔的离子键和G. 刘易斯的共价键理论, 它们立足于化学资料的系统考虑之上。当然在化学家之间是有分歧的。柯塞尔的理论认为, 卤族元素F、Cl、Br、I的原子, 将通过俘获单独一个电子而采取外层有8个电子的那种特别稳定组态。而在朗缪尔的理论中, 惰性气体原子的电子数在最外层中永远最大。玻尔之所以选择柯塞尔的理论作为依据, 因为他相信电子组态存在 “高度对称性”, 这是一种美学原则。

玻尔还在信中提到“对应原理”。从量子辐射过程和经典辐射之间的对应性, 玻尔首次认识到, 经典模型可以作为应用量子条件并且作对应性研究的一种辅助性框架。“对应原理”在量子论的原子理论中的应用是双向互动的, 一方面是原子结构模型对原子光谱的合理诠释, 处在探索性过程中; 另一方面是依据周期律中随原子序数的增加所展示元素物理、化学性质, 能够对原子结构理论做进一步的验证, 并完善这一理论。新的原子结构理论的推进以及对原子中电子的详细排布方式的洞察, 是通过对原子光谱的尝试性解释并依靠量子理论和元素周期律中所展示的物理和化学性质两个方面的结合来逐步完善的。

那么, 玻尔在文中给出了包括大约40种元素的电子轨道类型表。假如以惰性气体元素的原子结构为基准, 玻尔是怎样利用主量子数和辅量子数来确定原子中电子的排布的呢?

玻尔在发表于《物理学报》的一篇文章“论量子论对原子结构的应用I”［13］中, 将“绝热原理” ( adia- batic principle, 或译“浸渐原理”) 应用于自己的原子模型。绝热变化或浸渐变化的意思就是慢慢的、不知不觉的变化。它要求在一个组或亚组中每增加一个电子, 一般不会改变已有的各电子的量子数。这一原理在玻尔构造原子中电子轨道的空间排布模型时起了决定性的作用。这样, 在原子核的最外层再添加一个电子, 前一原子的稳定态在下一个原子中仍然保持不变, 电子层在整体上也不受影响。

以上是玻尔的早期量子论在原子结构理论方面所作的贡献 ( 截止1923年) 。后来梅恩·斯密兹提出亚组分法是依据化学证据, 斯通诺尔提出电子亚组分法是借助于第三个量子数的引进, 其实两者的思路仍然延续玻尔的思路。最后第四个量子数的引进, 是立足于1925年泡利“不相容原理”的提出以及“电子自旋”的发现而完成的。

结语

通过解读原始文本, 为科学事件做准确的“复原”和历史重构, 对于理解科学进步与科学实践方法具有特殊的蕴意。玻尔在这10年期间建立的原子结构理论在原子物理中所作的贡献是不可估量的。无论是科学家还是哲学家, 都认为统一的、好的表征形式或表征依据在理论上终归是非常有意义的。

3.原子结构考点探究 篇三

一、原子的构成（如图1所示）

原子原子核质子①每个质子带一个单位正电荷②相对质量约为1

中子①中子不带电②相对质量约为1

核外电子①围绕原子核做高速运动

②每个电子带一个单位负电荷

③相对质量为一个质子（中子）的11836

例1若新发现的118号元素的某种原子记作297118X，则有关该核素说法正确的是（ ）。

A.质子数为118，电子数为179，中子数为179

B.原子序数为179，质量数为297

C.与126C的相对原子质量之比为118∶6

D.297118X经过一次α衰变得到的116号元素原子可表示为293116Y

解析原子符号的左下角为质子数（即原子序数），左上角为质量数，所以该原子的质子数为118，质量数为297，中子数为179，电子数为118。所以297118X与126C的相对原子质量之比为297∶12。答案：D。

