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原子核外电子排布情况的推断

2013-08-21 11:00阅读：

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原子核外电子排布情况的推断
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、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

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