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原子核外电子排布情况的推断

来源:化学原理补正的博客作者:张瀚 点击:所属专题: 核外电子排布规则
原子核外电子的排布情况与其化学性质密切相关。所以了解原子核外电子排布情况一直是各级化学教学中的一个重点,在无机化学及普通化学教学中也不例外。 对比一下比较有影响的一些无机化学教材就可以发现,在说明这个问题时,它们都用到了两个图。一个是鲍林的“原子轨道

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原子核外电子的排布情况与其化学性质密切相关。所以了解原子核外电子排布情况一直是各级化学教学中的一个重点,在无机化学及普通化学教学中也不例外。

对比一下比较有影响的一些无机化学教材就可以发现,在说明这个问题时,它们都用到了两个图。一个是鲍林的“原子轨道的近似能级图”(图一),另一个是科顿的“原子轨道能级图”(图二)[1][2]。前者用于解决一般原子的核外原子核外电子排布情况的推断电子排布式的写法问题,后者则能使学生更清楚地了解能级交错的具体情况。这是很好的。

原子核外电子排布情况的推断原子核外电子排布情况的推断

一、在实际教学中对这一问题的补充

在教学中不难发现,由于“原子轨道的近似能级图”仍较为复杂,有较多地诸如、每个亚层含有的原子轨道数、能级组的划分等信息,能级高低表述的也并不明显,不便于观察和记忆。所以该图并不能很方便地帮助学生,使他们都能解决原子核外电子排布式的写法问题。

以至于有的教师只好告诉学生,要想独自写出一般原子的电子排布式,就要记住原子轨道的填充顺序为1S、2 S、2P、3 S、3P、4 S、3D、4 P、5S、4D、5 P、6 S、4F、5D、6 P……。这无疑是一个很笨拙,且意义不大的方法。

有的教材则能补充给出一个“电子填入轨道的次序图”(图三)来帮助学生记忆[3]。效果应该能不错。但该图还是有一些不够尽如人意的地方。

一是,能级的顺序,与同在该教材中的“原子轨道的近似能级图”及“原子轨道能级图”中能级的顺序正好相反。不便于反映出它与“原子轨道的近似能级图”间的关系。它并不比早在上世纪五十年代末期高中课本中就出现过的“电子填充次序图”(图四)更好。

原子核外电子排布情况的推断原子核外电子排布情况的推断

二是,在真正使用时,画出这一图还是略显麻烦。不一定要用圆圈来表示一个能级。如用方格来代表一个能级,则画图的速度能显著提高,使用起来也更为方便。

二、推荐的“电子填充次序简图”

如用方格来代表一个能级,可以将电子填充顺序图化简为“电子填充次序简图”(图五)。这一图与前面的图四、图三完全等价,用法也完全相同。

原子核外电子排布情况的推断

电子填充次序简图在教学中还可以把许多重要的知识概括起来。通过该图的延伸版“电子填充次序教学图”(图六)的讲解,还能使学生掌握更多的信息。

原子核外电子排布情况的推断原子核外电子排布情况的推断

由于电子填充是建立在核外电子运动状态描述的基础之上的,所以“教学图”一定要与所有描述原子核外电子运动状态的知识紧密地结合起来:

1、该图形象地表示出核外的电子是分层排列的。按电子的平均能量和离核距离,分别有第一电子层、第二电子层、第三电子层……(即原子核外电子排布情况的推断主量子数N = 1、2、3、4、5…,光谱学符号为K、L、M、N、O……)。随主量子数的增加电子的平均能量和离核距离要依次增加。

2、每个电子层包含有数目不等的亚层(也就是能级)。不同的亚层,要用不同的符号来表示,且与原子核外电子排布情况的推断角量子数相关。如L= 0、1、2、3……的亚层,其光谱学符号分别为s、p、d、f、g……。

又由于角量子数的取值范围是受主量子数制约的,L= 0、1、2、3……(n -1),在每个电子层中,角量子数(亚层)的个数为n。这样,K、L、M、N、O电子层包含的亚层数分别为1、2、3、4、5…,每个电子层的主量子数与其含有的能级数相等。如,第三电子层含有三个能级。第四电子层含有4个能级。

3、在不同亚层、也就是不同能级中,所含有的原子轨道数也是不同的。原子轨道的数目要受角量子数的限制。亚层的角量子数(l)与其包含的原子轨道数的关系为,轨道数=(2l+1)。这样,当角量子数L分别为0、1、2、3、4时,其对应能级的轨道数分别为1、3、5、7、9…。

由于每个轨道最多可以容纳自旋相反的两个电子,这样s、p、d、f、g能级,最多容纳的电子数就依次是2、6、10、14、18…。

由此也可以算出随n的增加,各电子层最多容纳的电子数分别为2、8、18、32、50…。

另一方面,能反映出电子相互作用对各能级的影响

4、对氢原子来说(原子核外只有1个电子时),同一电子层中各亚层的能量是相同的。如M电子层的3s、3p、3d亚层,在图中都处于相同的高度E3s= E3p= E3d

5、对多电子原子(多于1个电子的原子)来说,电子间的相互影响是从两个方面体现出来的。

一是,造成能级分裂,处于同一电子层的诸亚层的能量不再相等。如同样是处于M电子层的3s、3p、3d亚层,其能量不再相等,而是E3s<E3p<E3d。如果有1个电子要填入该电子层的话,应尽先填入原子核外电子排布情况的推断能量最低的3s轨道。

