学习关于原子和周期趋势的关键MCAT概念，加上练习问题和答案

(注:本指南是我们的一部分称MCAT普通化学系列)。

目录

第1部分:原子和元素周期表的介绍

第二部分:原子的电子结构

a）原子结构

b）电子配置

c）电子旋转

d)量子力学模型

第三部分:元素周期表

一)组织

b)周期性规律

第四部分:原子现象

一)电子发射

b)放射性衰变

第5部分：高收益条款

第6部分:基于短文的问题和答案

第7部分:独立的问题和答案

第1部分:原子和元素周期表的介绍

原子是物质的基本单位。因此，原子结构和元素周期表构成了许多普通化学和有机化学MCAT问题的基础。

本指南中的几个重要术语是粗体。在完成本指南时，我们鼓励您创建最有意义的定义和示例你！在本指南的最后，还有一些mct风格的练习题，可以测试你在这方面的知识。

让我们开始吧!

第二部分:原子的电子结构

原子是最小的物质单位，可以保持独特的身份。这是由不同的亚原子粒子组成的单个原子结构的结果。

a）原子结构

质子、中子和电子是亚原子构成原子的粒子一个质子一个亚原子粒子是否含有正电荷(+1e)．“e”是指电荷的基本单位和一个原子质量单位(AMU)。一个中子是一种亚原子粒子，不含电荷，质量为1 AMU。质子组和中子组统称为核子，形成核一个原子。

一个电子亚原子粒子是否含有负电荷(-1e)，其质量比质子小1823倍，或原子量的1/1823。换句话说，当比较质子或中子和电子的质量时，电子的质量是可以忽略的。电子可以排列在原子周围的壳层中。原子外层的电子被称为价电子。价电子在化学反应和粘合中起重要作用。

请注意,质子的数量决定了一个原子是什么元素．例如，任何含有15个质子的原子都是磷，尽管这个原子有很多中子。这个质子数被称为原子序数。

原子数相同但中子数不同的原子是同位素．考虑一下：磷的一个同位素可能包括16个中子和15个质子，而另一个磷同位素含有17个中子和15个质子。两位同位素具有相同的原子序数，并且被认为是磷，但具有不同量的中子。

因此，一种元素的两种同位素将具有不同的性质相对原子质量:通过将原子内的质子和中子的数量求和来计算的质量衡量标准。许多同位素的原子质量用于计算原子重量：所有天然存在的同位素的质量的加权平均值。

那么多带正电荷的质子是如何紧密地聚集在原子核中的呢?当考虑到同性电荷相斥时，难道质子的正电荷不应该导致原子核分裂吗?

的强大的核力量是防止这种情况发生的基本力量。特别是，它是一种将质子和中子聚集在一起的引力——尽管它们都带有相同的正电荷。

b）电子配置

亚原子粒子是如何排列成原子的?虽然质子和中子在原子核中被强大的核力束缚在一起，但电子在原子核外的排列要复杂得多。

通过确定手中存在的电子的数量来写入电子配置。对于大多数原子，或中性带电粒子，该数量的电子等于元件的原子数。（为什么这是？回想一封电子的电荷等于一个质子的电荷。因此，如果颗粒具有零电荷，则质子的数量和质子的数量必须相等。对于具有净正或负电荷的离子或颗粒，电子的数量可能不等于元件的原子数。

当“填充”原子时，电子被放置在原子周围的同心壳层中。虽然这些壳层不是物理结构，但它们在可视化电子可能占据的空间方面很有用。

同心壳层的数目是由原子的基团数决定的。因此，元素周期表第一行的元素有一个电子层，第二行的元素有两个电子层，以此类推。一般来说，序数越高的电子层离原子核越远。最外层的电子层，或最高编号的电子层，位于最远的地方。这个最外层也叫做价电子层。

价电子是原子的最外壳上的电子。这些电子负责反应性和原子的个体性质。当其价壳充满电子时，每个原子都是最能充沛的稳定性。一些元素，如惰性气体，已经有一个完整的壳。

每一层都是由轨道组成的:在轨道上有一定形状的区域，电子很可能被发现。虽然有许多可能的轨道形状，MCAT将集中在三个特定的轨道表示为年代,p,和d。元素可以分为S-块,P-块,D-Block.元素是基于它们的最高能量轨道。

