AP化学知识点：从atomos的角度看世界

当我们开始学习化学， 我们就开始从微观的角度来观察和研究这个世界。今天AP知识点的总结里我们就从微观角度，或者原子层次上开始思考物质的组成。

本文目录

01原子结构 (Atomic Structure)

02电子组态 (Electron Configurations)

03元素周期表 (Periodic Table)

04摩尔和摩尔质量 (Moles and Molar Masses)

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1、原子结构(Atomic Structure)

古希腊哲学家们管原子(atom)叫“atomos”，意为 “不可分割的”（似乎听上去有点浪漫呢？）。而从化学的角度来说，原子就是不可分割的一个物体的最小单位。

意思是说，当我们形容一个物质的化学组成时，原子是我们会使用的最小单位。 比如，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。然而，从物理角度来说，原子还是可以被继续“分割”。简单来说，原子由两个部分组成：

1）原子核（nucleus)由质子（protons)和中子（neutrons)两个更小的微粒而组成，占据一个原子的中心

2）电子（electrons）它们没有固定的位置，围绕着原子核有相对灵活的活动空间。我们也会称围绕着原子核的电子们为“electron clouds”，用来形容裹挟着整个原子核的所有电子的总和。

不过AP在这方面不做更多考察，我们只要知道这些即可。 但我们需要知道的是，质子为正极(positively charged), 中子为中性，因此原子核也为正极。电子为负极(negatively charged)，而正负相吸这一点就解释了为什么电子围绕着原子核转：我们说它们被“attracted”。

2、电子组态(Electron Configurations)

2020的guideline说不写，但是2019及以前的AP都考察了这一个知识点，所以我决定还是简短带大家复习一下这个内容。AP的嘴骗人的鬼

每一个电子都占据一个orbital（轨域）,分为s,p,d,f几种，对于它们分别的特征和如何区分在这里暂且不展开讨论。但可以确定的是，每一个orbital都至多只能存放两个电子，无论它属于哪一个种类。

初中的时候我们曾学到，围绕着原子核的电子们会从里到外一层层往外堆，并且每一层能存放的电子数都是有限的：第一层最多有2个电子，第二层最多有8个电子，第三层也是最多8个电子，以此类推（其实就是对应的元素周期表横排上有多少个元素）。

第一层只有两个电子，它们都在1s orbital里。第二层里有两个电子在s orbital，六个在p orbital（对应着元素周期表的最右边六个）。 先来看一个Electronic configuration的例子：

Oxygen (O) 1s²2s² 2p⁴

【解析】

Orbital 前面的数字代表电子层，而右上角的数字代表对应的orbitals里有多少个electrons。所以这里就是一层的s orbital里有两个电子，2层的s orbital里有两个电子，p orbital里有四个电子。可以对应着元素周期表看，从1号的H开始一步步数过去。

对于原子，可以把右上角的数字加起来，如果总数对应不上这个原子的atomic number，那么我们就得重新考虑了：这是个离子吗？还是我们写错了？ 我们使用electronic configuration的目的就在于，我们可以快速判断电子的分布情况。 我们也可以根据最外层电子数，最快锁定一个原子是否丢失或者获得某些电子，成为离子。

对于电子数比较多的，还有一种简便的写法（condensed configuration)，先把前面最靠近你正在写electronic configuration的原子的noble gas写出来，再写出剩下的。比如O就应该是 [He]2s²2p⁴。 这样做，我们也能更快速的看到最外层电子。 再给大家提供几个examples练练手，大家先做，写出完整的和condensed的，再看答案哈。

Nitrogen(N)，Magnesium(Mg)，Chlorine(Cl)

答案：N 1s²2s²2p⁵N [He] 2s²2p⁵

Mg 1s²2s²2p⁶3s²

Mg [Ne] 3s²

Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Cl [Ne] 3s²3p⁵

3、元素周期表（Periodic Table）

元素周期表可谓是学化学绕不过的核心要点。 一个原子的质子数和电子数会很大程度上决定它的性质。而元素周期表参考每一个元素的内部结构来排列它们，同时也将同种性质的元素组合在了一起。