二、原子结构中常见的微粒关系

1.原子（如图2所示）

2.离子的核外电子数

核外电子数阳离子：质子数-电荷数

阴离子：质子数+电荷数

例2以下有关原子结构及元素周期律的叙述正确的是（ ）。

A.第ⅠA族元素铯的两种同位素137Cs比

133Cs多4个质子

B.同周期元素（除0族元素外）从左到右，原子半径逐渐减小

C.第ⅦA族元素从上到下，其氢化物的稳定性逐渐增强

D.同主族元素从上到下，单质的熔点逐渐降低

解析A项，137Cs比133Cs多4个中子，两者质子数相等。C项，氢化物的稳定性随元素非金属性的增强而增强。D项，同主族元素从上到下，碱金属单质的熔点逐渐降低，第ⅦA族单质的熔点逐渐升高，而第ⅤA族单质的熔点先升高后降低，D错。答案：B。

三、元素、核素、同位素

1.元素：具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子的总称。

2.核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。可用符号AZX表示。

3.同位素：质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同核素互称为同位素。

特征：①具有相同存在形态的同位素，化学性质几乎完全相同。

②天然存在的同一元素各核素所占的原子百分数一般不变。

例3下列叙述错误的是（ ）。

A.13C和14C属于同一种元素，它们互为同位素

B.1H和2H是不同的核素，它们的质子数相等

C.14C和14N的质量数相等，它们的中子数不等

D.6Li和7Li的电子数相等，中子数也相等

解析A项中13C和14C质子数相同，互为同位素；B项中1H和2H是氢元素的两种不同的核素，质子数均为1；C项中14C和14N质量数相同，但是中子数不等；D项中的6Li与7Li为锂元素的两种不同的核素，它们的质子数相等，核外电子数均为3，中子数不等，分别为3和4。答案：D。

四、核外电子排布

排布规律：①电子一般总是首先排在能量最低的电子层里，即最先排在第1层，当第1层排满后，再排第2层，依次类推。②每层最多容纳的电子数为2n2（n代表电子层数）。③最外层电子数不超过8个（K层为最外层时，最多不超过2个），次外层不超过18个，倒数第3层不超过32个。

例4核电荷数小于18的某元素X，其原子核外电子层数为a，最外层电子数为（2a+1）。下列有关元素X的说法中不正确的是（ ）。

A.元素X的原子核内质子数为（2a2-1）

B.元素X的原子半径一定小于钠的原子半径

C.由元素X形成的某些化合物，可能具有杀菌消毒的作用

D.元素X形成的简单离子，各电子层的电子数均达到2n2个（n表示电子层数）

解析若a=2，则X为N，若a=3，则X为Cl。由原子结构、相关元素及化合物的性质推知A、B、C项正确；D项氯离子最外层电子数未达到2n2个。答案：D。

五、微粒表示的信息（如图3所示）

例5简单原子的原子结构可用图4形象地表示：

其中表示质子或电子，○表示中子，则下列有关①②③的叙述正确的组合是（ ）。

a.①②③互为同位素

b.①②③互为同素异形体

c.①②③是三种化学性质不同的粒子

d.①②③具有相同的质量数

e.①②③具有相同的质量

f.①②③是三种不同的原子

A.a、f B.b、c C.d、e D.e、f

解析由图可知所给出的是三种不同的原子，这三种原子都有1个质子，分别是11H、21H、31H，它们是氢的三种同位素；同素异形体是指同种元素组成的结构不同的单质；同位素物理性质不同，化学性质几乎相同。答案：A。

六、原子结构相关的四“量”比较（见表1）

七、1～20号元素的特殊的电子层结构

1.最外层有1个电子的元素：H、Li、Na、K；

2.最外层电子数等于次外层电子数的元素：Be、Ar；3.最外层电子数是次外层电子数2倍的元素：C；

4.最外层电子数是次外层电子数3倍的元素：O；

5.最外层电子数是内层电子数总数一半的元素：Li、P；

nlc202309040138

6.最外层电子数是次外层电子数4倍的元素：Ne；

7.次外层电子数是最外层电子数2倍的元素：Li、Si；

8.次外层电子数是其他各层电子总数2倍的元素：Li、Mg；

9.次外层电子数与其他各层电子总数相等的元素Be、S；

10.电子层数与最外层电子数相等的元素：H、Be、Al。

例7核电荷数为1～18的元素中，下列叙述正确的是（ ）。

A.最外层只有1个电子的元素一定不是非金属元素

B.最外层只有2个电子的元素一定是金属元素

C.原子核外各层电子数相等的元素一定是非金属元素

D.核电荷数为17的元素的原子容易获得1个电子

解析本题可以采用举反例的方法。氢原子最外层有一个电子，A错；氦原子的最外层有2个电子，B错；铍原子的结构示意图为：，其各层上的电子数相等，C错；核电荷数为17的元素为Cl，其最外层有7个电子，易得1个电子达到8电子稳定结构。答案：D。

