高中化学/主族元素的电子构型

这可能看起来像是我们一直都在花很多时间学习质子……和中子……还有电子……还有电子……还有更多的电子……所以你可能会想知道——我们什么时候才能真正学习化学？我们什么时候才能学习反应？我们什么时候才能学习爆炸？我们什么时候才能学习塑料，以及可以通过将不同种类的化学物质组合在一起而制成的药物？答案是现在。我们终于准备讨论最简单的化学物质的化学性质——我们终于准备讨论元素了。记住，你已经了解到有 118 种不同的原子，每种原子被称为元素。你已经了解到不同元素的原子具有不同的质子数。氢有 1 个质子（如果它呈中性，则有 1 个电子），氦有 2 个质子（如果它呈中性，则有 2 个电子），锂有 3 个质子（如果它呈中性，则有 3 个电子）。最后，你已经看到了元素周期表的示例。科学家使用元素周期表来总结我们世界上所有已知元素的信息。

在本课程中，你将学习为什么元素周期表（如下所示）具有如此不寻常的形状。

现在，当你看到元素周期表时，你第一个想到的是什么？如果你和大多数人一样，你第一个想到的可能是：“哇，这真是个奇怪的形状！为什么元素周期表是这个形状？为什么它在中间偏低？为什么它在两端偏高？为什么底部有一个看起来很奇怪的断开部分？元素周期表根本不像表！” 在本章中，你将开始了解为什么元素周期表具有如此奇怪的形状。事实证明，元素周期表的形状实际上可以帮助我们了解我们世界上不同元素的化学性质。例如，在本节中，你将了解到元素周期表中同一列的元素具有相似的化学性质。稍后我们将研究同一行的元素之间是如何相关的。

1A族 (IA) 元素有一个s电子

记住，根据泡利不相容原理，电子首先被添加到低能级轨道，然后随着低能级轨道的填满，电子进入更高能级的轨道。当一个原子在化学反应中与另一个原子发生反应时，参与反应的是高能电子。

由于只有高能电子参与化学反应，因此当我们想要确定特定元素的化学性质时，我们只关注高能电子。电子需要有多高的能量才能参与化学反应？好吧，在大多数化学反应中，唯一参与的电子是最高能级的电子。换句话说，n（主量子数）值最大的电子参与化学反应，而n值较小的电子称为“核心电子”，它们更靠近原子核，因此不会参与反应。n值最大的电子被称为价电子。核心电子也称为非价电子。当两种不同元素的最外层能级具有相同数量的价电子时，它们具有相似的化学性质。

元素周期表中同一列的元素具有相似的化学性质。那么这对于它们的价电子意味着什么呢？你猜对了！元素周期表中同一列的元素具有相同数量的价电子——这就是它们具有相似化学性质的原因。让我们看看元素周期表第一列中的一些元素是否符合这种情况。

示例 1 - 氢

写出氢 (H) 的电子构型。

解题:

首先，你需要在元素周期表中找到氢。看一下上面的元素周期表。你知道氢位于第一列，如果你仔细观察，你会发现氢也恰好位于第一列的顶部。元素周期表告诉你氢的原子序数为Z = 1，因此氢有 1 个质子。中性氢也将有 1 个电子。你需要写出具有 1 个电子的原子的电子构型。

如下图所示，对氢 (H) 应用对角线规则。

因此，我们写出 H 的电子构型：1s¹。

记住，当你写电子构型时，前面的数字总是表示特定轨道的主量子数 n，因此 1s² 的 n = 1，而 3s¹ 的 n = 3。你在氢的电子构型中看到的最高主量子数是多少？它是 n = 1，因此所有 n = 1 的电子都是价电子。氢在一个s轨道上有 1 个价电子。

示例 2 - 锂

写出锂 (Li) 的电子构型。

解题：首先，你需要在元素周期表中找到锂。元素周期表告诉你锂的原子序数为Z = 3，因此锂有 3 个质子。中性锂也将有 3 个电子。你需要写出具有 3 个电子的原子的电子构型。

如下图所示，对锂 (Li) 应用对角线规则。非价电子：1s²。

因此，我们写出 Li 的电子构型：1s²2s¹。

你在锂的电子构型中看到的最高主量子数是多少？

它是 n = 2，因此所有 n = 2 的电子都是价电子，所有 n < 2 的电子都是非价电子。锂在一个s轨道上有 1 个价电子。

示例 3 - 钠

写出钠 (Na) 的电子构型。

解题:

首先，你需要在元素周期表中找到钠。元素周期表告诉你钠的原子序数为Z = 11，因此钠有 11 个质子。中性钠也将有 11 个电子。你需要写出具有 11 个电子的原子的电子构型。