根据能量最高的轨道对元素进行分类，与每个元素的类型大致相关。大多数S-块元素和f -块元素是金属。的P-块体元素是非金属和非金属的混合物。

在确定中性原子的电子排布时，有两个重要的考虑因素:

1. 确定原子的基团号．通过识别元素周期表中该原子所在的列来确定该原子的基团号。例如，卤素在元素周期表的第十七列。

2.理解电子层填充电子的路径．电子按照预定的顺序被填入壳层中。

• 所有的填充都始于第一个“亚层”，或第一个轨道(例如，氢的轨道)。

• 继续填充元素周期表的右边。当一行(或族)完成时，继续填充后续行最左边的元素。

• 的奥夫堡原理在电子开始进入下一个电子层之前，电子层中的每个轨道都必须被依次填满。

• 当适当数目的电子被放入轨道时，就得出了填充的结论。对于中性带电原子，这个电子数等于元素的原子数。

c）电子旋转

电子具有一种叫做旋转。电子的自旋可以是以下两个值之一:加速或者自旋。

在1s轨道内，有两个电子。这对电子中的每个电子必须有相反的自旋。在更大的轨道内，例如在p或者d轨道-洪特定律说明在任何轨道被两个电子占据之前，每个轨道被一个电子占据。此外，每个单电子的自旋都相同。

自旋向上和自旋向下的电子之间的平衡将影响元素的磁性。如果一个原子的电子都是成对的(例如，一对自旋向上的电子和一对自旋向下的电子)，它被认为是抗磁的。抗磁性材料与磁铁的相互作用不强。

另一方面，顺原子具有未配对的电子。这是具有比旋转电子的更多旋转电子的结果。顺磁性材料通常受附近磁场的强烈影响，但不具有永磁电荷。

铁磁材料是顺磁性材料，还有一个额外的特性:未配对电子的电子自旋可以自发地沿同一方向排列。因此，铁磁材料会产生自己的磁场。这是你在日常生活中可能遇到的大多数磁性材料的情况，如冰箱磁铁。

d)量子力学模型

的量子力学模型原子是一种用四个量子数描述原子中的电子的系统：n，ℓ，mℓ，和多发性硬化症．为什么这个系统如此重要?

想象一下，你正在制作一张咖啡桌，上面有数百个螺丝可供你使用。虽然螺丝的作用是一样的(将桌子固定在一起)，但咖啡桌上不能同时有两个螺丝占据同一个位置。(这是由泡利不相容原理，表示没有两个电子可以包含相同的四个量子数）。如果有人让你描述你桌子上的一个螺丝钉，那将是非常困难的。你可以讨论螺钉的长度，螺钉的方位角，螺钉在3D空间中的位置等等，但是这需要很多的文字来解释。如果有一个简单的系统来描述这些螺钉的位置会怎样？

虽然我们没有一个简化的系统来描述咖啡桌上螺丝的位置，但量子力学模型可以通过四个量子数来描述原子中电子的位置和轨道:

让我们用这个系统来命名一个电子:在这个例子中，是中性氢原子所拥有的唯一的电子。在这种情况下:

• N =1，因为氢原子位于元素周期表的第一行，因此有一个电子层

• ℓ=0，因为电子必须填入s轨道，而s轨道是指定的

• mℓ=0(确定mℓ不在MCAT范围内)

• Ms = +½，因为自旋向上的电子在自旋向下的电子之前被填满

第三部分:元素周期表

一)组织

理解元素周期表的趋势对MCAT非常有帮助。考试中会给你一张元素周期表，你可能会被要求把它作为一个工具，运用你对周期趋势的知识来比较元素的性质。

最基本和最重要的趋势之一是组．元素周期表由18个垂直的列组成，每一列称为组。元素周期表中的每个基团都含有不同价电子数的元素。第2族元素有2个价电子，第13族元素有3个价电子，以此类推。

组中的元素具有类似的原子布置，因此具有属性。例如，组18中的元件（惰性气体）各自具有价值的全外壳。这意味着惰性气体没有反应，我们看到的趋势，因为我们走下了小组。

第1组元素碱金属，仅具有一个价值并且具有高度反应性。第2组元素，碱土金属，也是相当的反应性。作为一般的拇指规则，与周期表中心的元件相比，周期表的左侧的元素具有高度反应性。

