高中化学/电子构型

在上一节中，我们确定了化学家族（元素周期表上的垂直列）的成员在其最外层电子层具有相同的电子构型。在下一节中，我们将回顾电子构型的轨道表示和电子构型代码。然后，我们将学习一个书写电子构型代码的简便方法。

学习目标

将轨道表示图转换为电子构型代码。
区分外层电子层（价电子）和核心电子。
使用简便方法书写原子和离子的电子构型代码。

书写电子构型的简便方法

下图代表了轨道表示图，它在前面的章节中使用过。轨道表示图有几种不同的变体，但它们都用于绘制电子构型。大多数图将轨道以组的形式显示，作为直线、方框或圆圈，每个轨道在每个亚层中都有自己的直线（或圆圈）。

2p亚层有3个轨道（2p_x、2p_y和2p_z），并且每个轨道都有自己的直线（或方框）。

让我们从一个中性原子的轨道方框（或轨道表示图）开始这一节。使用下面的电子构型图绘制钾的电子构型。记住钾是元素编号19，所以它有19个电子。能量图中的每条线都容纳两个自旋相反的电子。

现在我们可以简化它，通过排除所有未被使用或没有容纳电子的能级和亚层。

钾的电子构型代码为

{\text{K}}

:

1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}

记住，惰性气体是几乎不反应的元素，部分原因是其最外层电子层的电子构型是满的（ns²np⁶）。在元素周期表上找到钾，然后找到它之前的惰性气体。从钾开始往后退，数到最近的惰性气体。你得到什么？正确答案是氩（Ar）。现在，让我们绘制氩的电子构型，并将钾的电子构型放在它旁边。

氩的电子构型

钾的电子构型

观察这两张图你发现什么？钾与氩的电子构型相同，只是多了一个电子。当我们书写电子构型代码时，我们可以强调这一点。

${\text{K}}$ :	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}$
${\text{Ar}}$ :	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$

因此，

{\text{K}}

:

[{\text{Ar}}]4s^{1}

（这被称为惰性气体构型代码系统或“简便方法”）

让我们再试一个。绘制并书写镓（Ga）的电子构型。镓是元素编号31，因此它有31个电子。它也在第4周期，是主族元素周期中的第三个元素。从这些信息中，我们知道最外层的电子将是4s²4p¹。

书写镓的电子构型代码，我们得到1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p¹。按照数字顺序，镓的电子构型为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹。

现在，回到之前的惰性气体。同样，我们发现之前的惰性气体是氩。记住氩的电子构型为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶。


${\text{Ga}}$ :	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{1}$
${\text{Ar}}$ :	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$

因此，

{\text{Ga}}

:

[{\text{Ar}}]4s^{2}3d^{10}4p^{1}

这对于中性原子来说似乎很有效，那么离子呢？请记住，当从中性原子中移除电子时会形成阳离子，而当向中性原子中添加电子时会形成阴离子。但是电子从哪里添加或移除呢？参与化学反应的电子是位于最外层壳层的电子。因此，如果要移除或添加电子，它们将从具有最高n值的外层壳层中移除或添加到该外层壳层中。

现在让我们看一个例子。绘制 Fe 的电子构型。然后，写出 Fe²⁺ 形成的反应。

Fe²⁺ 离子形成的反应为：Fe → Fe²⁺ + 2e⁻。因此，我们必须移除 2 个电子。我们从哪里移除这两个电子？规则是从最高的n值开始移除，在本例中，这意味着我们首先从 4s 子能级移除电子。

${\text{Fe}}$	$\rightarrow$	$Fe^{2+}+2e^{-}$
$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{6}$	$\rightarrow$	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{6}+2e^{-}$

请记住，当我们使用惰性气体构型编写电子构型代码时，我们使用前一个惰性气体。在编写 Fe 或 Fe²⁺ 的电子构型代码时，我们将使用符号 [Ar] 来代替 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶。

${\text{Fe}}$	$\rightarrow$	$Fe^{2+}+2e^{-}$
$[{\text{Ar}}]3d^{6}4s^{2}$	$\rightarrow$	$[{\text{Ar}}]3d^{6}+2e^{-}$

除了形成 Fe²⁺ 离子外，铁原子还可以形成 Fe³⁺ 离子。具有完全半充满的d轨道的电子构型获得额外的稳定性。从铁原子中移除形成 Fe³⁺ 离子的第三个电子是从d轨道中移除的，这使得该铁离子具有一个完全半充满的d轨道。这种构型的额外稳定性解释了为什么铁可以形成两种不同的离子。

${\text{Fe}}$	$\rightarrow$	$Fe^{3+}+3e^{-}$
$[{\text{Ar}}]3d^{6}4s^{2}$	$\rightarrow$	$[{\text{Ar}}]3d^{5}+3e^{-}$