跟踪练习：

1.短周期元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大，其简单离子都能破坏水的电离平衡的是（）。

A.W2-、X+ B.X+、Y3+

C.Y3+、Z2- D.X+、Z2-

2.元素X形成的离子与钙离子的核外电子排布相同，且X的离子半径小于负二价硫离子的半径。X元素为（ ）。

A.Al B.P C.Ar D.K

3.230Th和232Th是钍的两种同位素，232Th可以转化成233U。下列有关Th的说法正确的是（ ）。

A.Th元素的质量数是232

B.Th元素的相对原子质量是231

C.232Th转换成233U是化学变化

D.230Th和232Th的化学性质相同

4.下列关于原子结构、元素性质的说法正确的是（ ）。

A.非金属元素组成的化合物中只含共价键

B.ⅠA族金属元素是同周期中金属性最强的元素

C.同种元素的原子均有相同的质子数和中子数

D.ⅦA族元素的阴离子还原性越强，其最高价氧化物对应水化物的酸性越强

跟踪练习参考答案：

1.解析由A、B、C、D选项中W2-、X+、Y3+、Z2-所带电荷推知，W、Z位于第ⅥA族，X、Y分别位于第ⅠA族、ⅢA族；结合短周期元素及元素原子序数依次增大得出：W、X、Y、Z依次为O、Na、Al、S，其中S2-、Al3+能破坏水的电离平衡。答案：C。

2.解析由题意可知，元素X形成的离子中，K、L、M电子层上的电子数分别为2、8、8，对于电子层结构相同的离子，核电荷数越大，半径越小，故X的核电荷数应大于S的核电荷数，符合要求的元素是K，D项正确。答案：D。

3.解析232Th和230Th的质量分别是232，230A项错误；元素的相对原子质量是由各种同位素的相对原子质量取得的平均值，B项错误；同位素的物理性质可以不同，但化学性质几乎相同，D项正确；化学变化是生成新物质的变化，原子不变，而C项的原子发生变化错误。答案：D。

4.解析A项，如NH4Cl由非金属元素组成，但为离子化合物；C项，同位素原子（如1H、2H、3H）的质子数相同，中子数不同；D项，一般ⅦA族元素的阴离子还原性越强，对应元素的非金属性越弱，其最高价氧化物对应水化物的酸性越弱。答案：B。

（收稿日期：2014-11-20）

4.原子结构 篇四

1．  复习原子构成的初步知识，使学生懂得质量数和AZX的含义，掌握构成原子的粒子间的关系。

2．  了解关于原子核外电子运动特征和常识。

3．  理解电子云的描述和本质。

4．  了解核外电子排布的初步知识，能画出1～号元素的原子结构示意图。

能力目标：

培养自学能力、归纳总结能力、类比推理能力。

教学重点：原子核外电子的排布规律。

教学难点：原子核外电子运动的特征，原子核外电子的排布规律。

(第一课时)

教学过程：

[复习]原子的概念，原子的构成，原子为什么显电中性？

[板书]一、原子核

1。原子结构

          质子：                1.6726×10-27kg

 原子核

原子          中子：                1.6748×10-27kg

电子：                        1.6726×10-27kg/1836

注意：核电荷数=质子数=电子数           近似原子量=质子数+中子数

原子的粒子间的关系：

决定元素种类的是：           ，决定原子质量的是：

决定元素化学性质的主要是：                ，决定原子种类的是：

1.6726×10-27kg

1.66×10-27kg

2．质量数

质子的相对质量=                    =1.007≈1

1.6748×10-27kg

1.66×10-27kg

中子的相对质量=                     =1.008≈1

将原子核内所有的质子和中子的相对质量取近似值整数加起来，所得的数值叫质量数（A）

质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）          N  =  A C Z

练习：用AZX表示原子：

（1）       求中性原子的中子数：N=

（2）       求阳离子的中子数，AXn+共有x个电子，则N=

（3）       求阴离子的中子数，AXn-共有x个电子，则N=

（4）       求中性分子或原子团的中子数，12C16O2分子中，N=

（5）       A2-原子核内有x个中子，其质量数为m，则n g A2-离子所含电子的物质的量为

：                        .