的卤素位于元素周期表的第17组。所有这些元素都可以在a中找到双原子状态，意思是在一个分子中有两个原子。由于这些元素只需要一个额外的价电子来满足八重体规则，所以它们是高度活性的，经常在盐类化合物中发现。

的硫族元素位于元素周期表的第16组。他们也被称为氧组,因为这一组含有氧元素。

的过渡金属在元素周期表的第3-12组中。他们也可以被称为d区元素,因为它们的价层是d亚层。

的代表性的元素都存在于元素周期表的其他基团中。因此，这些包括两个S-和p区元素。

b)周期性规律

元素周期表组织得很巧妙，记录了每种元素的几种趋势或性质变化。了解这些周期性趋势并能够在测试日很好地应用它们是很重要的。

电负性指原子核对电子产生的吸引力。回想一下，当最外层的电子层被填满时，元素是最稳定的。因此，价电子层几乎满的元素比价电子层只有一个或两个电子的元素具有更高的电负性。从能量上讲，电子壳层几乎满的原子可以通过吸引最后一个电子来获得稳定性，而只有少量价电子的元素最容易通过释放这些电子来获得稳定性。因此，元素的电负性从元素周期表的右侧向上增加。氟(F)是一种卤素，电负性很强，而钡(Ba)是一种碱土金属，电负性不是很强。当然，惰性气体是个例外。由于惰性气体的高稳定性，它们的电负性几乎为零。

电离能指从原子的价电子层移走一个电子所需要的能量。让我们拿元素周期表两边的两个原子:钾(K)和氯(Cl)在两者之间，氯的价层电离能高于钾。你能想到为什么会这样吗?

中性的氯原子的价电子层被7个电子填满。价电子层几乎满了。从稳定性的观点来看，得到最后一个电子并完成价电子层是非常有利的。另一方面，钾的价电子层只有一个电子。从稳定的角度来看，失去这个电子是非常有利的——这样就把价电子层还原到一个低周期的完整电子层。因此，电离能在元素周期表的右侧向上增加。

请注意,第二电离能一个原子的第一电离能明显高于第一电离能。这是因为电离带电粒子比电离中性粒子需要更多的能量。

电子亲和力指电子吸引电子时所释放的能量。电子亲和能与电离能、电负性密切相关。电子亲和能从元素周期表的右边向上增加。这是因为原子核和价电子之间的吸引力随着离价电子层距离的减小而增加，而在保持这个距离不变的情况下，增加质子到原子核会增加静电吸引力。

最后一个需要理解的重要趋势是原子的大小。原子半径定期表的向上和右侧减小。这主要是由于已知有效核电的现象。

1. 原子核中质子的数量

2. 屏蔽电子的存在

第四部分:原子现象

价电子和轨道对与其他原子的相互作用非常重要，但单个原子也可以参与原子现象。其中一些现象包括光能的吸收和发射以及放射性衰变。

有关这些主题的进一步讨论，请务必参阅我们的原子和核物理指南．

一)电子发射

的玻尔模型是解释原子结构的常用方法。玻尔模型表明，电子在原子中以离散的圆形路径(轨道)围绕质子旋转，这取决于它们的能级。这些能级被称为广达电脑、用字母表示n．

电子能够在这些量子之间移动，取决于它们吸收或释放的能量的多少。虽然现在已经知道玻尔模型并不适用于所有原子，但它是氢原子结构和行为的一个很好的近似。

当一个原子的所有电子都在可能的最低轨道上，也就是离该原子最近的轨道上时，这个原子就处于它的轨道上基态．在这里，电子不能移动到任何更低的能级。当一个原子的电子“跳”到一个比它们的基态更高的轨道能级时，这个原子处于一个激发态．

电子“跳跃”究竟是如何发生的呢?当一个电子吸收了足够的能量来匹配下一个轨道的能级时，电子就会移动到更高的能级。这是一种被称为光电效应。通常，电子在处于激发态后会回到基态。当它们跳下来时，会释放出与它们吸收的能量相同的能量水平。

当原子的电子从激发态回到基态时，光子(轻粒子)就会被释放出来。光子的能量可以用下面的公式计算:

