王紀(jì)學(xué)張智敏

(1北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 2008級(jí)本科生 北京 100875;2北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 2007級(jí)本科生 北京 100875)

談元素電子構(gòu)型的速寫

王紀(jì)學(xué)1張智敏2

(1北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 2008級(jí)本科生 北京 100875;2北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 2007級(jí)本科生 北京 100875)

談對(duì)元素電子構(gòu)型的速寫心得,指出與主量子數(shù) n為奇數(shù)或偶數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式——“奇偶公式”及快速確定軌道符號(hào)的“作差加 2”規(guī)則。

“多電子原子結(jié)構(gòu)與周期律”一節(jié)是“原子結(jié)構(gòu)”一章[1]中的重要內(nèi)容,原子軌道近似能級(jí)圖則是這節(jié)中的重點(diǎn),掌握了這一規(guī)律才能更好地書寫元素的電子構(gòu)型。學(xué)生對(duì)此規(guī)律的掌握多采用機(jī)械式圖形記憶,不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,而且易遺忘。雖有徐光憲教授的(n+0.7l)經(jīng)驗(yàn)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(gòu)型。在《巧記原子軌道近似能級(jí)圖》一文中,介紹了一種可快速書寫元素電子構(gòu)型的方法[3],但在書寫原子序數(shù)較大的元素電子構(gòu)型時(shí)該法并不方便。下面總結(jié)一種能夠快速寫出元素電子構(gòu)型的方法。

1 奇偶公式

根據(jù)美國化學(xué)家 Pauling繪制的原子軌道能級(jí)圖[1]可以得到:

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

先來觀察一個(gè)電子填充順序中主量子數(shù) n的排列:

從而總結(jié)出“奇偶公式”:當(dāng)主量子數(shù) n為已出現(xiàn)的最大偶數(shù)時(shí),其下一個(gè)主量子數(shù)為(n+2)/2,即從 (n+2)/2排到 n+1;當(dāng)主量子數(shù) n為已出現(xiàn)的最大非 1奇數(shù)時(shí),其下一個(gè)主量子數(shù)為 (n+3)/2,即從 (n+3)/2排到 n+1。

例 1寫出第 35號(hào)元素的電子構(gòu)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(diào)整,得其電子構(gòu)型:1s22s22p63s23p63d104s24p5。

2 “作差加 2”規(guī)則

當(dāng)我們寫一些原子序數(shù)較大的元素電子構(gòu)型時(shí),再運(yùn)用奇偶公式,從主量子數(shù) n為 1寫起,就不方便了。筆者認(rèn)為這時(shí)就需要利用惰性氣體的周期數(shù)、相關(guān)原子序數(shù)(表 1)及經(jīng)驗(yàn)規(guī)律——“作差加 2”規(guī)則:

將 s p d f g h……依次編號(hào)為 1 2 3 4 5 6……,在第 n能級(jí)組 n n1n2……中,n后為 1號(hào)字母 s,n1后為│n-n1│+2號(hào)字母,n2后為│n-n2│+2號(hào)字母……。

表1 稀有氣體相關(guān)知識(shí)介紹

例 2寫出第 72號(hào)元素的電子構(gòu)型。

解析:

(1)由 54<72<86,寫出:[Xe]6s24 5 6……

(2)利用“作差加 2”規(guī)則,有│6-4│+2=4,s2p6d10f14g18……中第 4個(gè)為 f,所以 4后為 f;│6-5│+2=3,s2p6d10f14g18……中第 3個(gè)為 d,所以 5后為 d。

(3)寫出[Xe]6s24f145d2,按 n由小到大調(diào)整,得其電子構(gòu)型[Xe]4f145d26s2。

例 3寫出第 109號(hào)元素的電子構(gòu)型。

同時(shí)利用兩種方法進(jìn)行對(duì)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(diào)整,得其外層電子構(gòu)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(shù) 7為奇數(shù)且首次出現(xiàn),可知其下一個(gè)主量子數(shù)為 (7+3)/2=5,緊接著為6 7 8;由主量子數(shù) 8為偶數(shù)且首次出現(xiàn),可知其下一個(gè)主量子數(shù)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(gè)字母 f;由│7-6│+2= 3,知 6后為 s2p6d10f14g18……中的第 3個(gè)字母 d。

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

3 小結(jié)

上述經(jīng)驗(yàn)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(duì)元素電子構(gòu)型進(jìn)行了思考,利用公式及經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,可以巧妙地避開機(jī)械式記憶,能化繁瑣為簡單,使學(xué)生記得更牢,做得更快,學(xué)得更有趣。

然而,原子的電子構(gòu)型非常復(fù)雜,筆者的“奇偶公式”及“作差加 2”規(guī)則只是經(jīng)驗(yàn)之談,水平有限,且不能通過理論分析與計(jì)算來確定,其局限性是在所難免的。現(xiàn)說明如下:

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

(2)由于受屏蔽效應(yīng)、洪特規(guī)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(shù)目不符合一般規(guī)律,不適用于此經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)確定),也不適用于此經(jīng)驗(yàn)公式。

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

[2] 徐光憲,王祥云.物質(zhì)結(jié)構(gòu).第2版.北京:高等教育出版社,1987

[3] 聶曉勤,劉興前,陳風(fēng)雷,等.數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志,2002,15(5):473