例析離子核外電子排布式的書寫

核外電子排布式是貫穿《物質結構與性質》的一條主線，通過核外電子排布式可以很清楚地了解原子的結構，對于元素性質的研究有著重要的作用。人教版高中化學選修3《物質結構與性質》教材中，對于原子的核外電子排布式作了詳細的講解，但對于離子基態核外電子排布式并未作介紹，然而在高考化學選考題中卻常常涉及離子的核外電子排布式。本文重點例析離子核外電子排布式的書寫。

圖1【例1】（2013年新課標Ⅱ卷第37題）前四周期原子序數依次增大的元素A、B、C、D中，A和B的價電子層中未成對電子均只有1個，并且A-和B+的電子相差為8；與B位于同一周期的C和D，它們價電子層中的未成對電子數分別為4和2，且原子序數相差為2。

回答下列問題：

（1）D2+的價層電子排布圖為。（2）四種元素中第一電離能最小的是，電負性最大的是。（填元素符號）

（3）A、B和D三種元素組成的一個化合物的晶胞如圖1所示。

①該化合物的化學式為；D的配位數為；

②列式計算該晶體的密度g·cm-3。

（4）A-、B+和C3+三種離子組成的化合物B3CA6，其中化學鍵的類型有；該化合物中存在一個復雜離子，該離子的化學式為，配位體是。

解析：根據題目信息可推得A、B、C、D分別為F、K、Fe、Ni，D2+即Ni2+。要寫出Ni2+價層電子排布圖，首先得知道Ni2+核外電子排布式。很多學生想當然地利用原子核外電子排布的知識，認為鎳原子核外電子先排4s后排3d，故原子在失電子時應先失3d電子后失4s電子，即Ni2+的核外電子排布式應為[Ar]3d64s2。

鎳原子變為鎳離子究竟先失去哪個電子？查閱了高等教育出版社《面向21世紀課程教材·無機化學》

（上冊），書中明確提出：無論是基態電中性原子還是正離子的核外電子排布，籠統地講，仍然可以歸結為能量最低原理，即保持整個原子的能量最低。稍具體地講，整個原子的能量取決于兩個因素——原子核對電子的吸引力和電子之間的排斥力，這是兩個相反的因素，經常是其中一個居主導地位，另一個居次要地位。當原子核對電子的吸引力居主導地位時，電子填入主量子數較低的軌道會使整個原子的能量較低。進一步講，當核電荷對電子的吸引力居主導地位時，電子填入比較彌散的3d軌道可以使內層電子受原子核更大的吸引，從而引起整個原子的能量下降；若電子填入4s軌道，因4s電子具有比3d電子更大的穿透內層電子而被核吸引的能力（鉆穿效應），從而使內層電子更加擴展，結果整個原子的能量反而升高了。反之，當電子的排斥力居主導時，其他電子對4s電子的排斥力小于對3d電子的排斥力，因此電子填入4s軌道。進一步講，這也是由于4s電子比3d電子具有更大的能力穿透其他電子進入離核較近的區域而受到其他電子較小的排斥，相反，3d電子比較彌散，受到其他電子的排斥力較大（屏蔽效應）。綜上所述，可知在原子的電子填充順序中，電子的相互作用能往往起著重要作用，到了離子的電子排布中，核吸引作用能卻成為支配性因素了。

總之，基態原子核外電子排布要遵循三個原則，即能量最低原理、保里不相容原理和洪特規則。然而，當原子在失去電子變為離子時，離子的電子排布取決于電子從何軌道中失去，失去電子順序和填充電子順序并不是恰恰相反的。實驗和理論都證明，原子軌道失電子的次序是：np，ns，（n-1）d，（n-2）f，即最外層的np電子最先失去，np電子失光后才失ns電子，以此類推。因此，Ni2+核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8，價層電子排布式為3d8。

答案：（1）3d

（2）K；F。

（3）①K2NiF4；6。

②39×4+59×2+19×86.02×1023×4002×1308×10-30=3.4。

（4）離子鍵、配位鍵；[FeF6]3-；F-。

對于離子核外電子排布式的考查，不只限于直接書寫離子核外電子排布式，有時候還利用電子排布式來解釋離子的某些性質。

【例2】（山西太原2012年模二第37題）MnO2是堿錳電池材料中最普通的正極材料之一，在MnO2中加入CoTiO3納米粉體，可以提高其利用率，優化堿錳電池的性能。（1）寫出基態Mn原子的價電子排布式：。

元素MnFe電離能/kJ·mol-1I1717759I215091561I332482957比較錳和鐵兩元素的I2、I3可知，氣態Mn2+再失去一個電子比氣態Fe2+再失去一個電子難。對此，你的解釋是。

圖2（2）在CoTiO3晶胞中（結構如圖2所示），1個Ti原子，1個Co原子周圍距離最近的O原子數目分別為個、個。

（3）單質鋁、石墨和二氧化鈦按比例混合，高溫下反應得到的化合物均由兩種元素組成，且都是新型陶瓷材料（在火箭和導彈上有重要應用），其反應的化學方程式為。

（4）疊氮酸（HN3）是一種弱酸，可部分電離出H+和N-3。已知N-3與CO2互為等電子體，則N-3的空間構型為，其中心原子的雜化軌道類型是。疊氮化物能與Co3+形成配合物，則[Co（N3）（NH3）5]SO4中配體是，鈷的配位數是。

解析：Mn2+、Mn3+核外電子排布式分別為：[Ar]3d5、[Ar]3d4，由Mn2+轉化為Mn3+時，3d能級由穩定的3d5半充滿狀態轉為不穩定的3d4狀態需要的能量較多；而Fe2+、Fe3+核外電子排布式分別為：[Ar]3d6、[Ar]3d5，由Fe2+轉化為Fe3+時，3d能級由不穩定的3d6狀態變為穩定的3d5半充滿狀態，需要的能量相對要少。

答案：（1）3d54s2；Mn2+的3d軌道電子排布為半充滿狀態，較穩定。

（2）6；12。

（3）4Al+3TiO2+3C高溫2Al2O3+3TiC。

（4）直線型；sp；N-3、NH3；6。

參考文獻

[1]北京師范大學、華中師范大學及南京師范大學無機化學教研室聯合編寫.無機化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]南京大學《無機及分析化學》編寫組編寫.無機及分析化學[M].北京：高等教育出版社，1998.

（責任編輯羅艷）