同位素与相对原子质量
CIE IGCSE 化学· 2.3· 12 分钟阅读
1. 什么是同位素？（核心内容）★★☆☆☆⏱ 3 min
同位素
同一种元素的原子，具有相同的质子数（质子数Z相等）但中子数不同（核子数A不同）
例:
碳有两种稳定同位素：碳-12（6个质子，6个中子）和碳-13（6个质子，7个中子）
同位素的化学性质完全相同，因为它们的外层电子数一致，因此会参与完全相同的化学反应。它们的物理性质（质量、密度、沸点）存在差异，因为总原子质量不同。
三个原子的亚原子粒子数量如下：原子W：17个质子，18个中子，17个电子；原子X：17个质子，20个中子，17个电子；原子Y：18个质子，22个中子，18个电子。判断哪一对是同位素，并说明理由。
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回忆同位素的定义：同种元素的原子，质子数相同而中子数不同
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对比质子数：原子W有17个质子，原子X有17个质子，原子Y有18个质子
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原子W和X是氯的同位素：二者质子数相同（均为17），中子数不同（18和20）
Exam tip:
在考试题目中判断同位素时，必须同时提及质子数和中子数以获得全分，不要只提到质量数。
2. 相对原子质量：核心计算★★★☆☆⏱ 4 min
相对原子质量
某元素单个原子的加权平均质量，与碳-12同位素单个原子质量的1/12的比值
自然界中大多数元素都以同位素混合物的形式存在。元素周期表上列出的Aᵣ值同时考虑了该元素每种天然存在同位素的质量和丰度百分比。
镁在自然界中以三种同位素存在：79%的镁-24，10%的镁-25，11%的镁-26。计算镁的相对原子质量。
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使用基于百分比丰度的Aᵣ加权平均公式：
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Exam tip:
计算Aᵣ时必须写出完整计算过程，即使你可以心算出结果，也要写全步骤以拿到所有得分点。
3. 拓展内容：通过相对丰度计算Aᵣ★★★★☆Extended 专属⏱ 3 min
对于拓展层级的内容，题目可能会以简单比值（例如3:1）而非百分比的形式给出元素同位素的丰度。当丰度以比值形式给出时，你需要用比值的总和作为分母，而不是除以100。
铷以两种同位素存在，相对丰度比为3:1：铷-85（相对丰度3）和铷-87（相对丰度1）。计算铷的相对原子质量。
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当丰度以比值而非百分比形式给出时，使用比值的总和作为分母：
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Exam tip:
如果丰度值以比值（或任意单位）形式给出，总和不等于100，一定要将所有丰度值相加作为分母，不要除以100。
4. 常见陷阱
错误做法:
将同位素定义为质量数相同但质子数不同的原子
原因:
这会将同位素与不同元素的原子混淆。同位素的质子数相同，中子数/质量数不同。
正确做法:
始终明确同位素是同种元素的原子，质子数相等，中子数不同。
错误做法:
将Aᵣ计算为同位素质量的简单平均值而非加权平均值
原因:
这忽略了同位素丰度的差异，会导致最终计算结果错误。
正确做法:
将每个同位素的质量乘以其丰度，将所有乘积相加后除以总丰度（百分比丰度除以100，比值丰度除以比值总和）。
错误做法:
声称同位素具有不同的化学性质
原因:
化学性质仅由最外层电子排布决定，同种元素的所有同位素的最外层电子排布完全相同。
正确做法:
明确同位素的化学性质完全相同，仅在质量、密度等物理性质上存在差异。
错误做法:
在拓展层级的Aᵣ计算中，当题目给出相对丰度比值时仍使用100作为分母
原因:
这会错误地假设所有丰度都是百分比，导致Aᵣ的计算结果偏高或偏低。
正确做法:
将题目中给出的所有相对丰度数值相加，使用该总和作为计算的分母。
5. 速查表
术语 | 核心要求 | 拓展要求 |
|---|---|---|
同位素定义 | 同种元素：质子数相同，中子数不同；能够解读原子和离子符号 | — |
同位素性质 | 化学性质完全相同；物理性质（质量、密度）不同 | 解释化学性质相同的原因：电子数相同/电子排布相同 |
Aᵣ计算 | 根据百分比丰度计算加权平均值 | 根据以比值形式给出的相对丰度计算（将比值总和作为分母） |
6. 常见问题
为什么同位素具有相同的化学性质？
同种元素的同位素核外最外层电子数完全相同，所有化学反应都由最外层电子控制，中子数不会影响反应活性。
为什么氯的Aᵣ是35.5而不是整数？
Aᵣ是氯所有天然同位素的加权平均值。自然界中75%的氯是氯-35，25%的氯是氯-37，因此最终平均值为35.5。
深入阅读
下一步
在掌握同位素和相对原子质量后，你可以继续学习电子层排布，这是CIE IGCSE化学0620原子结构部分的下一个核心概念。理解Aᵣ也是摩尔计算的基础，摩尔计算是核心和拓展层级都占大量考试分值的重点主题。拓展层级的考生需要同时练习百分比丰度和相对丰度比值形式的Aᵣ计算，这类题型在结构化考题中出现频率很高。