談元素電子構型的速寫

王紀學張智敏

(1北京師范大學化學學院 2008級本科生 北京 100875;2北京師范大學化學學院 2007級本科生 北京 100875)

談元素電子構型的速寫

王紀學1張智敏2

(1北京師范大學化學學院 2008級本科生 北京 100875;2北京師范大學化學學院 2007級本科生 北京 100875)

談對元素電子構型的速寫心得,指出與主量子數 n為奇數或偶數相關的經驗公式——“奇偶公式”及快速確定軌道符號的“作差加 2”規則。

“多電子原子結構與周期律”一節是“原子結構”一章[1]中的重要內容,原子軌道近似能級圖則是這節中的重點,掌握了這一規律才能更好地書寫元素的電子構型。學生對此規律的掌握多采用機械式圖形記憶,不僅費時、費力,而且易遺忘。雖有徐光憲教授的(n+0.7l)經驗公式[2],以及電子填充順序斜線圖、電子填充順序直線圖等,但都不能讓我們直接寫出元素的電子構型。在《巧記原子軌道近似能級圖》一文中,介紹了一種可快速書寫元素電子構型的方法[3],但在書寫原子序數較大的元素電子構型時該法并不方便。下面總結一種能夠快速寫出元素電子構型的方法。

1 奇偶公式

根據美國化學家 Pauling繪制的原子軌道能級圖[1]可以得到:

軌道符號由主量子數 n和角量子數 l的符號組成;在主量子數 n一定時,角量子數 l的符號總是按 s p d f g h……的順序排列。這樣問題就可以轉化為如何確定主量子數 n的排列。

先來觀察一個電子填充順序中主量子數 n的排列:

從而總結出“奇偶公式”:當主量子數 n為已出現的最大偶數時,其下一個主量子數為(n+2)/2,即從 (n+2)/2排到 n+1;當主量子數 n為已出現的最大非 1奇數時,其下一個主量子數為 (n+3)/2,即從 (n+3)/2排到 n+1。

例 1寫出第 35號元素的電子構型。

解析:

(1)利用上述公式 ,可寫出:1 2 2 3 3 4 3 4 5 4 5 6……;

(2)再添加 s2p6d10f14g18……即可得到:1s22s22p63s23p64s23d104p5;

(3)按 n由小到大調整,得其電子構型:1s22s22p63s23p63d104s24p5。

2 “作差加 2”規則

當我們寫一些原子序數較大的元素電子構型時,再運用奇偶公式,從主量子數 n為 1寫起,就不方便了。筆者認為這時就需要利用惰性氣體的周期數、相關原子序數(表 1)及經驗規律——“作差加 2”規則:

將 s p d f g h……依次編號為 1 2 3 4 5 6……,在第 n能級組 n n1n2……中,n后為 1號字母 s,n1后為│n-n1│+2號字母,n2后為│n-n2│+2號字母……。

表1 稀有氣體相關知識介紹

例 2寫出第 72號元素的電子構型。

解析:

(1)由 54<72<86,寫出:[Xe]6s24 5 6……

(2)利用“作差加 2”規則,有│6-4│+2=4,s2p6d10f14g18……中第 4個為 f,所以 4后為 f;│6-5│+2=3,s2p6d10f14g18……中第 3個為 d,所以 5后為 d。

(3)寫出[Xe]6s24f145d2,按 n由小到大調整,得其電子構型[Xe]4f145d26s2。

例 3寫出第 109號元素的電子構型。

同時利用兩種方法進行對比解析:

方法一:

(1)利用上述公式,可寫出:1 2 2 3 3 4 3 4 5 4 5 6 4 5 6 7 5 6 7 8……

(2)添加 s2p6d10f14g18……

即可得到:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d7。

(3)按 n由小到大調整,得其外層電子構型,但書寫起來很不方便。

方法二:

(1)由第 6周期 Rn——86,寫出[Rn]7s2。

(2)由主量子數 7為奇數且首次出現,可知其下一個主量子數為 (7+3)/2=5,緊接著為6 7 8;由主量子數 8為偶數且首次出現,可知其下一個主量子數為 (8+2)/2=5,緊接著為 6 7 8 9……,即可得:[Rn]7s25 6 7 8s25 6 7……

(3)由│7-5│+2=4,知 5后為 s2p6d10f14g18……中的第 4個字母 f;由│7-6│+2= 3,知 6后為 s2p6d10f14g18……中的第 3個字母 d。

(4)可得:[Rn]7s25f146d7,調整后可得:[Rn]5f146d77s2。

3 小結

上述經驗公式適用于已知的主族元素和部分副族元素,從另一種角度對元素電子構型進行了思考,利用公式及經驗規律,可以巧妙地避開機械式記憶,能化繁瑣為簡單,使學生記得更牢,做得更快,學得更有趣。

然而,原子的電子構型非常復雜,筆者的“奇偶公式”及“作差加 2”規則只是經驗之談,水平有限,且不能通過理論分析與計算來確定,其局限性是在所難免的。現說明如下:

(1)“奇偶公式”及“作差加 2”規則只適用于判斷多原子元素的電子構型,不適于氫原子或類氫原子。

(2)由于受屏蔽效應、洪特規則等因素的影響,有些元素 (特別是副族元素)軌道中的電子數目不符合一般規律,不適用于此經驗公式。

(3)有些元素 (如 Pt[Xe]5d96s1及鑭系、錒系中的一些元素)尚不能用一般的理論解釋(可由光譜實驗確定),也不適用于此經驗公式。

[1] 華彤文,陳景祖.普通化學原理.第 3版.北京:北京大學出版社,2008

[2] 徐光憲,王祥云.物質結構.第2版.北京:高等教育出版社,1987

[3] 聶曉勤,劉興前,陳風雷,等.數理醫藥學雜志,2002,15(5):473