在AP考察的范畴里，这些元素大致被划分为(在元素周期表中也标志出来了)：

Group 1 Alkali Metals

Group 2 Alkaline Metals

Group 3 - 12 Transitional Metals

Group 17 Halogens

Group 18 Nobel Gases

另外，元素周期表还有一个非常实用的用处，就是可以直观地反应元素性质的规律。

这张表对我们非常实用且重要。这些性质的规律能帮助我们预测多个不同元素的原子之间，在不同环境下的反应。我们可以复盘以下几个知识点，着手思考：

横排(period)的元素共同点在于它们的电子层数相同。

纵行的族（group)之间的共同点在于每个元素的最外层电子数（number of valence electrons)相同。

原子核为正极，电子为负极。

这几个简单的点可以解释一些规律。例如：

Atomic Radius（原子半径）：

同一个period里，越往右（质子数越大），原子越小。这是因为原子核内的质子数越多，电子便会离原子核更近。想象原子核和电子分别为正极和负极的磁铁，一旦质子数变多，意味着这块正极的磁铁现在有更强的吸引力。 有些同学可能会提问，那电子也多了一个，为什么不变大呢？ 这是因为一个电子太小，与这个吸引力相比仍然是后者影响更大。

4、摩尔和摩尔质量(Moles and Molar Masses)

Moles:一个可测量的物体由千万个原子组成， 一个个数无疑不太现实，再加上它们每一个的质量都轻到无法检测，我们只好用打包的方法从原子角度来算一个物质的质量。这个打包的单位叫做mole，适用于原子，离子，电子等任何粒子。

Avogadro’s number 就是指的1mole的物质里面所含的质子数，即6.02 *10²³particles/mol。我们在之后会频繁的使用mol来计算某一个物质的质量，或者推断出某个物质里面的粒子数。 以Potassium（K）为例，我们知道1mol K的质量是39.098 g/mol，意味着一个mole单位的钾，或是6.02 *10²³个钾原子加起来是这么重。

接下来有一些易混淆的概念：

1）Molecular Weight （g/mol）基本上和atomic weight的意思一样，只不过AW就是指1mol的某原子的质量，例如之前提到的钾，而molecular weight是指一个mol的某分子的质量。 例如H₂O的molecular weight就是2mol * 1.01 g/mol + 1 mol * 16.00 g/mol = 18.02 g/mol。 这个对于由双原子分子(diatomic molecule)也同样适用,比如O₂就是2mol * 16.00g/mol = 32.00 g/mol。

2）Atomic Mass Unit (amu)单看数值，amu值和molecular weight的值是相等的。但从概念上来讲，amu是从粒子的角度来考虑重量。

3）Molar Mass (g)质量；可以通过molecular weight和已知mol的个数算出。

4）Molar Concentration (M, mol/L)鉴于AP常结合这些知识点考Molar Concentration，我就也把这个概念放在这里。它是用来表示某一个溶液里面含某一个溶质的含量（也就是浓度），因此单位为M（mol/L），即一升溶液里有多少mol的溶质。 说了这么多，来看一个例题吧。这个题目来自AP 2019年考的FR  1c小问。

【解题步骤】

根据题目，我们知道了以下这些信息：

Urea ( H₂NCONH₂)的 Molecular Mass ：60.06 g/mol

Urea ( H₂NCONH₂)的 Mass：5.39 gVolume of Water 0.05 L 我们需要算出的是这个溶液H₂NCONH₂的molar concentration，单位将会是M，即mol/L。我们已经知道了Volume(对应单位L）是0.05L，那么只需要算出有多少mol的H₂NCONH₂就可以啦！

第一步算出numbers of mol，第二步算出molar concentration(M)，这两步各为一个得分点哦。有些同学总是混淆g/mol到底是被乘还是被除。不妨用图里的这种方法， 一直都用乘，但是根据你最终想得到的单位决定把g还是mol放在分母一栏。比如例题里5.39g和60.06g的单位这样写就可以抵消，得到我们需要的mol。

如果这个题目里问，总共有多少个H₂NCONH₂分子，该怎么做呢？

思路是这样：求分子、或者任何粒子的个数，我们从这个单位可以推断出，我们需要使用Avogadro’s number来做这一题。 从题目中我们知道，总共有0.0897mol的H₂NCONH₂分子。0.0897mol H2NCONH2 * 6.02 *10²³ molecules/mol = 5.40 * 10²² molecules答案就是 5.40 * 10²² molecules啦，注意不要忘记单位。

考试Tips

1. 元素周期表中period代表横排，group代表竖排，虽然很简单但容易混淆，同学们可以多加注意，或者根据题目的context推测。

2. Amu和molecular weight也是比较容易混淆的概念，虽然FR里面应该不会考到具体的，但是建议还是多复习一下Mole这个段落涉及到的概念！

3. 给习惯用电脑学习，或者手边没有实体教科书和资源的同学们推荐一个网站ptable.com (没有收钱！是真的好用），不仅有普通元素周期表会有的部分（atomic number, molecular weight等等），还可以看electron configuration，对于刚接触到的小白非常友好。