如下图所示，对钠 (Na) 应用对角线规则。非价电子：1s²2s²2p⁶。

因此，我们写出 Na 的电子构型：1s²2s²2p⁶3s¹。

你在钠的电子构型中看到的最高主量子数是多少？

它是 n = 3，因此所有 n = 3 的电子都是价电子，所有 n < 3 的电子都是非价电子。（不要被 2p⁶ 轨道迷惑。即使它们是p轨道，而不是s轨道，它们也具有 n = 2，因此它们是非价电子！）钠在一个s轨道上有 1 个价电子。

如果你看一下示例 1、示例 2 和示例 3 中的最后一行，你应该注意到一个模式。

氢在一个s轨道上有 1 个价电子
锂在一个s轨道上有 1 个价电子
钠在一个s轨道上有 1 个价电子

事实上，元素周期表第一列中的所有元素在一个s轨道上都有1 个价电子。因此，我们预计所有这些元素都具有相似的化学性质——事实也是如此。（氢很特殊，因为它是在元素周期表中的第一个元素。因此，氢只有一个质子和一个电子，这赋予它特殊的化学性质。有时科学家不会将氢包括在元素周期表的第一列中，而是给它自己的“特殊”列来反映它的特殊性质——我们在这里不做这个，但你应该意识到，氢不具有与它所在列中其他元素完全相同的化学性质。）

元素周期表第一列中的元素（除了氢）被称为 1A 族金属，或碱金属。当你比较这些元素（锂、钠、钾、铷、铯和钫）的化学性质时，你会注意到它们都非常相似。1A 族元素是金属，呈银色，质地柔软。这些元素的反应非常强烈。如果你将其中一些元素放入水中，它们会爆炸。

如下所示，注意锂 (Li)、钠 (Na) 和钾 (K) 的外观如何相似。它们都是柔软的银色金属。由于 Li、Na 和 K 都是 1A 族金属，因此它们都具有相似的化学性质。

锂 (Li)

钠 (Na)

钾 (K)

最后，由于它们反应性很强，1A 族元素在自然界中不会以元素形式存在——换句话说，你不会在自然界中找到纯净的钠或纯净的钾。

2A族 (IIA) 元素有两个s电子

周期表第一列的所有元素在 *s* 亚层中都有 1 个价电子。您认为周期表第二列的元素有什么不同？让我们通过几个例子来了解一下。

示例 4 – 铍

写出铍 (Be) 的电子构型。

解题:

首先，您在元素周期表中找到铍。元素周期表告诉您铍的原子序数为 *Z* = 4，因此铍有 4 个质子。中性的铍也具有 4 个电子。您需要写出具有 4 个电子的原子的电子构型。

如下所示，对铍 (Be) 应用对角线规则。非价电子：1*s*²。

因此，我们写出 Be 的电子构型：1*s*²2*s*²。

您在铍的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 2 的电子都是非价电子。**铍在 *s* 轨道中有 2 个价电子**。

示例 5 – 镁

写出镁 (Mg) 的电子构型。

解题:

首先，您在元素周期表中找到镁。元素周期表告诉您镁的原子序数为 *Z* = 12，因此镁有 12 个质子。中性的镁也具有 12 个电子。您需要写出具有 12 个电子的原子的电子构型。

因此，Mg 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*⁶3*s*²。

您在镁的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 3，因此所有具有 *n* = 3 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 3 的电子都是非价电子。**镁在 *s* 轨道中有 2 个价电子**。

请注意

铍在 *s* 轨道中有 2 个价电子。
镁在 *s* 轨道中有 2 个价电子。

您可能猜到了钙 (Ca)、锶 (Sr)、钡 (Ba) 或镭 (Ra) 原子中价电子的数量和类型。如果您猜到的是 *s* 轨道中的 2 个电子，那么您猜对了！元素周期表第二列的所有元素在 *s* 轨道中都有 2 个价电子。

元素周期表第二列的元素被称为 2A 族金属或**碱土金属**。正如您可能预料的那样，因为 *所有* 2A 族金属在 *s* 轨道中都具有 *2 个价电子*，所以它们都具有相似的化学性质。2A 族元素是金属，银色，并且非常活泼，但它们不像 1A 族元素那样活泼。

