核原子与质谱法

IB 化学 HL· S1.2 The nuclear atom· 15 分钟阅读

1. 1. 核原子的结构★★☆☆☆⏱ 15 min

欧内斯特·卢瑟福的金箔实验推翻了早期的原子'葡萄干布丁模型'，建立了如今被广泛接受的核式模型。

📘 定义

核原子

该模型认为，原子的大部分质量和全部正电荷都集中在一个小而致密的原子核中，原子核外被带负电的电子包围，电子占据了原子的大部分体积。

例:

中性碳-12原子有一个含6个质子、6个中子的原子核，核外有6个电子绕核运动。

亚原子粒子	相对电荷	相对质量	位置
质子	$+ 1$	$1$	原子核
中子	$0$	$1$	原子核
电子	$- 1$	$\approx 1/1836$	核外电子云

📐 例题

写出离子 $\ce_{13}^{27} A l^{3} +$ 中质子、中子和电子的数目

1
下方的数值 $Z$ （原子序数）等于质子数，因此：
2
$\text{Protons} = Z = 13$
3
上方的数值 $A$ （质量数）等于质子数 + 中子数，因此中子数计算如下：
4
$\text{Neutrons} = A - Z = 27 - 13 = 14$
5
$3 +$ 的正电荷说明中性原子失去了3个电子，因此：
6
$\text{Electrons} = 13 - 3 = 10$

Exam tip:

质子数决定元素种类，只有离子的电子数会发生变化。

2. 2. 同位素★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

同位素

同种元素的原子，质子数（原子序数）相同，但中子数（质量数）不同。

例:

氯有两种天然存在的稳定同位素： $\ce^{35} C l$ 和 $\ce^{37} C l$ 。

同位素具有相同的化学性质，因为它们的电子排布相同，而电子排布决定化学键合和反应性。由于质量不同，它们的物理性质（如质量、密度、熔点和扩散速率）存在差异。

📐 例题

硼的原子序数为5，比较硼-10和硼-11的原子结构和反应性。

1
两种同位素都是硼，因此质子数相同：
2
$\text{Protons for both} = 5$
3
计算每种同位素的中子数：
4
硼-10： $10 - 5 = 5$ 个中子；硼-11： $11 - 5 = 6$ 个中子
5
两种中性原子都有5个电子，因此电子排布完全相同。
6
结论：它们的核组成不同，但化学反应性相同。

3. 3. 质谱法与相对原子质量计算★★★☆☆⏱ 20 min

✓ 计算器

质谱法根据质荷比（ $m / z$ ）分离不同质量的离子。得到的质谱图以相对丰度对 $m / z$ 作图，对于最常见的+1价离子， $m / z$ 等于同位素质量。

📘 定义

相对原子质量 ($A_r$)

天然存在元素样品的加权平均质量，以一个碳-12原子质量的 $\frac{1}{12}$ 为基准。

📐 例题

氯有两种同位素，在质谱中峰位置为 $m / z = 35$ （丰度75.77%）和 $m / z = 37$ （丰度24.23%），计算氯的相对原子质量。

1
将每个同位素质量乘以其小数丰度：
2
$(35 \times 0.7577) + (37 \times 0.2423)$
3
计算乘积之和：
4
$26.5195 + 8.9651 = 35.4846$
5
按照IB考试规则保留3位有效数字：
6
$A_r(\text{Cl}) = 35.5$

✓ 快速检测

测试你的计算能力：

一种元素有两种同位素：10X（丰度20%）和11X（80%），其相对原子质量是多少？
- 10.0
- 10.2
- 10.8
- 11.0
显示答案
10.8 —
正确！ $(10 \times 0.2) + (11 \times 0.8) = 10.8$

4. 常见陷阱

错误做法:

不管离子电荷多少，都认为离子中的电子数等于质子数

原因:

只有中性原子的质子数和电子数相等；离子会得到或失去电子

正确做法:

质子数减去正电荷数，加上负电荷数，即可得到电子数

错误做法:

认为同位素具有不同的化学性质

原因:

化学反应性完全取决于电子排布，而同位素的电子排布完全相同

正确做法:

应说明同位素具有相同的化学性质和不同的物理性质

错误做法:

计算前忘记将百分比丰度转换为小数

原因:

这会导致最终结果比正确答案大100倍

正确做法:

将所有百分比丰度除以100，或将最终总和除以100

错误做法:

题目给出实际同位素质量时，却使用整数质量数

原因:

实际同位素质量与整数略有不同，这会导致计算出现小误差

正确做法:

始终使用题目质谱图中给出的 $m / z$ 值

5. 速查表

核心概念	公式/规则
原子序数 ( $Z$ )	质子数 = 元素的定义依据
质量数 ( $A$ )	$A = Z + 中子数$
离子中的电子数	电子数 = $Z - 电荷$
同位素	$Z$ 相同， $A$ 不同，化学性质相同
相对原子质量	$A_{r} = \frac{\sum ( 同位素质量 \times 丰度 )}{\sum 丰度}$
亚原子粒子电荷	质子 $+ 1$ ，中子 $0$ ，电子 $- 1$

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

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根据质谱图计算相对原子质量
2024 · 2
计算离子中的亚原子粒子数目
2023 · 1
识别同位素的性质

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simulationIB 质谱模拟交互式练习：计算平均原子质量

下一步

核原子与质谱法是所有后续化学学习的基础。相对原子质量的概念是化学计量的核心，而化学计量是你接下来将要学习的所有定量化学计算的基础。同位素组成也与核化学相关，你将在IB HL大纲的后续部分学习放射性和核反应。质谱法在有机化学中也有进一步应用，可用于确定有机化合物的分子质量和结构。