5.電子組態與化學周期5.1多電子原子之電子組態?主量子數相同的軌域,稱為主殼層

(shell)

例如:n=1殼層,n=2殼層,n=3殼層,…

?每個主殼層中的s,p,d等軌域,稱為副殼層(subshell)

例如:1s

副殼層(n=1,l=0),2p

副殼層(n=2,l=1),…?軌域名稱(s,p,d,f,g,h,...)源自光譜譜線的特征:sharp,principal,diffuseandfundamental,其后的軌域(g,h,…)依英文字母順序.?填于最外圍主殼層的電子,稱為價電子

(valenceelectron)?填其它軌域能階較低的電子,稱為內核電子各副殼層電子的空間分布圖5.1奧地利科學家包立圖5.2每個軌域至多只能填入兩顆電子包立不兼容原理?考慮原子的自旋,每個軌域(n,l,ml)可以填入兩個電子.ms=+?或??

?原子的四個量子數:n,l,ml,ms

?原子軌域之副殼層:1s,2s,2p,3s,3p,3d,…n=1,2,…

l=0,…,n?1(即s,p,d,f,…)

ml=?l

至+l

ms=+?或??

2=2128=22218=23232=242每個(n,l)的組合,

稱為副殼層(subshell)5.3遞建原理?電子都是從能量最低的1s

軌域開始占據起，順序往能量次低的軌域填入。?原子核質子數愈多，電荷愈大，軌域能量便愈低，電子也就愈接近原子核。

對同一軌域而言,

原小序越大,

半徑越小,

能階越低?因此,每種元素的原子軌域能階都不同，

例如:氦原子的1s

軌域能階便高于碳原子的1s

軌域。圖5.3德國科學家洪德圖5.4基態電子組態為能量最低的電子組態5.4洪德法則?電子會先各自填上空置的軌域，在無可選擇的情況下兩顆電子才會置于同一軌域5.4洪德法則(續)?以下碳

(6C)的各種組合,以電子自旋均為同向時(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?能量最低的電子組態,稱為基態(groundstate)

例如:(c)(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

為碳的基態

?能量比基態高的電子組態,稱為激發態(excitedstate),

例如:(a)

(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

為碳的激發態

(b)

(

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz

為碳的激發態

5.5順磁性與逆磁性?當軌域中的電子為自旋平行,原子具有順磁性(paramagnetism),

例如:氧(8O):(1s)2(2s)2(2p)4 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py(

)2pz?當軌域中的電子均為自旋逆平行,原子具有逆磁性(diamagnetism),

例如:鈹

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

)1s

(

)2s

?固體的晶相會改變其磁性,

例如碳(6C):(1s)2(2s)2(2p)2 (

)1s

(

)2s

(

)2px(

)2py

原子本身為順磁性,但熱解石墨(pyrolyticgraphite)具有極強

的逆磁性液態氧具有順磁性數據源:/熱解石墨具有極強的逆磁性數據源:維基百科,/水具有逆磁性數據源:http://www.hfml.ru.nl/含水的生物體具有逆磁性數據源:/數據源:

5.6電子組態的周期性?每一個主量子數n

代表一個主殼層,?每個主殼層可容納2n2

個電子?主殼層的電子填滿時,元素的化學性質非常穩定(不易發生反應)

鈍氣:氦(2He),氖(10Ne),氬(18Ar),氪(36Kr)?電子組態相似的元素,其化學性質接近

ns1:氫(1H),鋰(3Li),鈉(11Na),鉀(19K),銣(37Rb)

ns2,ns2np6,ns2(n1)d10np6:氦(2He),氖(10Ne),氬(18Ar),氪(36Kr)圖5.5首十種元素的基態電子組態

5.6電子組態的周期性氫(1H):(1s)1 (

)1s

氦(2He):(1s)2 (

)1s

鋰(3Li):(1s)2(2s)1 (

)1s

(

)2s

鈹(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=+?

或??

圖5.6俄羅斯化學家門得列夫5.7元素周期表圖5.7元素周期表2101836依軌域能量高低,周期表的填入順序為:1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p

7s5f6d7p21018365486

氦氖氬氪氙氡2101836各軌域電子填滿的元素氦(2He):(1s)2

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

鎂(12Mg):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2氬(18Ar):(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6

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

鋅(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

過渡元素Ex.5-2寫出下列原子的基態的電子組態:2He,4Be,8O,17Cl,22Ti<Sol>氦(2He):(1s)2

(

)1s

鈹(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鈦(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數據源:/ExemplarChem/entries/2004/dublin_fowler/dorbitals.htmld

軌域的空間電子云分布圖5.10電子的屏蔽效應5.8有效核電荷與屏蔽效應?在多電子原子中，不同軌域的電子所感受到的有效核電荷，端視乎其他電子的屏蔽效應。?電子愈靠近原子核，

它所感受的有效核

電荷便愈大；

外層電子容易脫離?屬同一副殼層的電子，

彼此間的屏蔽小于內層

電子對它們的屏蔽效應。圖5.11利用

Cl2

與

C2

分子核間距（原子半徑）可相當準確地預測

Cl-C的核間距5.9原子半徑?量度分子或金屬中兩相鄰原子核之間的距離相對而言較為容易?因此,原子半徑定義為:相鄰核距的一半。i圖5.12原子半徑的周期性圖5.13游離能為氣態原子游離一個電子所需的最低能量5.10游離能(ionizationenergy)?由于原子核與電子之間的庫倫吸引力，外界必須提供足夠的能量,才可讓電子脫離所屬軌域,成為自由電子。?移去第一個電子時，所需的能量稱為第一游離能