3A (IIIA) 族元素具有 s 和 1p 电子

元素周期表第一列的所有元素在 *s* 亚层中都有 1 个价电子，元素周期表第二列的所有元素在 *s* 亚层中都有 2 个价电子。您能对元素周期表第三列的价电子做出任何预测吗？元素周期表第三列在哪里？事实证明，元素周期表中实际上有两个不同的“第三列”。仔细观察元素周期表的图示（本课的第一个图示）。您能找到标记为“3A”的列吗？您能找到标记为“3B”的列吗？请注意，“3B”列中最小的原子具有 Z = 21（钪，Sc），而“3A”列中最小的原子具有 *Z* = 5（硼，B）。（您需要注意的是，有一种替代方法来命名 3A 族元素；它们也可以被称为 13 族，因为这些元素位于元素周期表的第 13 列）。因此，显然有必要首先讨论 3A 列。让我们弄清楚 3A 列中的原子有多少个价电子。

示例 6 – 硼

写出硼 (B) 的电子构型。

解题:

元素周期表告诉您硼的原子序数为 *Z* = 5，因此硼有 5 个质子。中性的硼也具有 5 个电子。您需要写出具有 5 个电子的原子的电子构型。

如下所示，对硼 (B) 应用对角线规则。非价电子：1*s*²。

因此，B 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*¹。

您在硼的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 2 的电子都是非价电子。2*p* 轨道中的电子和 2*s* 轨道中的电子都是价电子。**硼在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 1 个价电子，总共 3 个价电子**。

示例 7 – 铝

写出铝 (Al) 的电子构型。

解题:

元素周期表告诉您铝的原子序数为 *Z* = 13；因此中性的铝有 13 个质子和 13 个电子。您需要写出具有 13 个电子的原子的电子构型。

因此，Al 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*⁶3*s*²3*p*¹。

您在铝的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 3，因此所有具有 *n* = 3 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 3 的电子都是非价电子。3*p* 轨道中的电子和 3*s* 轨道中的电子都是价电子。**铝在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 1 个价电子，总共 3 个价电子**。

从示例 6 和示例 7，我们有

硼在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 1 个价电子
铝在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 1 个价电子

事实上，元素周期表 3A 列中的 *所有* 元素在 *s* 轨道中都有 *2 个价电子*，在 *p* 轨道中都有 *1 个价电子*。对于 3A 列中的原子来说，总共是 *3 个价电子*。同样，3A 族元素的化学性质相似，因为它们具有相同数量和类型的价电子。

4A-8A 族继续向最外层能级添加 p 电子

到目前为止，您可能已经注意到价电子数量与族号之间的一种模式。1A 族元素具有 1 个价电子。2A 族元素具有 2 个价电子。3A 族元素具有 3 个价电子。4A 族元素具有……好吧，我们还没有研究过它们，但您会猜到什么？这很明显。4A 族元素具有 4 个价电子。同样，5A 族元素具有 5 个价电子。事实上，这种模式一直持续到 8A 族元素，它们具有 8 个价电子。让我们看几个例子，以便弄清楚到底涉及哪些类型的价电子。首先，我们将考虑一个 4A 族元素。

示例 8 – 碳

写出碳 (C) 的电子构型。

解题:

元素周期表告诉您碳的原子序数为 *Z* = 6，因此中性的碳有 6 个质子和 6 个电子。您需要写出具有 6 个电子的原子的电子构型。

如下所示，对碳 (C) 应用对角线规则。非价电子：1*s*²。

因此，C 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*²。

您在碳的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 2 的电子都是非价电子。2*p* 轨道中的电子和 2*s* 轨道中的电子都是价电子。**碳在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 2 个价电子，总共 4 个价电子**。

现在让我们考虑一个 5A 族元素。

示例 9 – 氮

写出氮 (N) 的电子构型。

解题:

元素周期表告诉您氮的原子序数为 *Z* = 7，中性的氮有 7 个质子和 7 个电子。您需要写出具有 7 个电子的原子的电子构型。

因此，N 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*³。

您在氮的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 2 的电子都是非价电子。2*p* 轨道中的电子和 2*s* 轨道中的电子都是价电子。**氮在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 3 个价电子，总共 5 个价电子**。

作为最后一个例子，让我们看一下 6A 族元素（或 16 族）。

示例 10 – 氧

写出氧 (O) 的电子构型。

解题:

元素周期表告诉您氧的原子序数为 *Z* = 8；中性的氧有 8 个质子和 8 个电子。您需要写出具有 8 个电子的原子的电子构型。

因此，O 的电子构型：1*s*²2*s*²2*p*⁴。

您在氧的电子构型中看到的 *最高* 主量子数是多少？

它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的电子都是价电子，所有具有 *n* < 2 的电子都是非价电子。2*p* 轨道中的电子和 2*s* 轨道中的电子都是价电子。**氧在 *s* 轨道中有 2 个价电子，在 *p* 轨道中有 4 个价电子，总共 6 个价电子**。

