电子组态与化学周期

5.电子组态与化学周期5.1多电子原子之电子组态♦主量子数相同的轨域,称为主壳层

(shell)

例如:n=1壳层,n=2壳层,n=3壳层,…

♦每个主壳层中的s,p,d等轨域,称为副壳层(subshell)

例如:1s

副壳层(n=1,l=0),2p

副壳层(n=2,l=1),…♦轨域名称(s,p,d,f,g,h,...)源自光谱谱线的特征:sharp,principal,diffuseandfundamental,其后的轨域(g,h,…)依英文字母顺序.♦填于最外围主壳层的电子,称为价电子

(valenceelectron)♦填其它轨域能阶较低的电子,称为内核电子各副壳层电子的空间分布图5.1奥地利科学家包立图5.2每个轨域至多只能填入两颗电子包立不兼容原理♦考虑原子的自旋,每个轨域(n,l,ml)可以填入两个电子.ms=+½或−½

♦原子的四个量子数:n,l,ml,ms

♦原子轨域之副壳层:1s,2s,2p,3s,3p,3d,…n=1,2,…

l=0,…,n−1(即s,p,d,f,…)

ml=−l

至+l

ms=+½或−½

2=2128=22218=23232=242每个(n,l)的组合,

称为副壳层(subshell)5.3递建原理♦电子都是从能量最低的1s

轨域开始占据起，顺序往能量次低的轨域填入。♦原子核质子数愈多，电荷愈大，轨域能量便愈低，电子也就愈接近原子核。

对同一轨域而言,

原小序越大,

半径越小,

能阶越低♦因此,每种元素的原子轨域能阶都不同，

例如:氦原子的1s

轨域能阶便高于碳原子的1s

轨域。图5.3德国科学家洪德图5.4基态电子组态为能量最低的电子组态5.4洪德法则♦电子会先各自填上空置的轨域，在无可选择的情况下两颗电子才会置于同一轨域5.4洪德法则(续)♦以下碳

(6C)的各种组合,以电子自旋均为同向时(即(c))能量最低(a)(1s)2(2s)2(2px)2 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz(b)(1s)2(2s)2(2px)1(2py)1 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz(c)(1s)2(2s)2(2px)1(2py)1 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz♦能量最低的电子组态,称为基态(groundstate)

例如:(c)(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

为碳的基态

♦能量比基态高的电子组态,称为激发态(excitedstate),

例如:(a)

(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

为碳的激发态

(b)

(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

为碳的激发态

5.5顺磁性与逆磁性♦当轨域中的电子为自旋平行,原子具有顺磁性(paramagnetism),

例如:氧(8O):(1s)2(2s)2(2p)4 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz♦当轨域中的电子均为自旋逆平行,原子具有逆磁性(diamagnetism),

例如:铍

(4Be):(1s)2(2s)2 (

)1s

(

)2s

♦固体的晶相会改变其磁性,

例如碳(6C):(1s)2(2s)2(2p)2 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py

原子本身为顺磁性,但热解石墨(pyrolyticgraphite)具有极强

的逆磁性液态氧具有顺磁性数据源:/热解石墨具有极强的逆磁性数据源:维基百科,/水具有逆磁性数据源:http://www.hfml.ru.nl/含水的生物体具有逆磁性数据源:/数据源:

5.6电子组态的周期性♦每一个主量子数n

代表一个主壳层,♦每个主壳层可容纳2n2

个电子♦主壳层的电子填满时,元素的化学性质非常稳定(不易发生反应)

钝气:氦(2He),氖(10Ne),氩(18Ar),氪(36Kr)♦电子组态相似的元素,其化学性质接近

ns1:氢(1H),锂(3Li),钠(11Na),钾(19K),铷(37Rb)

ns2,ns2np6,ns2(n1)d10np6:氦(2He),氖(10Ne),氩(18Ar),氪(36Kr)图5.5首十种元素的基态电子组态

5.6电子组态的周期性氢(1H):(1s)1 (

)1s

氦(2He):(1s)2 (

)1s

锂(3Li):(1s)2(2s)1 (

)1s

(

)2s

铍(4Be):(1s)2(2s)2 (

)1s

(

)2s

硼(5B):(1s)2(2s)2(2p)1 (

)1s

(

)2s

(

)2px

碳(6C):(1s)2(2s)2(2p)2 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py

氮(7N):(1s)2(2s)2(2p)3 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

氧(8O):(1s)2(2s)2(2p)4 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

氟(9F):(1s)2(2s)2(2p)5 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

氖(10Ne):(1s)2(2s)2(2p)6 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pzms=+½

或−½

图5.6俄罗斯化学家门得列夫5.7元素周期表图5.7元素周期表2101836依轨域能量高低,周期表的填入顺序为:1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p

7s5f6d7p21018365486

氦氖氩氪氙氡2101836各轨域电子填满的元素氦(2He):(1s)2

铍(4Be):(1s)2(2s)2氖(10Ne):(1s)2(2s)2(2p)6

镁(12Mg):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2氩(18Ar):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6

钙(20Ca):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)2

锌(30Zn):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)2(3d)10氪(36Kr):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)2(3d)10(4p)6

过渡元素Ex.5-2写出下列原子的基态的电子组态:2He,4Be,8O,17Cl,22Ti<Sol>氦(2He):(1s)2

(

)1s

铍(4Be):(1s)2(2s)2或[He](2s)2

[He](

)2s

氧(8O) :(1s)2(2s)2(2p)4

或[He](2s)2(2p)4

[He](

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz氯(17Cl):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)5

或[Ne](3s)2(3p)5

[Ne](

)3s(

)3px(

)3py(

)3pz钛(22Ti):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)2(3d)2或[Ar](4s)2(3d)2

[Ar](

)4s(

)3dz2(

)3dx2-y2数据源:/ExemplarChem/entries/2004/dublin_fowler/dorbitals.htmld

轨域的空间电子云分布图5.10电子的屏蔽效应5.8有效核电荷与屏蔽效应♦在多电子原子中，不同轨域的电子所感受到的有效核电荷，端视乎其他电子的屏蔽效应。♦电子愈靠近原子核，

它所感受的有效核

电荷便愈大；

外层电子容易脱离♦属同一副壳层的电子，

彼此间的屏蔽小于内层

电子对它们的屏蔽效应。图5.11利用

Cl2

与

C2

分子核间距（原子半径）可相当准确地预测

Cl-C的核间距5.9原子半径♦量度分子或金属中两相邻原子核之间的距离相对而言较为容易♦因此,原子半径定义为:相邻核距的一半。i图5.12原子半径的周期性图5.13游离能为气态原子游离一个电子所需的最低能量5.10游离能(ionizationenergy)♦由于原子核与电子之间的库伦吸引力，外界必须提供足够的能量,才可让电子脱离所属轨域,成为自由电子。♦移去第一个电子时，所需的能量称为第一游离能