另一点是,产生了能级交错的现象。即能级的能量不完全由主量子数来决定,主量子数较高的某能级的能量,甚至于比主量子数较低的某能级的能量还低。如4s与3d能级相比较,一般是前者的能量高,但在某些情况下也会出现E4s<E3d的情况。

考虑到核外多电子间的相互作用,将核外电子由能量从低到高填入“电子填充次序简图”时,应将观察的方法略加改变。

以1s格为轴心、将整个图稍稍逆时针转动,相当于对该图依次由右下到左上画出每个方格的对角线后、由低到高,沿对角线方向逐行看上去的结果。也就是电子填充的顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d…。

据此,就可以把绝大多数元素的原子核外电子排布式顺利写出来。

再一方面,能反映电子填充顺序与元素周期表的关系

6、能级组是电子填充顺序的必然结果。

能级组一般是由,以ns开始、含有(n-2)f及(n-1)d、到np结尾的,一系列能级构成的。在“电子填充次序教学图”中,一个能级组一般是由ns、np及np右下方的几个能级构成。

由于第一电子层没有1p能级,所以第一能级组只有1s这一个能级,相应的元素周期表的第一周期也是一个特短周期;由于2p的右下方没有1d能级,所以第二能级组只有2s和2p,这两个能级;由于3p的右下方没有2d能级,所以第三能级组也只有3s和3p这两个能级,第二和第三周期都是只有8个元素的短周期;而在4p的右下方有3d能级存在,但没有2f能级,所以第四能级组有4s、3d和4p,这三个能级:第五能级组同样也只有5s、4d和5p,这三个能级(2f能级不存在):第六能级组则由6s、4f、5 d和6p,这四个能级构成;……。

不难看出,第二和第三周期都是含有2个s区元素和6个p区元素的“短周期”,而第四和第五周期都是含有2个s区元素、10个d区元素和6个p区元素的“长周期”。

可见,由“电子填充次序教学图”可以归纳出许多让人们感兴趣的东西。应该将其引入化学教学。

如果只是为了写出某原子的核外电子排布式,该图还可以简化为用更简单的由5条线来给出的“电子填充工作图”(图七)。每个学生都能几笔就在草纸上将这种图画出来。在教学中,应该把这个工具交给学生、帮助他们在理解的基础上进行科学的记忆。

三、原子核外电子排布情况的推断洪特规则的影响

就“电子填充工作图”,考虑能量最低原理和不相容原理,就可以写出多数原子的核外电子排布式。但仍有一些还难免与实际不符。

要写出原子核外电子排布的原子核外电子排布情况的推断轨道表示式,或让更多的原子核外电子排布式与实际吻合,就必须要同时考虑洪特规则的影响。

洪特规则有两层含义。一是,在n和l相同的简并轨道上分布的电子,将尽可能分占m不同的轨道,且自旋平行。另一点是,在等价轨道上的电子排布采取全充满和半充满状态时,能量会较低、体系有更大的稳定性。

如,属于第四周期的24号元素Cr(铬)的外层电子构型,不是d4s2、而是d5s1;而29号元素Cu(铜)的外层电子构型,不是d9s2、而是d10s1。这两个“特例”,分别是由于D轨道的半充满及全充满造成的。

在第五周期,由于d轨道的半充满及全充满造成的“特例”则更是有6个之多。

41号元素Nb(铌)的外层电子构型,不是d3s2、而是d4s1(d轨道接近半满);

42号元素Mo(钼)的外层电子构型,不是d4s2、而是d5s1(d轨道半满);

44号元素Ru(钌)的外层电子构型,不是d6s2、而是d7s1(d轨道接近全满);

45号元素Rh(铑)的外层电子构型,不是d7s2、而是d8s1(d轨道接近全满);

46号元素Pd(钯)的外层电子构型,不是d8s2、而是d10s0(d轨道全满);

47号元素Ag(银)的外层电子构型,不是d9s2、而是d10s1(d轨道全满);

而在第六周期,除了d轨道的全充满在2个元素有体现外,其半充满的作用并没有被体现出来。但5d对4f轨道填充的影响却在2个元素中表现出来了。

78号元素Pt(铂)的外层电子构型,不是d8s2、而是d9s1(d轨道接近全满);

79号元素Au(金)的外层电子构型,不是d9s2、而是d10s1(d轨道全满);

44号元素La(镧)的外层电子构型,不是f1s2、而是d1s2(f轨道全空);

45号元素Gd(釓)的外层电子构型,不是f8s2、而是f7d1s2(f轨道半满);

在第七周期,即使到106号元素D轨道的影响也无法体现出来,只在6个元素中有6d对5f轨道填充的影响。由于很难遇到,这里就不再列出。

在实际教学中,应以学生考虑到洪特规则,能解释上述6个周期12个“特殊”的电子构型,能独立写出24号元素Cr(铬)、29号元素Cu(铜)、47号元素Ag(银)、79号元素Au(金)的核外电子排布式,为教学的最高要求。

参考文献

[1]北京师范大学等校无机化学教研室编.无机化学(第三版).高等教育出版社. 1992

[2]大连理工大学无机化学教研室编.无机化学(第三版).高等教育出版社. 1990

[1]武汉大学等校编.无机化学(第二版).高等教育出版社. 1988

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