二、核外电子运动的特征

请一位同学讲述宏观物体的运动的特征。

比较电子的运动和宏观物体的运动。

1．  核外电子运动的特征：

（1）       带负电荷，质量很小。

（2）       运动的空间范围小。

（3）       高速运动。

学生阅读课本P91，播放电子云形成的动画。

2．  电子云

电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核的周围，所以人们形象地把它叫做“电子云”。

注意：（1）图中的每个小黑点并不代表一个电子，小黑点的疏密表示电子在核外单位体积内出现机会的多少。

（2）“电子云”是核外电子运动的一种形象化表示。

1．  已知一种碳原子（质子数、中子数均为6）的一个原子的质量为m kg，若一个铁原子的质量为n kg ，则铁的原子量是

2．以下有关电子云的描述，正确的是（   ）

A 电子云示意图的小黑点疏密表示电子在核外空间出现机会的多少

B 电子云示意图中的每一个小黑点表示一个电子

C 小黑点表示电子，黑点愈多核附近的电子就愈多

D 小黑点表示电子绕核作圆周运动的轨道

5.第二节原子的结构 篇五

学习目标：1.α粒子散射实验

2.原子的核式结构

3.原子、原子核的大小

学习重点：原子的核式结构

学习难点：探究原子的核式结构

学习过程：

一、阅读教材，回答问题

1、提出原子的核式结构,发现了质子.2、提出原子葡萄干布丁模型.二、讲授新课

1、汤姆生的葡萄干布丁模型

（1）.1897年汤姆生发现电子，揭开了研究原子结构的序幕。

（2）.汤姆生的葡萄干布丁模型：

原子是一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，而电子像布丁中的葡萄干那样镶嵌在原子里面。

2、α粒子散射实验结构分析

3、按照汤姆生的葡萄干布丁模型，α粒子散射实验你预测的现象时什么？

4、实验观察的现象是：

5、讨论交流，进行解释，得出结论：

三、学生练习

1.卢瑟福对α粒子散射实验的解释是（）(多选)

A.使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对α粒子的作用力；

B.使α粒子产生偏转的力主要是库仑力；

C.原子核很小，α粒子接近它的机会很少，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进；

D.能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子。

2.在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则()（双选）

A.α粒子的动能和动量几乎没有损失。

B.α粒子将损失部分动能和动量。

C.α粒子不会发生显著的偏转。

D.α粒子将发生较大角度的偏转。

3.在α粒子散射实验中，当α粒子最接近原子核时（）（双选）

A.α粒子动能最小；

B.α粒子受到的库仑力最大；

C.α粒子电势能最小；

D.α粒子动量的变化率最小。

4.如图所示卢瑟福α粒子散射实验的原子核和两个α粒子的径迹，其中可能正确的是（）

5.已知氢原子中的电子电量为ｅ，以速率ｖ在半径为ｒ的轨道上运动，求等效电流为多少？

四、课后练习

1、关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是（）（双选）

A、在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90，有的甚至被弹回，接近180.B、使α粒子发生明显偏转的力是来自于带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时，是核的排斥力使α粒子发生明显的偏转，当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显的偏转。

C、实验表明原子的中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分

D、实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷及全部质量。

2、在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金核时（）（多选）

A、α粒子动能最小

B、α粒子受到的库仑力最大

C、α粒子的电势能最大

D、α粒子与金核有核力作用

3、卢瑟福的α粒子散射实验的结果（）

A、证明了质子的存在B、证明了原子核是由质子和中子组成的C、说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上