根据释放的能量大小，光子可以有不同的波长。每个原子都有自己的特点吸收频率它吸收能量和独特的发射光谱它包含被发射光子的频率。这种发射光谱可以根据电子激发态和基态的变化来识别原子。

电子向下运动至基态时所发射的能量可使用里德堡方程计算：

虽然计算光子的能量是可能的，但计算光子的其他特性却困难得多。的海森堡不确定性原理指出光子的位置和速度不能同时被知道。

b)放射性衰变

元素的同位素的稳定性各不相同。一般来说，中子数量与原子序数近似相等的同位素比它们较轻的变体更稳定。

不稳定的同位素可以自发地经过衰减过程，其中亚杀菌颗粒被喷射，释放能量。有三种主要形式的放射性腐烂：α，β和伽马辐射。

第5部分：高收益条款

原子序数:原子中的质子数

原子半径：从原子中心到其电子云边缘的距离

原子重量：自然存在的同位素质量的加权平均值

博人力资源模式：解释了电子在原子中围绕质子以离散的圆形路径(轨道)移动，这取决于它们的能级

钻石：原子具有所有配对的电子;不要用磁铁强烈互动

有效核电荷:原子中电子所感受到的净正电荷的量度

电子：带负电荷的亚原子粒子(-1e）具有比质子的1823倍的质量，或1/1823原子质量单位

电子亲和能:一个电子吸引一个电子时所释放的能量

电子俘获/正电子捕获:当一个原子捕获一个正电子时，会减少一个质子

电子配置:一般化学中使用的电子结构的传统命名法

电负性：原子对电子产生的吸引力

发射光谱:原子发出的特征波长

兴奋状态:当原子的电子跃迁到比正常轨道更高的轨道时

γ射线衰减:当一个原子释放出一个粒子

基态：当一个原子的所有电子都在可能的最低轨道上，也就是离原子最近的轨道上

团体：元素周期表中元素的垂直排列;基团中的元素具有相似的化学性质

一半的生活:原子衰变到原来质量的一半所需要的时间

洪特定律:表示在任何轨道被两个电子占据之前，每个轨道被一个电子占据;每个单电子都有相同的自旋

电离能:从原子的价电子层中移出一个电子所需的能量

同位素：含有相同数目的质子但数目不同的中子的同一元素的原子

质量数量:原子中质子和中子的数量

中子：含有不充电的亚杀菌颗粒并具有一个原子质量单元的质量

核:原子核由质子和中子组成的原子核

parama陷阱：是指有未配对电子的原子;被磁铁强烈吸引

泡利不相容原理:没有两个电子可以包含相同的四个量子数

质子：带正电荷(+1)的亚原子粒子e）

量子力学模型:用四个量子数描述原子中电子的系统:n，ℓ，mℓ，和多发性硬化症

强核力:使质子和中子聚集在一起的引力

亚原子粒子:构成原子的中子，电子和质子等颗粒

价电子:原子外壳上的电子

第6部分:基于短文的问题和答案

在进行合成实验的同时，化学家们遇到了一个未知的元素。为了确定元素的身份，研究人员进行各种测试以辨别其化学性质。

在第一个实验中，化学家们用放射性粒子轰击元素以观察任何可能的衰变模式。该元素被观察到经历了放射性衰变，导致电子和氖气体的产生。

在第二个实验中，进行了各种反应性测试。人们发现这种未知元素与碱金属反应强烈。

在最后的实验中，研究人员发现该元素具有很高的电负性和电离能。

问题1:这个元素在元素周期表的哪一组中可能被发现?

一)碱金属

B） 碱土金属

C)卤素

D)惰性气体

问题2:文章中所描述的放射性衰变的类型是一个例子:

一)α衰变

b）β腐烂

C)衰变

D)正电子发射

问题3:以下哪个选项可能是未知元素的量子数集?

