化学自习室移动版

首页>物质结构与性质>原子结构与性质>注解与辨疑d>

关于核外电子排布通俗解读

核外电子排布是非常有意思的。在开始的时候,人类发现电子之后不知道电子在原子里面怎么样存在。于是人们提出了各种各样的模型来解释。比较出名的就是J. J. 汤姆逊(电子的发现者)提出的葡萄干面包模型:电子像是葡萄干嵌在面包里一样嵌在原子里。但是这个模型被一个著名的实验否决了。在做完α粒子散射实验后,卢瑟福提出了新的原子模型。他认为原子核在中心固定,而电子在原子核周围转动。但按照经典力学,电子一定会坠入原子核中。也就是说,这个模型是不稳定的,原子不可以稳定存在。为了解决这个问题,玻尔提出了颠覆性的模型。原子核就像太阳,电子就像行星一样在分立的轨道上转。而这些轨道是固定的,电子不可能出现在两个轨道中间的地方。这便是不连续的行星模型。当然这个模型并不完全正确,但却是人类踏入量子世界的第一步。

好了扯完了历史,咱们来扯一扯核外电子排布。咱们在初中化学学过,而且还画过原子结构示意图是吧。你看到电子分层存在,这个层便是“能层”(有些地方叫能级,但我将会采用《无机化学 第四版》的叫法)。能层就是你看到的一圈一圈的东西,每一圈就是一个能层。之所以叫能层是因为电子能量不同,而且离原子核距离也不同,就好像一层一层的。能层里面还有能级(有的书叫亚层)。就好像一层一层的抽屉里有小格子一样,一个能层里有不同的能级。你看到的s、p那样的小写字母表示的就是能级。那我们要表示一个能级,就要先说出它在哪个能层,然后再具体说出它是那个能层的哪个能级。

举个 ,能级的命名就像是2s,4f这样的。然后能级里面有轨道(有的书上叫“轨函”,但是我从未见过这样的书)。现在我们终于可以锁定一个电子了吗?也就是说,给定一个能层、能级、轨道,电子就唯一确定下来了吗?还差一点。一个轨道上能装俩电子,那到底是哪个电子呢?随着电子的自旋被发现,人们发现了确定一个电子最后的一个需要的参数:自旋。自此我们终于可以确定一个原子里的电子了。比如我们可以说,在第二个能层里面的p能级的-1轨道上上旋(自旋向上)的电子,它就是唯一确定的了。但是这样还是太麻烦,我们不如用数字来表示电子好了。描述电子的第一个数是它所在的能层,用数字n来表示。n就是主量子数。n = 1的电子就在你画的原子结构示意图上最靠近原子核的那一层里。这里你可能发现了,描述电子的数叫量子数。为什么叫量子数呢?因为量子数是不连续的,前三个量子数只能取整数,最后一个量子数可以是半整数,所谓“量子的”就是“不连续的”。第二个量子数就是表示能级的量子数,名曰“角量子数”,字母是l(小写的l)。这个l并不是可以随意取值的。它的取值范围是l = 0, 1, 2, ..., n - 1。也就是说,对于第二能层(主量子数为2),l只能取0和1。换句话说,第一个能层只有一个能级,第二个能层就有两个能级,第三层就可以装三个能级了。能级是有名字的,l = 0叫s能级,l = 1叫p能级,l = 2叫d能级,l = 3叫f能级,再往后就按字母表顺序g、h、i、j……等等,但是人类目前还没有发现那些能级里面有电子的。

最后总结一下,第一能层(主量子数n为1)有一个能级,是l = 0的s能级;第二能层(主量子数n为2)有两个能级,分别是l = 0的s能级和l = 1的p能级,以此类推。第三个量子数便是表示这个电子在哪个轨道上的量子数,名字叫“磁量子数”,字母是m。它的取值是m = 0, ±1, ±2..., ±l(角量子数l,小写的l)。也就是说,s能级只有1个轨道,因为l = 0,所以m只能取一个值0。p能级有三个轨道,m分别取0, -1, +1,以此类推。最后一个量子数是自旋量子数,符号是ms。对于电子来说,它只有两个取值,分别是±1/2,也就是自旋向上的电子和自旋向下的电子,简称上旋和下旋。这意味着,一个轨道里只能容纳两个电子,因为自旋量子数没有第三个值可以取了。

现在我们来看一个例子。氧原子的核外电子排布是怎么弄的呢?首先氧原子有8个电子,原子结构示意图是2,6。为什么是2,6不是3,5呢?因为第一能层只有s能级,再看s能级只能有一个轨道,而一个轨道最多能装俩电子,所以第一能层只能装俩电子。第二能层最多装8个电子对吧。怎么来的?就是第二能层有两个能级,一个s一个p,s能级只有一个轨道俩电子,而p能级有仨轨道6个电子,加起来就是8个。所以现在咱们写出氧原子的核外电子排布,就是1s22s22p4。拆开了看,1s2代表第一能层,s能级有两个电子。2s2代表第二能层s能级有俩电子。还剩下几个电子?已经填了4个,所以还剩下四个。p能级最多能装几个?6个,所以全都填到2p能级就好了,也就是2p4。电子填入能级的目标是使整个原子能量越低越好。现在有两个能级,x能级和y能级,如果x能级能量比y能级低,那么电子就会首先填入x能级。因为能量越低越稳定。当然x和y表示随便两个能级,并没有字母是x的能级和字母是y的能级。要是对于更加复杂的原子,比如26号元素铁1s22s22p63s23p63d64s2会发生能级交错现象。你看3d轨道(能装5 × 2 = 10个电子)只装了6个电子,没满,这是因为4s轨道的能量反而要低于3d轨道,所以会先去填4s轨道,填满之后再填3d轨道。所以铁之后的27号元素钴就是1s22s22p63s23p63d74s2,区别仅在于3d轨道。那能级交错怎么记呢?这里有一张图

关于核外电子排布通俗解读

能级交错至于“半满规则”和“全满规则”最好的例子就是24号元素铬和29号元素铜咱们先说铬,1s22s22p63s23p63d54s1,这里没有先填满能量更低的4s轨道,而是先把4s填了一个电子,然后就去填3d了,这是因为3d能级半满的时候更稳定,你看3d最多装10个,现在装了5个刚好半满,这个时候更稳定。同理,铜的情况类似,1s22s22p63s23p63d104s1,3d全满更稳定。

其实化学很好玩,但是学习一定要看兴趣。学习能学好,当且仅当有兴趣。

(责任编辑:化学自习室)
说点什么吧
  • 全部评论(0
    还没有评论,快来抢沙发吧!