# 原子与亚原子粒子

> IB 化学 HL · S1：物质微粒性质的模型
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-atoms-and-subatomic-particles/

本子主题介绍原子的基本结构、质子中子电子的关键性质，以及核素、离子、同位素的核心符号表示，是IB化学HL后续所有学习的基础。

**先修:** 掌握物质由原子构成的基础认知

## 学习目标

- 识别三种主要亚原子粒子及其相对性质
- 计算中性原子和离子中的质子、中子和电子数
- 正确解读标准核素符号
- 区分同位素并比较它们的性质

## 亚原子粒子的性质

**原子** — 保留元素所有化学性质的最小单位。原子由致密带正电的原子核，以及核外带负电的电子云构成。

| 粒子 | 相对质量 | 相对电荷 | 位置 |
| --- | --- | --- | --- |
| 质子 | 1 | +1 | 原子核 |
| 中子 | 1 | 0 | 原子核 |
| 电子 | 1/1836 | -1 | 原子核外电子云 |

> **tip**
>
> IB考试几乎总是考察相对质量和电荷，不会考察千克或库仑单位下的绝对值。你仅需记住上述相对值即可。

**例题:** 比较质子和电子的相对质量与相对电荷。

1. 从表中回忆每种粒子的相对性质：
2. $$\text{Proton: mass} = 1, \text{charge} = +1$$
3. 回忆电子的性质：
4. $$\text{Electron: mass} = \frac{1}{1836} \approx 0, \text{charge} = -1$$
5. 结论：质子的质量约是电子的1836倍，电荷大小相等，电性相反。

## 核素符号与粒子计数

**核素符号** — 特定原子种类的标准表示方法，其中 $Z$ = 原子序数（质子数），$A$ = 质量数（质子+中子总数），$X$ = 元素的化学符号。

*记法:* _Z^A X

对于中性原子，质子数等于电子数，因此净电荷为零。对于带电离子，电子数与质子数不同：带正电的阳离子失去电子，带负电的阴离子得到电子。离子形成过程不会改变质子数和中子数。

**例题:** 求$_{17}^{35}\text{Cl}^-$离子中的质子、中子和电子数。

1. 从符号中提取数值：$Z = 17$（质子数），$A = 35$（质量数），电荷 = -1
2. 质子数 = $Z$ = 17（一种元素的质子数永远不变）
3. 中子数按$A - Z$计算：
4. $$n = 35 - 17 = 18$$
5. 对于-1电荷，质子数加1得到电子数：电子数 = 17 + 1 = 18
6. 最终结果：17个质子，18个中子，18个电子

**概念自测**

测试你的理解：

1. $_{12}^{24}\text{Mg}^{2+}$中有多少个电子？

   - 10
   - 12
   - 14
   - 24

   *解析:* 正确：$Z=12$个质子，+2电荷意味着12 - 2 = 10个电子。电荷仅改变电子数。

## 同位素及其性质

**同位素** — 同一种元素的原子，原子序数（质子数）相同，但质量数不同（中子数不同）。

同一种元素的同位素化学性质相同，因为化学反应性由电子数决定，所有同位素的电子数都相同。由于质量不同，它们的物理性质（如质量、密度、沸点、熔点）不同。部分同位素具有放射性（放射性同位素），在医学、考古学和工业中有应用。

**例题:** 比较碳的两种常见同位素碳-12和碳-14的亚原子组成和性质。

1. 碳的原子序数永远是$Z=6$，因此两种同位素都有6个质子。
2. 计算各自的中子数：碳-12（A=12）有12 - 6 = 6个中子；碳-14（A=14）有14 - 6 = 8个中子。
3. 两者都是中性，因此都有6个电子。
4. 性质比较：化学性质完全相同。物理性质不同：碳-14更重且具有放射性，碳-12稳定。

## 常见错误

- **错误做法:** 不管电荷多少，都将原子序数Z作为所有物种的电子数。
  - 原因: 只有中性原子的质子数和电子数相等。离子得到或失去电子，改变了电子数。
  - 正确做法: 对于+n阳离子：电子数 = Z - n。对于-n阴离子：电子数 = Z + n。质子数永远等于Z。
- **错误做法:** 将中子数算成Z - A而非A - Z。
  - 原因: 质量数A是质子和中子的总和，因此永远大于原子序数Z。这个错误会得到负的中子数。
  - 正确做法: 中子数 = 质量数 (A) 减 原子序数 (Z)：$n = A - Z$。
- **错误做法:** 声称同一种元素的同位素化学性质不同。
  - 原因: 化学反应性由电子排布决定，同一种元素的同位素电子排布完全相同。
  - 正确做法: 同位素的化学性质完全相同，仅质量、密度这类物理性质不同。
- **错误做法:** 将元素周期表中的平均相对原子质量用作特定核素的质量数A。
  - 原因: 相对原子质量是元素所有同位素的加权平均值，通常不是整数。质量数是单个核素的核子总数，永远是整数。
  - 正确做法: 仅使用题目中给出的特定核素的质量数，不要使用元素周期表中的平均值。

## 速查表

| 物理量 | 计算方法 | 离子规则 |
| --- | --- | --- |
| 质子数 | 等于Z（原子序数） | 电荷不改变 |
| 中子数 | A - Z | 电荷不改变 |
| 电子（中性原子） | 等于Z | 不适用 |
| 电子（+n阳离子） | Z - n | 减去电荷值 |
| 电子（-n阴离子） | Z + n | 加上电荷大小 |

## 下一步

本主题是IB化学HL中所有原子结构和化学键概念的基础。你将以此核心理解为基础，探索原子模型的历史发展，之后学习质谱法如何分离同位素并计算平均相对原子质量。掌握亚原子粒子计数和核素符号对IB化学所有后续主题（包括化学计量比、化学键、核化学）都至关重要，这一基础内容经常在Paper 1和Paper 2考试中考察。

- [核原子与质谱法](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-the-nuclear-atom-and-mass/)
- [电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-electron-configurations/)
- [摩尔概念](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-the-mole-concept/)

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