A) 0,1,1， +1/2

B) 1,1,0， +1/2

C) 2,0,2 +1/2

D) 2,1,0， +1/2

问题4：此元素的原子半径如何与同一组和周期表的行中的其他人进行比较？

A)与其组内其他成员相比更大;与其行中的其他相比较大

b）与其组中的其他人相比更大;与他的其他人相比较小

C） 与小组中的其他人相比更小；与同一行中的其他人相比更小

d）与其组中的其他人相比较小;与其行中的其他相比较大

回答基于文章的问题

1.答案选择C是正确的。这种未知元素很容易与碱金属反应，碱金属的特征是一个自由价电子很容易被给出。第17组元素，被称为卤素，需要一个价电子来完成外层，因此很容易与碱金属反应(选择C是正确的)。在第2组中发现碱土金属(选择B是错误的)。惰性气体位于第18组，不发生反应(选项D不正确)。

2.选项B是正确的。衰变导致发射一个电子并获得一个质子(选项B是正确的)。阿尔法衰变导致释放由两个质子和两个中子组成的阿尔法粒子(选项A是错误的)。伽马衰减导致光子的发射(选项C是错误的)。正电子发射是衰变的一种形式，这个场景描述的是电子发射(选项D是错误的)。

3.选项D是正确的。根据元素放射性衰变的信息，未知元素很可能是氟（原子序数9）。第一个量子数，n，相当于元素所在的周期表行。因此，我们预计氟的第一个量子数为2（选择A和B是不正确的）。第二个量子数，l，取值范围是0 ~n-1，意味着氟的第二个量子数必须是0或1(选项C是错误的)。第三个量子数，毫升,范围从l + l，这意味着它可以是-1或+1(选项D是正确的)。

4.答案选择C是正确的。氟位于元素周期表的最右边，在前几行。原子半径应该比同组的其他元素更小，因为元素周期表更下面的元素拥有更多的电子轨道，因此更大(选择A和B是错误的)。与其他原子相比，原子半径也更小，因为有效核电荷(Z)随着质子的加入而增加(选项C是正确的)。

第7部分:独立的问题和答案

问题1：以下哪一项代表自然产生的氧同位素？

一)α衰变

B)电子发射

C） 正电子发射

D)衰变

问题3:下面哪项能最好地描述泡利不相容原理和洪德法则之间的区别?

A)泡利不相容原理表明，所有的轨道在它们配对之前必须被一个电子填满，而洪德规则描述电子的自旋。

B） 泡利不相容原理指出，所有轨道在配对之前都必须由一个电子填充，而亨德规则则指出，原子中没有任何电子可以具有相同的四个量子数。

C，泡利不相容原理表明，一个原子中没有电子可以有相同的四个量子数，而洪德规则表明，所有的轨道在它们配对之前必须被一个电子填满。

D)泡利不相容原理和洪德法则是相同的，描述了识别电子的不同方法。

问题4：以下哪种元素的电负性最大？

一)O

B） 东北

F C)

d）cl.

问题5：以下哪种元素的原子半径最大？

一)F

B） 李

C) K

d）布尔

独立问题的答案

1.答案A是正确的．氧的原子序数是8(选项B是错误的)。单个同位素的原子质量数必须是一个整数值(选项D是错误的)。氧的同位素的原子质量不太可能是8;这意味着原子核有8个质子和0个中子!这样一个不平衡的原子核将是高度不稳定的(选项C是错误的)。

2.选项B是正确的。回忆一下，衰变导致两个质子和两个中子的发射，导致原子质量的变化(选项a是错误的)。伽马衰减导致光子的释放，但不会改变原子的特性(选项D是错误的)。正电子发射和电子发射都是衰变的形式;然而，只有电子发射导致原子序数增加(选项B是正确的)。

3.答案选择C是正确的。泡利不相容原理指出，没有两个电子可以包含相同的四个量子数（选择A和B是不正确的）。洪德定律指出，在任何轨道被两个电子占据之前，每个轨道都被一个电子占据（选择C是正确的）。

4.答案选择C是正确的。电负性在元素周期表的右边向上增加。因此，电负性最强的元素应该在元素周期表的右边(选项A是错误的)。最右边的元素，即惰性气体，电负性不是很强，因为它们的价层满了，因此非常稳定(选项B是错误的)。氟的电负性一定比氯强，因为氟位于氯的上面一排(选项C是正确的)。

5.答案选择C是正确的。原子半径向上和向元素周期表的右边减小，因为质子和电子之间的吸引力增加。因此，最大的元素必须位于元素周期表的底部和最左边(选项C是正确的)。