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原子结构
概览
本笔记梳理原子的组成（质子、中子、电子）、质量数与同位素概念，以及核外电子排布规律。这是理解元素周期表与周期律的微观基础。重点掌握"原子序数 = 核电荷数 = 质子数 = 核外电子数"，质量数关系 $A = Z + N$，以及核外电子的排布规律（1s、2s、2p……）。
核心概念
原子的构成
原子由原子核与核外电子构成，原子核由质子和中子构成：
| 微粒 | 电性 | 质量 | 相对质量 | 作用 |
|---|---|---|---|---|
| 质子（$\ce{p}$） | 带 $+1$单位正电荷 | 约$1.6726\times10^{-27}\ \ce{kg}$ | $\approx 1$ | 决定元素种类 |
| 中子（$\ce{n}$） | 不带电 | 约 $1.6749\times10^{-27}\ \ce{kg}$ | $\approx 1$ | 决定同位素种类 |
| 电子（$\ce{e^-}$） | 带 $-1$单位负电荷 | 约$9.1\times10^{-31}\ \ce{kg}$ | $\approx \frac{1}{1836}$ | 决定化学性质 |
数量关系（重要）
对于原子（电中性）： $$ \text{原子序数} = \text{核电荷数} = \text{质子数} = \text{核外电子数} $$
质量数： $$ A = Z + N $$ 其中 $A$ 为质量数，$Z$ 为质子数，$N$ 为中子数。
中子数计算
中子数 $N = A - Z$。如 $\ce{^{23}Na}$：质子数 $11$，中子数 $23 - 11 = 12$。注意不要把质子数当中子数。
重点知识：核素与同位素
核素
具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子称为核素。如 $\ce{^{1}_{1}H}$、$\ce{^{2}_{1}H}$、$\ce{^{3}_{1}H}$ 是三种不同的核素。
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同位素。
| 核素 | 符号 | 质子数 | 中子数 | 名称 |
|---|---|---|---|---|
| 氕 | $\ce{^{1}_{1}H}$ | $1$ | $0$ | 氢 |
| 氘（重氢） | $\ce{^{2}_{1}H}$（$\ce{D}$） | $1$ | $1$ | 重氢 |
| 氚（超重氢） | $\ce{^{3}_{1}H}$（$\ce{T}$） | $1$ | $2$ | 超重氢 |
同位素的性质
同位素化学性质几乎完全相同（决定化学性质的是核外电子数/最外层电子数，质子数相同则电子数相同），但物理性质（如相对原子质量）略有差异。
同位素判断要点
判断同位素看"质子数相同、中子数不同"。如 $\ce{^{12}_{6}C}$与$\ce{^{14}_{6}C}$ 是同位素（都是碳元素）；$\ce{^{14}_{6}C}$与$\ce{^{14}_{7}N}$ 虽然质量数相同，但质子数不同，是不同元素，不是同位素。
相对原子质量
- 某元素原子的近似相对原子质量 $\approx$ 质量数。
- 元素的相对原子质量 = 各同位素相对原子质量按丰度（自然界中含量）加权平均。
重点知识：核外电子排布
电子层
核外电子按能量高低分层排布，从内到外依次为 $\ce{K}$、$\ce{L}$、$\ce{M}$、$\ce{N}$、$\ce{O}$、$\ce{P}$、$\ce{Q}$ 层，能量依次升高，离核由近及远。
排布规律（四大规律）
- 能量最低原理：电子优先排布在能量较低的电子层（由内向外填充）。
- 每层最多 $2n^2$个电子：第$n$层最多容纳$2n^2$个电子。如$\ce{K}$层$2$、$\ce{L}$层$8$、$\ce{M}$层$18$。
- 最外层电子数不超过 $8$ 个（$\ce{K}$层为最外层时不超过$2$ 个）。
- 次外层电子数不超过 $18$个，倒数第三层不超过$32$ 个。
轨道填充顺序与电子排布式
能量由低到高（构造原理）： $$ 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < \cdots $$
各轨道最多容纳电子数：$s$轨道$2$、$p$轨道$6$、$d$轨道$10$、$f$轨道$14$。
常见原子电子排布式：
