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原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，原子結(jié)構(gòu)影響原子間的結(jié)合方式，而原子間結(jié)合的方式?jīng)Q定了材料的種類，不同材料有著不同的性能，同一材料經(jīng)過不同的加工工藝后也會(huì)有不同的性能，這些都?xì)w結(jié)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，本文重講一下原子結(jié)構(gòu)（Atomic Structure）的相關(guān)知識(shí)。 01 原子結(jié)構(gòu) 原子雖然為構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，但原子并不是最小的微粒，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。原子由原子核（質(zhì)子和中子）和電子構(gòu)成，電子繞核做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，形成的電子云模型。原子核內(nèi)有中子和質(zhì)子，體積很小，卻承擔(dān)了原子絕大部分的質(zhì)量。如圖1所示為原子結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖1 原子的原子序數(shù)（Atomic numbers）表示原子核中的質(zhì)子數(shù)（帶正電的粒子），在中性原子中，原子序數(shù)也等于電荷云中的電子數(shù)。所有元素都是根據(jù)周期表中的電子構(gòu)型分類的。 原子核的帶電情況如圖2所示： 圖2 質(zhì)子：每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷 中子：不帶電，電中性 原子核（質(zhì)子+中子）：帶正電 核外電子：每個(gè)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷 原子（原子核+核外電子）：不帶電，電中性 【注】核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù) 02 原子的電子結(jié)構(gòu) （1）量子數(shù) 電子繞原子核在一定軌道上旋轉(zhuǎn)，核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由主量子數(shù) n、軌道動(dòng)量量子數(shù) l、磁量子數(shù) m、自旋量子數(shù) ms 確定。量子數(shù)是原子中分配電子到離散能級(jí)的數(shù)。 每個(gè)電子所屬的能級(jí)由四個(gè)量子數(shù)決定： 主量子數(shù) n：K、L、M、N、O、P、Q、…… 角量子數(shù) li：s、p、d、f、…… 磁量子數(shù) m：2l + 1 自旋量子數(shù) ms： 隨著主量子數(shù)n值的增加，電子層按K、L、M、N、O…的順序排列，電子的能量逐漸升高、電子離原子核的平均距離也越來越大。如圖3所示有原子核，K、L、M、N殼層。 圖3 （2）電子排布 原子處于基態(tài)時(shí)，即原子的能量處于最低的狀態(tài),此時(shí)原子最穩(wěn)定，必須遵循如下原則： ●能量最低原則：電子優(yōu)先占據(jù)能級(jí)較低的原子軌道，當(dāng)能量低的殼層占滿后，電子才會(huì)占據(jù)能量較高的層級(jí)，這使整個(gè)原子體系能量處于最低，如圖4所示。 圖4 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p ●泡里不相容原理（Pauli’s exclusion principle）：一個(gè)原子軌道最多容納兩個(gè)電子，且這兩個(gè)電子自旋方向必須相反，即2n2 洪特規(guī)則（Hund's rule）：在能級(jí)高低相等的軌道上，電子盡可能分占不同軌道，電子自旋平行，即全充滿，半充滿，全空，核外電子以這三種形式排布時(shí)比較穩(wěn)定。 全滿（s2、p6、d10、f14） 半滿（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0） 圖5以氫原子為例，分析了電子排布，藍(lán)點(diǎn)只有一個(gè)填充電子。 圖5 第24號(hào)元素鉻Cr，若按各能級(jí)填充規(guī)則，其核外電子排布式應(yīng)為1s22s22p63s23p63d44s2。但依據(jù)洪特規(guī)則可知3d能級(jí)填充5個(gè)電子時(shí)較穩(wěn)定，故其核外電子排布為1s22s22p63s23p63d54s1 圖6 為電子能量隨主量子數(shù)和次量子數(shù)變化情況。 圖6 03 原子質(zhì)量（Atomic mass） 元素的相對原子質(zhì)量是該元素的6.023×1023個(gè)原子（阿伏伽德羅數(shù)NA）的質(zhì)量，單位為克。 04 原子尺寸（Atomic size） 圖7 原子尺寸由原子半徑?jīng)Q定，影響原子半徑的因素有三個(gè)：一是核電荷數(shù)，核電荷數(shù)越多原子核對核外電子的引力越大（使電子向原核收縮），則原子半徑越小；當(dāng)電子層數(shù)相同時(shí)，其原子半徑隨核電荷數(shù)的增加而減?。欢亲钔鈱与娮訑?shù)，最外層電子數(shù)越多半徑越大；三是電子層數(shù)（電子的分層排布與離核遠(yuǎn)近空間大小以及電子云之間的相互排斥有關(guān)），電子層越多原子半徑越大。當(dāng)電子層結(jié)構(gòu)相同時(shí)，質(zhì)子數(shù)越大，半徑越小。如圖7為原子及其離子的尺寸情況。 05 電負(fù)性（Electronegativity） 電負(fù)性是元素的原子在化合物中吸引電子的能力的標(biāo)度。元素的電負(fù)性越大，表示其原子在化合物中吸引電子的能力越強(qiáng)。元素電負(fù)性數(shù)值越大，表示其原子在化合物中吸引電子的能力越強(qiáng)；反之，電負(fù)性數(shù)值越小，相應(yīng)原子在化合物中吸引電子的能力越弱（稀有氣體原子除外）。 圖8 圖8給出了元素周期表中不同原子的電負(fù)性，其變化情況如下 ● 隨著原子序號(hào)的遞增，元素的電負(fù)性呈現(xiàn)周期性變化。 ● 同一周期，從左到右元素電負(fù)性遞增，同一主族，自上而下元素電負(fù)性遞減。對副族而言，同族元素的電負(fù)性也大體呈現(xiàn)這種變化趨勢。因此，電負(fù)性大的元素集中在元素周期表的右上角，電負(fù)性小的元素集中在左下角。 ● 電負(fù)性越大的非金屬元素越活躍，電負(fù)性越小的金屬元素越活潑。氟的電負(fù)性最大(4.0)，是最容易參與反應(yīng)的非金屬；電負(fù)性最小的元素(0.79）銫是最活潑的金屬。 （來源：材料基 版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意） |
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