怎样确定原子的电子层排布
一、电子层容量原理
ﻩ在原子核外电子排布中,每个电子层最多容纳的电子数为2n2,这个规律在一些无机化学教材中叫做最大容量原理。
我认为,该原理并不能全面反映原子核外电子排布的真实情况,其一,它只适合于离核近的内电子层,且不是最大,而是等于2n 2;其二,离核远的外电子层,实际排布的电子数则远远小于2n 2,根本不能用此原理来描述。
离核近的内电子层与离核远的外电子层,各有其电子容量的规律,原子的电子层排布,就是这两种规律结合而成的。
为此,我总结出内电子层和外电子层的各自的容量规律,并将两者结合起来,称为“电子层容量原理”,其内容如下:
设ω为原子的电子层数,n 为从原子核往外数的电子层数,m 为由原子最外层往里数的电子层数。
当n <22+ω时,为内电子层,每个电子层容纳的电子数=2n 2。
当n ≥22+ω时,为外电子层,每个电子层最多容纳的电子数=2(m+1)2.
核外只有k层时,最多容纳2个电子。
ﻩ由上述两个关系组成的电子层排布如下:
ﻩ从以上图示可知,原子的电子排布是两头少,中间多。
应用电子层容量原理,可使外电子层不用2n 2,避免出现太大偏差.
应用外电子层的公式,可以取代中学教材中的如下规律:
(1) 最外层电子数不超过8个(最外层为K 层,则不超过2个)。
(2) 次外层电子数不超过18个。
ﻩ(3) 外数第三层电子数不超过32个.……
因为这些规律可直接从外电子层的公式推出。
稀有气体原子的电子层排布则是很规整的相等关系,其内电子层电子数为2n2,外电子层电子数为2(m +1)2,因此,稀有气体元素原子的电子层结构是一种稳定结构.主族元素的
原子,最外层未达到2(m +1)2个电子(即8个电子),一般副族元素的原子,最外层和次外层的
电子数均小于2(m+1)2。
原子的电子层数越多,出现未填满电子数2(m+1)2的外电子层数
就越多。
它可用下式计算:未排满2(m+1)2个电子的电子层数最多为2
ω(当为偶数)或21-ω(为奇数)。
例如:核外有6个电子层的元素,没有排满2(m +1)2个电子的外电子层数最多为6
/2=3。
镧系元素的原子,一般就有4、5、6三个电子层的电子数未达到2(m +1)2。
ﻩ2n 2是由电子运动状态的四个量子数及泡利不相容原理所得出的关系,而2(m +1)2却是由能级交错现象所得出的关系。
对于多电子原子,由于电子的屏蔽作用和穿透作用,出现了原子轨道的交错现象,产生了与元素周期表中周期相对应的能级分组,能级组的通式为ns 、(n -2)f 、(n -1)d 、np 。
从第3电子层起,出现E n d>E (n +1)s ,从第4电子层起,出现E nf >E(n +2)s .因此,在次外层电子数未达到最大容量时,已出现了最外层电子的填充,而最外层电子数未达到最大容量时,又
进行次外层电子的填充;并且在更高的电子层出现之前,最外层中只可能出现s 轨道和p轨道排有电子,因而最多容纳的电子数为8个;次外层中只能出现s 轨道、p轨道和d 轨道排有电子,其容纳的电子数不超过18个;余类推。
例如,铅(Pb )原子最外层为6s 26p 2,共4
个电子;次外层为5s 25p 65d 10,共18个电子;外数第3层为4s 24p64d 104f 14,共32个电
子。
如果某原子的6d轨道上占有电子,那末,它就不是最外层,按照能级高低的顺序,7s 轨道将会排上2个电子。
若第7层是最外层,则第6层就是次外层了。
利用电子层容量原理,可以根据元素的原子序数确定原子的电子层排布,写出原子结构示意图,推断元素在周期表里的位置.