| 元素 | 电子排布式 |
|---|---|
| $\ce{H}$ | $1s^1$ |
| $\ce{C}$ | $1s^2 2s^2 2p^2$ |
| $\ce{O}$ | $1s^2 2s^2 2p^4$ |
| $\ce{Na}$ | $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ |
| $\ce{Cl}$ | $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ |
| $\ce{K}$ | $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$ |
| $\ce{Fe}$ | $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2$ |
3d 与 4s 的填充顺序
钾、钙先填 $4s$再填$3d$（$4s$能量低于$3d$），所以 $\ce{K}$的最外层电子排布是$4s^1$，而不是 $3d^1$。书写电子排布式时先按能量顺序写 $3d^6 4s^2$（如 $\ce{Fe}$）。
洪特规则特例（半充满/全充满稳定）
$\ce{Cr}$：$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$（$3d$ 半充满稳定）；$\ce{Cu}$：$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1$（$3d$ 全充满稳定）。这是选必二深化考点。
原子结构示意图
如钠原子结构示意图：圆圈内写"$+11$"（核电荷数），弧线上依次写 $2$、$8$、$1$，表示各层电子数。
原子结构示意图 vs 离子结构示意图
原子：核外电子数 = 质子数。阳离子（如 $\ce{Na+}$）核外电子数 = 质子数 $-$电荷数；阴离子（如$\ce{Cl^-}$）核外电子数 = 质子数 $+$ 电荷数。
典型例题
例题 1：同位素判断
题目：下列各组微粒互为同位素的是（ ） A. $\ce{^{12}C}$与$\ce{^{14}C}$ B. $\ce{^{16}O^{2-}}$与$\ce{^{18}O^{2-}}$ C. $\ce{O2}$与$\ce{O3}$ D. $\ce{^{1}H2O}$与$\ce{^{2}H2O}$
分析：同位素定义是"质子数相同、中子数不同的同种元素的不同原子"。A 中 $\ce{^{12}C}$与$\ce{^{14}C}$ 质子数都是 6，中子数分别为 6、8，是同位素。B 是离子不是原子；C 是同素异形体（不同单质）；D 是分子（不同水分子）。
解答：答案：A。
点评：同位素必须是"原子"，且"质子数相同、中子数不同"。同素异形体（$\ce{O2}$/$\ce{O3}$）是单质层面，同位素是原子层面，两者不要混淆。
例题 2：原子中微粒数目计算
题目：某二价阳离子 $\ce{X^{2+}}$含$24$个电子，其质量数为$56$，则中子数为（ ） A. $28$ B. $30$ C. $32$ D. $34$
分析：$\ce{X^{2+}}$是失去 2 个电子的阳离子，核外有$24$ 个电子，则中性原子核外电子数（即质子数）$= 24 + 2 = 26$。中子数 $N = A - Z = 56 - 26 = 30$。
解答：答案：B。
点评：涉及离子时先还原质子数（阳离子 $Z =$电子数$+$电荷数），再用$N = A - Z$ 求中子数。
易错提醒
易错点清单
- 原子序数 = 核电荷数 = 质子数 = 核外电子数（只对原子成立，离子不成立）。
- 中子数 $N = A - Z$，质量数 $A$ 不是相对原子质量的精确值，而是近似值。
- 同位素是"不同核素"，同素异形体是"不同单质"，不要混淆。
- 电子层最外层不超过 $8$（$\ce{K}$层不超过$2$），次外层不超过 $18$。
- 书写电子排布式注意 $4s$先于$3d$；$\ce{Cr}$、$\ce{Cu}$ 有洪特规则特例。
- 阳离子核外电子数 $=$质子数$-$电荷数，阴离子$=$质子数$+$ 电荷数。
与其他知识关联
- 原子结构决定元素在周期表中的位置（电子层数 = 周期序数），见 02-元素周期表。
- 核外电子排布的周期性变化是元素周期律的实质，见 03-元素周期律。
- 原子核外电子排布是化学键形成的微观基础，见 04-化学键。
- 电子排布与杂化轨道的关系在 杂化轨道理论 中深化（选必二）。