# 原子序数、质量数和同位素

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本小节讲解原子核的基本性质，包括原子序数、质量数、核素符号和同位素的定义。你还将学习如何根据同位素丰度数据计算相对原子质量，这是IB考试的常见题型。

**先修:** [原子的基本结构（质子、中子、电子）](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-introduction-to-the-atom/)

## 学习目标

- 区分原子序数、质量数和相对原子质量
- 写出并解读不同同位素的核素符号
- 根据同位素丰度数据计算相对原子质量
- 解释为什么同位素具有相似的化学性质

## 原子序数与质量数

**原子序数** — 一种元素的原子原子核内的质子数量，是元素的唯一标识。同一种元素的所有原子原子序数都相同，中性原子中原子序数等于电子数。

*记法:* $Z$

*例:* 碳永远有 $Z = 6$

**质量数** — 特定原子原子核内质子和中子的总数。由于质子和中子的质量都约为1个原子质量单位，因此质量数永远是整数。

*记法:* $A$

*例:* 碳-12 原子有 $A = 12$（6 个质子 + 6 个中子）

标准核素符号将这些信息组合为 $^A_Z X$，其中 $X$ 是元素的化学符号。要计算任意原子中的中子数，使用公式 $\text{neutrons} = A - Z$。

**例题:** 中性原子 $^{24}_{12}\text{Mg}$ 有多少个质子、中子和电子？

1. 步骤 1：从符号中识别 $Z$（下方数字）和 $A$（上方数字）：$Z = 12$，$A = 24$
2. 步骤 2：原子序数 = 质子数，因此质子数 = 12
3. 步骤 3：该原子是中性的，因此电子数 = 质子数 = 12
4. 步骤 4：使用 $A - Z$ 计算中子数
5. $$24 - 12 = 12$$
6. 最终答案：12 个质子，12 个中子，12 个电子

## 同位素

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

*例:* 氢有三种天然存在的同位素：$^1_1\text{H}$（氕），$^2_1\text{H}$（氘），$^3_1\text{H}$（氚）

因为同位素质子数相同，因此它们的电子排布也完全相同。这意味着它们的化学性质相同，仅在质量、密度、沸点等物理性质上有差异。

> **info**
>
> 不稳定的同位素称为放射性同位素，它们有广泛应用，包括放射性碳定年、癌症治疗和工业示踪测试。

**例题:** 判断下列粒子中哪些是同一种元素的同位素：$^{14}_6\text{X}$，$^{12}_7\text{Y}$，$^{14}_7\text{Z}$，$^{12}_6\text{W}$

1. 步骤 1：记住同一种元素的同位素原子序数（$Z$）必须相同
2. 步骤 2：按 $Z$ 值分组：$Z=6$：X 和 W；$Z=7$：Y 和 Z
3. 步骤 3：X 和 W 的 $Z$ 相同（同元素）但质量数不同，因此是同位素。Y 和 Z 的 $Z$ 也相同，因此是第二种元素的同位素。

## 计算相对原子质量

**相对原子质量** — 元素所有天然存在同位素质量数按相对丰度加权的平均值，这就是IB元素周期表中每个元素标注的数值。

*记法:* $A_r$

对于百分比丰度数据，相对原子质量的公式为：

$$A_r = \frac{(A_1 \times \%_1) + (A_2 \times \%_2) + ...}{100}$$

其中 $A_1$ 和 $A_2$ 是各同位素的质量数。如果丰度以小数分数给出，则不需要除以 100。

**例题:** 氯有两种天然同位素：75.77% $^{35}\text{Cl}$ 和 24.23% $^{37}\text{Cl}$。计算氯的相对原子质量。

1. 步骤 1：将数值代入公式：
2. $$A_r = \frac{(35 \times 75.77) + (37 \times 24.23)}{100}$$
3. 步骤 2：计算分子：
4. $$(35 \times 75.77) = 2651.95; \quad (37 \times 24.23) = 896.51; \quad \text{Total} = 3548.46$$
5. 步骤 3：除以 100 得到最终结果：
6. $$A_r = 35.48 \approx 35.5$$

**概念自测**

检测你的理解：

1. 氖有两种同位素：90% $^{20}\text{Ne}$ 和 10% $^{22}\text{Ne}$。氖的相对原子质量是多少？

   - 20.0
   - 20.2
   - 21.0
   - 22.0

   *答案:* 20.2

   *解析:* 正确计算：$(20 \times 0.9) + (22 \times 0.1) = 18 + 2.2 = 20.2$

## 常见错误

- **错误做法:** 使用元素周期表的相对原子质量计算中子数
  - 原因: 相对原子质量是所有同位素的加权平均值，不是单个原子的质量数，因此它通常是小数，不能直接使用
  - 正确做法: 永远使用核素符号中给出的质量数，通过 $A - Z$ 计算中子数
- **错误做法:** 在核素符号中交换 $Z$ 和 $A$ 的位置
  - 原因: 混淆上下位置会导致质子和中子计数错误
  - 正确做法: 记住：质量数 A（A）在元素符号上方（Above），原子序数 Z 在下方（底部）
- **错误做法:** 声称同位素的化学性质不同
  - 原因: 化学反应性取决于电子排布，同一种元素的所有同位素电子排布都相同
  - 正确做法: 同位素之间只有物理性质（质量、密度、沸点）不同
- **错误做法:** 使用百分比丰度时忘记除以 100
  - 原因: 百分比总和为 100，因此质量 × 百分比的总和会是正确结果的 100 倍
  - 正确做法: 使用百分比丰度时一定要除以 100，或者计算前先将百分比转换为小数

## 速查表

| 术语 | 符号 | 核心定义 | 公式 |
| --- | --- | --- | --- |
| 原子序数 | $Z$ | 原子核内的质子数量 |  |
| 质量数 | $A$ | 质子 + 中子总数 | $\text{Neutrons} = A - Z$ |
| 同位素 |  | Same $Z$, different $A$ |  |
| 相对原子质量 | $A_r$ | 同位素的加权平均值 | $A_r = \frac{\sum (A_i \times \%_i)}{100}$ |
| 核素符号 | $^A_Z X$ | 原子的标准表示法 |  |

## 下一步

本小节是IB化学SL中原子结构和元素周期表所有后续学习的基础。理解同位素的性质以及如何计算相对原子质量对于后续主题（包括质谱法、化学计量计算和核化学）至关重要。掌握这些基本定义和简单计算将帮助你在期末考试的试卷1和试卷2中轻松拿到分数，同时为更高级的概念构建核心知识基础。

- [质谱法与同位素丰度](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-mass-spectrometry/)
- [原子中电子的基本排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-basic-electron-arrangement-in-atoms/)
- [结构 2：电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-overview/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-atomic-number-mass-number-and/