那么负离子，即阴离子呢？请记住，负离子是通过向电子云中添加电子而形成的。看一看溴，Br。中性溴的原子序数为 35，因此它拥有 35 个电子。

Br⁻ 离子形成的反应为：Br + e⁻ → Br⁻。溴离子是通过添加一个电子而形成的。如果你看一下溴的电子构型，你会注意到 4p 子能级还需要一个电子才能填满该子能级，如果该子能级被填满，则 Br⁻ 的电子构型与惰性气体氪 (Kr) 的电子构型相同。当添加电子形成负离子时，电子将被添加到最低未填满的n值中。

${\text{Br}}+e^{-}$	$\rightarrow$	$Br^{-}$
$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{5}+e^{-}$	$\rightarrow$	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}$

或者

${\text{Br}}+e^{-}$	$\rightarrow$	$Br^{-}$
$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{5}+e^{-}$	$\rightarrow$	$[{\text{Kr}}]$

注意 Br⁻ 的电子构型与 Kr 相同。当这种情况发生时，它们被称为等电子。

示例问题

使用稀有气体电子构型简写法，写出以下原子或离子的电子构型代码。

(a) Se

(b) Sr

(c) O²⁻

(d) Ca²⁺

(e) Al³⁺

解答:

(a) Se[Ar]: 4s²3d¹⁰4p⁴

(b) Sr[Kr]: 5s²

(c) O²⁻: [Ne]

(d) Ca²⁺: [Ar]

(e) Al³⁺: [Ne]

核心电子

当我们查看任何元素的电子构型时，我们可以区分出两种不同的电子类型。有些电子参与反应，有些则不参与。外层电子被称为价电子，它们负责原子发生的反应。对于主族元素，价电子的数量随着你在元素周期表中横向移动而增加。

在旧的元素周期表中，各族用 A 和 B 来编号。代表族（s 和 p 区）用 A 编号，过渡元素用 B 编号。下表列出了两种编号系统。图表中用红色显示了 A 编号；在本课中，我们将只关注这个编号。A 族中的价电子数量随着族数的增加而增加。实际上，A 族的编号就是价电子的数量。因此，如果一个元素在 3A 族，它有 3 个价电子，如果它在 5A 族，它有 5 个价电子。

除价电子之外的所有电子都称为核心电子。这些电子处于内层能级。将一个电子从这些满壳层中拉出来需要大量的能量，因此，它们通常不参与任何反应。看看镓 (Ga) 的电子构型。它有 3 个价电子和 28 个核心电子。

示例问题

以下各元素有几个核心电子和价电子？

(a) V

(b) As

(c) Po

(d) Xe

解答:

(a) ₂₃V 核心电子 = 18，价电子 = 5

(b) ₃₃As: 核心电子 = 28，价电子 = 5

(c) ₈₄Po: 核心电子 = 78，价电子 = 6

(d) ₅₄Xe: 核心电子 = 46，价电子 = 8

课程总结

可以使用轨道盒图来绘制元素的电子构型。
稀有气体构型系统是表示元素电子构型的简写方法。
稀有气体符号代表所有或大多数核心电子。
对于阳离子，电子从具有最大 n 值的最外层亚层中移除。
对于阴离子，电子添加到具有最低 n 值的未填充能级。
等电子物种具有相同的电子构型。
使用轨道盒图，可以轻松地可视化核心电子和价电子。
价电子是指位于最外层壳层中的电子。

复习题

标准电子构型代码和使用稀有气体构型的电子构型代码有什么区别？
标准电子构型通常被称为基态电子构型。你认为为什么是这样？
为什么两个不同的离子可以有相同数量的核心电子和价电子？
绘制钾 (K) 的电子构型的轨道表示。
写出钾 (K) 的电子构型代码。
写出钾 (K) 的稀有气体电子构型代码。
钾 (K) 有几个核心电子和价电子？
写出钾 (K⁺) 的电子构型。
写出钾 (K⁺) 的稀有气体电子构型代码。
K⁺ 与哪些物种等电子？
以下电子构型属于哪个元素？
[Kr]4d¹⁰5s²5p²

(a) Sb

(b) Sn

(c) Te

(d) Pb
以下电子构型属于哪个元素？
[Xe]5d¹⁰6s²6p⁴

(a) Pb

(b) Bi

(c) Po

(d) Tl
溴元素的稀有气体电子构型是什么？
(a) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p5

(b) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

(c) [Ar]4s²4p⁵

(d) [Ar]3d¹⁰4s²4p⁵
写出以下各元素的稀有气体电子构型。
(a) Al

(b) N³⁻

(c) Sr²⁺

(d) Sn²⁺

(e) I
以下各元素有几个核心电子和价电子？
(a) Mg

(b) C

(c) S

(d) Kr

(e) Fe

词汇

核心电子: 占据最外层能级以下的能级的电子。
等电子: 具有相同的电子构型。
轨道盒图: 绘制电子构型的图，其中亚层以组（甚至以方格）显示，每个轨道在每个亚层内都有自己的线（或方格）。
价电子: 占据原子或离子外层壳层的电子。

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