D、说明原子中的电子只能在某些不连续的轨道上运动

4、在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则（）

（双选）A、α粒子的动能和动量几乎没有损失

B、α粒子损失了部分的动能和动量

C、α粒子不会发生明显的偏转

D、α粒子将发生较大角度的偏转

5、原子的核式结构的实验基础（）

A、汤姆孙对电子荷质比的测定B、卢瑟福的α粒子散射实验

C、居里夫妇发现放射性元素D、查德威克发现中子

6、卢瑟福的原子核式结构理论的主要内容（）（多选）

B、原子的正电荷均匀分布在整个原子中

C、原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里

D、带负电的电子在核外绕核旋转

7、卢瑟福的α粒子散射实验第一次显示了（）

A、质子比电子重

B、质子的全部正电荷都集中在原子核里

C、α粒子是带正电的D、可以用人的方法产生放射性现象

8、卢瑟福对α粒子散射实验的解说是（）（多选）

A、使α粒子产生偏转的力主要是原子中的电子对α粒子的作用力

B、使α粒子产生偏转的力主要是库仑力

C、原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍眼原来的方向前进

6.原子的核式结构原子核 篇六

压缩传感[1,2,3]技术是一项新兴的技术,主要特点是以远低于奈奎斯特采样数据量精确恢复信号。将其应用于超声波无损检测领域,将大大减少检测产生的数据量,简化硬件系统结构,提高检测信息的分辨率和实时处理能力。然而,目前采用压缩传感技术面临的一个技术瓶颈是稀疏分解原子库规模巨大,在信号分解与重构过程中导致计算复杂度大,降低了该项技术的实用性。针对上述问题,本文提出了一种基于信号结构的稀疏分解原子库的优化策略,并将其应用于管道检测领域,大大减少了原子库的规模。

目前国内外对稀疏分解Gabor原子库的简化研究很少。上海交通大学的梁巍等人根据超声信号是一个高斯调制的带通信号,其有用信息集中在以探头中心频率为中心的某一带宽内,利用带宽因子、探头中心频率和初相位这些先验信息对Gabor原子库的尺度因子和频率因子进行简化,减少了原子库的原子数量[4]。但是脉冲超声回波信号的中心频率并不等于探头频率,且由于实际环境及噪声的影响,其频带宽度以外也包含一定信息量。其次,该方法需要对带宽因子进行估计,存在一定的误差。兰州大学的王峥嵘等人根据Gabor原子的相位因子特性,对原子波形互为相反的原子进行了删减[5]。另外对较长信号分段向量截取,利用对应的长度较短的原子库分别对各段信号进行稀疏分解,再相加得到原信号。

本文以管道检测的缺陷脉冲超声回波信号为研究对象,首先根据Gabor原子的原子特性,对频率因子和相位因子[5]离散化范围进行简化。然后根据脉冲超声回波信号的波形特征对其进行有效长度截取,提取待分解信号的包络并拟合成高斯函数,将对应函数参数转换成Gabor原子形式的尺度因子参数并统计其分布范围,提出了一种基于信号结构的尺度因子离散化方法,克服了依赖于信号长度的尺度因子离散化方法的缺陷。通过对实测信号的仿真表明,优化原子库的稀疏分解效果与Gabor原子库接近,原子数量却减少为原 来的1 /8左右。

1 Gabor 原子库的离散化

Gabor原子由一个经过调制的高斯窗函数构成,其表达式为[6]:

其中,g( t) = exp( - πt2) 是高斯窗函数,γ = ( s,u,v,ω) 是时频参数,其中s为尺度因子,u为位移因子,v为频率因子,ω为相位因子。

由于尺度因子、频率因子和相位因子定义了原子的形状,位移因子定义了原子的中心位置[7]。严格意义上余弦函数也应该进行移位处理,因此本文所用Gabor原子表达式为:

离散化方法为[6]:

由上述离散化方法中j、p、k、i的取值范围,可以得到原子库的原子数量为:

