电子组态与化学周期

5.電子組態與化學週期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,...)源自光譜譜線的特徵:sharp,principal,diffuseandfundamental,其後的軌域(g,h,…)依英文字母順序.♦填於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佈s(l=0)p(l=1)d(l=2)f(l=3)n=1n=2n=3n=4n=5...n=6......n=7.........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5.2包立不相容原理♦考慮原子的自旋,每個軌域(n,l,ml)可以填入兩個電子.ms=+½或−½♦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,…s(l=0)p(l=1)d(l=2)f(l=3)n=11s2n=22s22p6n=33s23p63d10n=44s24p64d104f14n=55s25p65d105f14n=66s2n=1,2,…l=0,…,n−1(即s,p,d,f,…)ml=−l至+lms=+½或−½2=2128=22218=23232=242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軌域開始佔據起，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軌域能階便高於碳原子的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於同一軌域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資料來源:demoroom.physics.ncsu.edu/熱解石墨具有極強的逆磁性資料來源:維基百科,:::♦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(n1)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電子組態的週期性氫(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=+½或−½圖5.6俄羅斯化學家門得列夫5.7元素週期表圖5.7元素週期表2101836依軌域能量高低,週期表的填入順序為:1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p21018365486氦氖氬氪氙氡61181011214102288686108014702566541048238636103022061821261024227657654654543433221pdfspdfspdspdspspss2101836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,22TiSol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資料來源:xydyzdzxd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，彼此間的屏蔽小於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原子半徑的週期性圖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)♦由於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，移去第二個電子所需的能量稱之為第二游離能，依此類推。♦失去電子的原子為陽離子,其電荷數為原子序與剩餘電子數之差。以下是游離能的反示式：第一至第七游離能(kJ/mol)元素1st2nd3rd4th5th6th7thAl5771,8162,88111,600Ar1,5202,6653,9455,7707,2308,78012,000Cl1,2562,2953,8505,1606,5609,36011,000Mg7381,4507,730Na4964,560P1,0601,8902,9054,9506,27021,200S999.62,2603,3754,5656,9508,49027,107Si7861,5773,2284,35416,100圖5.14第一游離能的週期性5.11電子親和力(electronaffinity)♦當氣態原子接受一個電子而成為陰離子時，所釋放的能量稱為電子親和力。第一電子親和力的反應式：電子親和力的焓變(H)可為正或負,H0表示放熱反應♦鹵素(halogen)的第一電子親和力:氟(F)H=328kJ/mol氯(Cl)H=349kJ/mol溴(Br)H=324kJ/mol碘(I))H=295kJ/mol電子親和力(electronaffinity)Group→123456789101112131415161718↓Period1H73He*2Li60Be*B27C122N*O141F328Ne*3Na53Mg*Al42Si134P72S200Cl349Ar*4K48Ca2Sc18Ti8V51Cr65Mn*Fe15Co64Ni112Cu119Zn*Ga41Ge119As79Se195Br324Kr*5Rb47Sr5Y30Zr41Nb86Mo72Tc*Ru101Rh110Pd54Ag126Cd*In39Sn107Sb101Te190I295Xe*6Cs46Ba14*HfTa31W79Re*Os104Ir150Pt205Au223Hg*Tl36Pb35Bi91PoAtRn*7FrRa**RfDbSgBhHsMtDsRgUubUutUuqUupUuhUusUuo*鑭系LanthanidesLa45Ce92PrNdPmSmEuGdTbDyHoErTm99YbLu33**錒系ActinidesAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr鹼金族鹼土族鑭系元素錒系元素過渡金屬PoormetalsMetalloids非金屬鹵素鈍氣5.12離子半徑♦測量離子化合物的核間距,以氧離子半徑(140pm)為參考,再計算出其他離子半徑以MgO為例,由晶體密度算出O2-與Mg2+核間距為212pm,得鎂離子半徑為212–140=72pm♦相同的電子數之下,離子的半徑隨原子核電荷增加而減少圖5.15不同元素的離子半徑比較習題[Ar]4s2