二、饱和结构和稳定结构
ﻩ饱和结构是指原子的每个电子层的电子数都达到2n 2的电子层结构,能够达到饱和结构的原子是不多的,只有氦原子(2)、氖原子(2、8)。
稳定结构则是指符合电子层容量原理的电子层排布,即内电子层的电子数都达到2n2,而外电子层的电子数都达到2(m +1)2。
稀有气体原子的电子层结构是这种稳定结构. ﻩ由上述叙述可知,原子的电子层结构中所谓的饱和结构和稳定结构是两个不同的概念,并且只能出现在稀有气体原子的电子层结构中,其它元素原子的电子层结构都不是稳定结构,
更不可能是饱和结构,因为它们的电子层结构至少有一个外层电子数未达到2(m +1)2。
但
是这些原子有失去或得到电子形成稀有气体原子的电子层结构,这是是引起化学反应的根本原因.这种具有稀有气体原子电子层结构的离子,我们把它简称为稀型离子(稀型离子在元素周期的推断题中往往是很重要的条件和解题的关键).因此,稀型离子的电子层结构是符合电子层容量原理的。
我们一般把这种稳定结构叫做2电子结构和8电子结构,这是常见的一种稳定结构.除此以外,离子的电子层结构还有最外层为18电子的,不足18电子的,以及外电子层为(18+2)电子等的稳定结构。
ﻩ三、能级交错的规律
ﻩ对于核外电子排布的能级交错现象,我总结出以下规律。
不同电子层上的能级发生交错的条件是:
亚层差=电子层差+1
即:ns <(n -1)d,ns <(n -2)f ,np <(n -1)f,……
由此可以得出核外电子排布的能级高低顺序图:
1s 2s2p 3s 3p3d 4s3d4p 5s4d5p 6s 4f 5d 6p 7s
也可以从上关系中得出:从L层才会出现能级交错现象,即s 和d的能级交错;而从P 层才会出现s和f 的能级交错;从O层才会出现p 和f的能级交错.由到组成一个能级组,目前周期表中含有七个能级组,对应周期表里的七个周期。
每一能级组中所所包含的电子数,就是对应周期的元素个数.如第6能级组为6s 4f 5d 6p,共有32个电子,对应周期表里的第六周期的32个元素。
四、推断元素
已知元素的原子序数推断元素,确定其在元素周期表中的位置,一般有三种方法。
1.利用元素周期表的结构。
用该元素的原子序数,从第一周期元素数目减起,直到减不够为止.如55号元素,55―2―8―8―18―18=1,故该元素为第六周期、第ⅠA 族元素,为铯(C s).
此方法可以确定每一个元素,但必须熟悉元素周期表的结构,记住每一周期的元素个数.
2.利用电子排布式确定元素。
如55号元素,其电子排布式为:1s22s22p 63s 23p 63d
104s 24p64d105s25p 66s 1,得出该元素为第六周期、第ⅠA 族元素,为铯(Cs )。
此方法可以确定每一个元素,但必须熟悉能级高低顺序,能正确地写出它的电子排布式。
3.利用原子结构示意图.周期序数=电子层数,主族序数=最外层电子数,由此确定元素在周期表里位置,并知道是什么元素。
利用电子层容量原理,根据元素的原子序数,可以确定稀有气体元素和Ⅳ-Ⅶ族元素原子的电子层排布,写出原子结构示意图.
ﻩ例如,Rn 原子核外有86个电子,有6个电子层。
22+ω=2
24+=4。
当n <4时,每个电子层的电子数用2n2
计算,这样,可得出K 、L 、M层的电子数依次为2,8,18.
当n≥4时,每个电子层的电子数用2(m +1)2计算:
ﻩN层,即外数第3层,m =3,电子数=2(3+1)2=32。
O 层,即次外层,m =2,电子数=2(2+1)2=18。
ﻩP层,即最外层,m =1,电子数=2(1+1)2=8。
故Rn 原子的电子层结构为:2,8,18,32,18,8。
ﻩ又如,52号元素,原子核外有5个电子层。
这是一个主族元素,最外层没有达到8个电子。
22+ω=225+=3.5。
ﻩ即n<3.5的K 、L 、M层的电子数用2n2计算,分别为2,8,18。
ﻩn >3.5的N层为次外层,用2(m+1)2计算电子数,为18,余下的电子数就应排在最外层(O 层),其电子数为52-(2+8+18+18)=6。
ﻩ故该元素原子的电子层排布为:2,8,18,18,6。
如果只知道原子序数,不知道电子层数,则可按下述方法确定原子电子层排布。
稀有气体元素的电子层结构为:① 从内层往外数,每个电子层电子数为2n 2;② 从外层往里数,每个电子层电子数为2(m+1)2;③ 以上两种关系,相交而止。
ﻩ例如,54号元素Xe ,有54个电子,按2n2确定K、L 、M 层的电子数,分别为2,8,1
8.(N 层电子数为32,前4层的总电子数将大于54,不可能)前3层的总电子数为2+8+18=28,剩余电子数为54-28=26.
ﻩ按照2(m +1)2,最外层8个电子,次外层18个电子,共26个电子,故Xe 原子的电子层结构为2,8,18,18,8.
又如主族元素114号元素的原子,按2n 2可排出:
ﻩﻩK L M N
2 8 18 32
60
ﻩ还剩114-60=54个电子。
按2(m+1)2得出:
ﻩ 外数第3层 次外层 最外层
ﻩ 32 18 x
50
ﻩ因此,最外层电子数应为x=54-50=4.该原子的电子层排布是2,8,18,32,32,18,。