由公式( 3) 可知,原子库的原子数量非常巨大。比如,当信号长度为256时,LD= 119756。因此有必要对原子库进行简化。

2 基于原子特征的 Gabor 原子库简化

由公式( 3) 可以看出,原子库的原子数量非常巨大,但是有些原子波形完全相同或者相位相差180度。基于匹配追踪算法[8]稀疏分解时,原子选择原则是信号或余量与原子的内积绝对值最大,因此满足上述条件的这些原子的分解效果相同。本节对满足这些条件的原子进行简化。具体如下:

设两个Gabor原子分别为g( 1) 和g( 2) ,它们的尺度因子、位移因子和相位因子分别相同,频率因子分别为v1和v2且满足v1+ v2= 2π。两个原子的差异仅仅是余弦函数部分,只对余弦函数进行分析,具体如下:

由公式( 4) 可知,只要将原子g( 2) 的相位因子改为2π - ω,则两个原子的波形完全相同。由于Gabor原子的相位因子ω∈[0,2π],完全能实现上述改变。因为频率因子v∈[0,2π],所以将频率因子v的取值范围简化为0到π。

设两个Gabor原子分别为g( 3) 和g( 4) ,它们的尺度因子、位移因子、频率因子的分别相同,相位因子分别为ω1、ω2且满足ω1- ω2= π。两个原子的差异仅仅是余弦函数部分,只对余弦函数进行分析,则:

由公式( 5) 可知,原子g( 3) 和g( 4) 的波形互为相反。相位因子ω = 0,π/6,2π/6,…,2π,在上述对频率因子简化的基础上,再将相位因子ω的取值范围简化为0到5π/6。频率因子和相位因子简化后的原子库为改进Gabor原子库,对应的频率因子和相位因子离散化范围为: 0≤k≤2j,0≤i≤5,原子库的原子数量为:

对比公式( 3) 可以发现,原子库的原子数量减少很多。比如,当信号长度为256时原子数量为30744,是对应Gabor原子库的原子数量119756的1 /4左右。

3 基于脉冲超声回波信号结构的尺度因子简化

由Gabor原子的离散化方法可以发现,尺度因子、位移因子、频率因子的离散化范围均与信号的长度有关,信号长度越长,尺度因子离散化范围越大,位移因子和频率因子的离散化步长越细,原子库的原子数量越大。因此,在对信号稀疏分解之前,必须对其进行有效长度截取,以减少原子库的规模。本文对管道检测的脉冲超声回波信号进行了有效长度截取,截取前的信号如图1所示。

由图1可见,除了有多次脉冲超声回波信号外,大部分信号的接近于0,如果直接对上述信号稀疏分解将导致对应原子库的数量巨大,很多原子是冗余的,因此在对信号稀疏分解之前有必要对信号进行有效截取。脉冲超声回波信号是一个调制的高斯信号,其包络实质是一个高斯函数。Gabor原子也是调制的高斯函数,原子尺度因子反应了高斯包络特性。因此运用原子对脉冲超声回波信号稀疏分解时,由于迭代前几次待分解的信号仍然是高斯调制信号,选择原子的尺度因子取值范围应该满足待分解信号的包络特性,基于此可以简化Gabor原子的尺度因子离散化范围,该方法得到的原子库为结构原子库。具体实现方法如下所示:

1根据脉冲超声回波信号的波形结构,确定样本信号的有效长度。

2用改进Gabor原子对一定数量样本信号进行稀疏分解,迭代次数均取前5次,对每次的待分解信号都进行如下操作:

一是提取待分解信号包络曲线。

二是拟合包络曲线为高斯函数,函数模型为

三是将参数c1转换为Gabor原子形式的尺度因子s1。

3统计上述所有样本信号的取值范围。

4根据s1的取值范围简化改进Gabor原子库的尺度因子离散化范围。

4 实验验证与分析

为了验证本文提出的简化方法的正确性,进行如下两个仿真实验。实验使用的脉冲超声回波信号是管道检测时产生的回波信号,探头的中心发射频率为10MHz,晶圆直径为6mm,耦合剂为水,采样频率为100MHz,仿真实验均在MATLAB上进行。

