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A Level化学——电子排列的那些事儿

2017-02-07 14:12

来源:APCLUB

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  处于稳定状态的原子,核外电子满足一定分布的原则,通过了解电子排布,我们能对元素周期表的排列有更深的理解。同时,它能帮我们解释很多化学及物理等学科问题。例如我们前面讲过的化学键等。今天,就让我们一起来看看有关于电子排列的那些事儿。

  1Electronic Configuration

  Energy level或者叫 principal quantum shells (符号n)根据离nucleus的距离而依次排序。最小的energy level,n=1,离nucleus最近。n=2的则稍远。离nucleus越远的energy level,能量越大,同时和nucleus间的吸引力越小。

  每一个principal quantum shell能够容纳的最大electron数量并不相同。我们已知:

  n=1,最多容纳2个electron

  n=2,最多容纳8个electron

  n=3,最多容纳18个electron

  n=4,最多容纳32个electron

  2Subshells and Atomic Orbitals

  在principal quantum shell中,除开第一个(n=1),其他都可以分成subshells(sublevels)。每一个principal quantum shell有不同数量的subshells。分别用字母s,p,d,f表示。每一个subshell所能容纳最多electron如下:s=2electrons, p=6electrons, d=10electrons。

  ◆ n=1时,最多容纳s subshell的2个electrons

  ◆ n=2时,最多容纳s subshell的2个electrons以及p subshell的6个electrons,总计8个electrons

  ◆ n=3时,最多容纳s subshell的2个electrons,p subshell的6个electrons以及d subshell的10个electrons,总计18个electrons。

  同时我们需要注意,在低压的情况下,当高速的electrons撞击到气体粒子中时,我们可以通过一种spectroscope看见彩色的线条。s,p,d这些单词分别表示sharp, principal 以及 diffuse。

  每一个subshell由一个或者多个atomic orbitals组成。

  一个atomic orbital表示nucleus周围能被1个或者2个electron所占领的区域。

  每一个orbital至多能有2个electrons。

  s subshell → 1个orbital

  p subshell → 3个orbitals

  d subshell → 5个orbitals

  s orbital 为球状,2s orbital 也是如此。但是2s orbital 比1s orbital 的electrons能量更大。

  n=2时,有3个2p orbitals, 每一个形状都相同,如漏斗状,分别沿着x,y,z,轴两两直角排列。因此,可命名为2px, 2py, 2pz。三者能量相同。n=3时,也有3个2p orbitals,形状和2p orbitals类似。

  d orbitals的orbitals十分复杂。涉及到electron probability cloud。有一类d orbital的electron probability cloud非常特殊,有点像p orbital 中间套上了一个圆环。在AS考试中,我们不需要对d orbital形状有所了解。但是在A level的transition metal中,需要了解。

A Level化学——电子排列的那些事儿

  大部分稳定的electronic configuration (electronic structure)是能量最低的原子状态。Subshell的排列,根据它们的相对能量来排列。能量最低的即1s最先被填满,然后是稍高的即2s,2p。需要注意的是,排列并不是完全按照s,p,d依次排列。例如,4s会先被填满,然后是3d,再是4p...

  3请输入标题

  最详细的electronic configuration 能够包含每个subshell中所含有的electrons数量。如下图:

A Level化学——电子排列的那些事儿

  Argon的electronic configuration用符号[Ar]表示。且[Ar]:1s22s22p63s23p6

  注意事项:

  a. [K]:1s22s22p63s23p64s1 外层electron回去到4s subshell而非3p subshell,因为4s 能量比3d的低。

  b. 在calcium后,下一个electron会进入到3d subshell 而非4p subshell。因此 scandium的electronic configuration为:[Ar]3d14s2。因为electron会占领能量低的orbital。而3d subshell 比4s subshell 能量高,而低于4p subshell。这种模式戒指在Zinc。Zinc的electronic configuration为:[Ar]3d104s2。

  c. Chromium 和 Copper的electronic configuration是比较特殊的。Chromium的electronic configuration为:[Ar]3d54s1。Copper的electronic configuration为:[Ar]3d104s1。

  d. Gallium到Krypton的electronic configuration,electrons 会加到4p orbital上,因为它的能量比3d大。

  Periodic Table反映了元素的electronic structure. 特征如下图:

A Level化学——电子排列的那些事儿

  同时,每个oribital中,electron的spin都有两种(我们想象electron围绕着轴顺时针或者逆时针转动)。我们可以用表格图来表示:

A Level化学——电子排列的那些事儿

  因为同一区域的electrons会互相排斥,因此,electrons会先在同一个subshell中占领不同的orbital来减小排斥力。只有当没有额外的orbital,electron才会2个在同一个oribital。

  Ion的electronic configuration只需要关注electron的数量即可。需要注意的是,对于大部分金属而言,形成ion时,失去的是最外subshell的electron,但是对于d模块的元素而言(K到Zn),因为electron先填充了4s subshell,然后才是3dsubshell,所以当这些元素形成ion时,会先失去4s 的electrons。

  例如:Ti atom:1s22s22p63s23p63d24s2 → Ti2+ ion:1s22s22p63s23p63d2

  作者简介:

  漆 洋,广州新东方国外考试部名师。曾任剑桥国际高中CN372数理化教师并参与CIE教师专业进修,现任澳洲预科MUFY物理教师。热衷于启发学生思考,调动学生学习主动性。

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(编辑:qinjie)

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