4. 1 Gabor原子库和改进Gabor原子库的稀疏分解相同性验证

运用Gabor原子库和改进Gabor原子库分别对图2所示的脉冲超声回波信号进行稀疏分解,分解方法为匹配追踪算法。迭代前10次选择的原子波形分别如图3和图4所示。

由图3和图4可以发现,两种原子库下稀疏分解每次选择的原子波形相同或相反。基于匹配追踪算法稀疏分解时,原子选择原则是信号或余量与原子的内积

绝对值最大,因此两种原子库的稀疏分解效果相同。

4. 2 Gabor原子库和结构原子库的稀疏分解性能对比

实验由两部分组成,首先是脉冲超声回波信号稀疏分解结构原子库的形成,然后是基于Gabor原子库和结构原子库的稀疏分解性能对比。

4. 2. 1样本信号有效长度截取

由图1可见,一段完整脉冲超声回波信号包括多次回波信号,每次的信号长度均在200点左右,Gabor原子只能处理长度为2的整数次方的信号,因此本文截取长度为256点的信号作为样本信号。

4. 2. 2样本信号的s1取值范围统计

本文取30组脉冲超声回波信号作为样本信号,,运用改进Gabor原子对其稀疏分解,并基于脉冲超声回波信号结构的尺度因子简化方法进行处理,统计出30组样本信号的s1的取值范围,如图5所示。

30组样本信号的最小值为32,最大值为380。

4. 2. 3原子尺度因子s1离散化范围

已经得到s1∈[32,380],因此稀疏分解选择的改进Gabor原子的尺度因子的离散化范围可简化为32到256之间。实验统计了基于改进Gabor原子对上述30组样本信号前5次稀疏分解选择原子的尺度因子s1的取值范围,如图6所示。

除了两组信号的最小值为16之外,大部分信号的取值范围均在32到256之间,验证了上述推理的正确性。由此得到的结构原子库的原子 数量为15372,与信号长度为256时对应Gabor原子库的原子数量119756相比,减少为原来的1 /8左右,原子数量大大减少。

4. 2. 4基于Gabor原子库和结构原子库的稀疏分解性能对比

本文以10组脉冲超声回波信号为测试信号,分别在Gabor原子库和上述得到的结构原子库下对其稀疏分解。实验统计了重构相对误差达到0. 02以内需要的迭代次数以及对应重构相对误差,以此来验证结构原子库的稀疏分解性能。重构相对误差的定义如下所示:

其中,x和分别表示原始信号与重构信号。

实验结果如表1所示。

由表1可以看出,运用Gabor原子库和结构原子库稀疏分解时,重构相对误差达到0. 02以内需要的迭代次数基本一致,相差范围在±3次以内。说明运用结构原子对管道检测脉冲超声回波信号稀疏分解的效果与Gabor原子接近。

5 结束语

7.原子的核式结构原子核 篇七

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.

（责任编辑罗艳）

判断中心原子的杂化类型有多种方法。运用鲍林的杂化轨道理论，可以较好地解释CH4等简单分子的空间结构；运用价层电子对互斥模型，可以预测简单分子或离子的空间构型；利用等电子原理，可以判断一些简单分子或离子的立体构型。[1]但以上方法均无法判断多中心原子的杂化类型。那么，如何在鲍林的杂化轨道理论和价层电子对互斥模型的基础上构建一种判断多中心原子的杂化类型的方法呢？本文着重介绍如何根据物质结构判断多中心原子的杂化类型，从而掌握高中化学要求的三种杂化类型，即sp杂化、sp2杂化和sp3杂化。

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.

（责任编辑罗艳）

判断中心原子的杂化类型有多种方法。运用鲍林的杂化轨道理论，可以较好地解释CH4等简单分子的空间结构；运用价层电子对互斥模型，可以预测简单分子或离子的空间构型；利用等电子原理，可以判断一些简单分子或离子的立体构型。[1]但以上方法均无法判断多中心原子的杂化类型。那么，如何在鲍林的杂化轨道理论和价层电子对互斥模型的基础上构建一种判断多中心原子的杂化类型的方法呢？本文着重介绍如何根据物质结构判断多中心原子的杂化类型，从而掌握高中化学要求的三种杂化类型，即sp杂化、sp2杂化和sp3杂化。

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.