所以让我们总结一下我们目前所知道的

1A 族元素在 *s* 轨道中具有 1 个价电子
2A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子
3A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子，在 *p* 轨道中具有 1 个价电子
4A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子，在 *p* 轨道中具有 2 个价电子
5A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子，在 *p* 轨道中具有 3 个价电子
6A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子，在 *p* 轨道中具有 4 个价电子
7A 族元素在 *s* 轨道中具有 2 个价电子，在 *p* 轨道中具有 5 个价电子
8A 族元素在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 6 个价电子。

请注意，在 3A 族之后，每向右移动一列，就会增加一个价 *p* 电子。4A 族元素比 3A 族元素多一个价 *p* 电子。同样，5A 族元素比 4A 族元素多一个价 *p* 电子。但当你到达 8A 族元素时会发生什么？为什么元素周期表在 8A 族结束？让我们仔细思考一下。8A 族元素在 *p* 轨道上有 6 个价电子。在上章中，你已经了解到任何能级上 *p* 电子的最大数量是 6。因此，不可能存在“9A”族，因为“9A”族将有 7 个 *p* 电子在价能级上，这是不可能的。

8A 族元素的价 *s* 子层和 *p* 子层完全填充这一事实对于它们的化学性质非常重要。8A 族元素被称为 **惰性气体**。它们都是气体，而且反应性很低。

课程总结

所有已知元素都以这样的方式排列在元素周期表中，即同一列中的元素具有相似的化学性质。
只有最高能量的电子（价电子）参与化学反应。因此，只有这些高能电子对于决定元素的化学性质很重要。
当两种不同的元素具有相同数量的价电子时，它们很可能具有相似的化学性质。
具有相同数量价电子的元素位于元素周期表的同一列中。
具有相同价层的元素位于元素周期表的同一行中。
元素周期表第一列的所有元素在 *s* 轨道上都有 1 个价电子。这些元素被称为 1A 族金属或碱金属。
元素周期表第二列的所有元素在 *s* 轨道上都有 2 个价电子。这些元素被称为 2A 族金属或碱土金属。
元素周期表第 3A 族的所有元素在 *s* 轨道上都有 2 个价电子，在 *p* 轨道上都有 1 个价电子。
元素周期表第 4A 族的所有元素在 *s* 轨道上都有 2 个价电子，在 *p* 轨道上都有 2 个价电子......等等。
第 8A 族在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 6 个价电子。由于任何给定能级最多只能有 6 个 *p* 电子，因此第 8A 族元素的 *p* 子层已满。因此，它们是惰性的（不活泼的），因为它们不太可能获得或失去电子。8A 族元素被称为惰性气体。

复习题

看一下元素周期表。你会如何描述它？为什么你认为它有如此奇怪的形状？
你能否建议元素周期表中同一列中的元素可能有什么相似之处？
选择正确的说法。
(a) Mg 在 *s* 轨道上只有一个价电子

(b) F 在 *s* 轨道上只有一个价电子

(c) O 在 *s* 轨道上只有一个价电子

(d) Kr 在 *s* 轨道上只有一个价电子
在每个空白处圈出合适的元素。
(a) ____________ (Mg/N) 在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 3 个价电子。

(b) ____________ (As/B) 在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 3 个价电子

(c) ____________ (Cl/P/Li) 在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 5 个价电子

(d) ____________ (Al/Li/Na) 在 *p* 轨道上有一个价电子
选择正确的说法。
(a) 1A 族元素共有 3 个价电子

(b) 5A 族元素共有 2 个价电子

(c) 7A 族元素共有 4 个价电子

(d) 8A 族元素共有 8 个价电子

(e) 2A 族元素共有 5 个价电子

(f) 1A 族元素共有 3 个价电子
填空。
(a) N 在 *s* 轨道上有 ___ 个价电子

(b) N 在 *p* 轨道上有 ___ 个价电子

(c) N 共有 ___ 个价电子

(d) Ca 在 *s* 轨道上有 ___ 个价电子

(e) Ca 在 *p* 轨道上有 ___ 个价电子

(f) Ca 共有 ___ 个价电子
判断以下每个说法是正确还是错误。
(a) K 在 *s* 轨道上有一个价电子

(b) Ge 在 *s* 轨道上有 2 个价电子

(c) Se 在 *p* 轨道上有 4 个价电子

(d) B 在 *p* 轨道上有 3 个价电子

(e) F 在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 7 个价电子

(f) Ca 共有 4 个价电子
将元素与其价电子配对。
(a) Sr i. 共有 8 个价电子
(b) I ii. 共有 2 个价电子
(c) Ne iii. 共有 5 个价电子
(d) N iv. 共有 7 个价电子
填空。
(a) Ba 在 *s* 轨道上有 __ 个价电子，在 *p* 轨道上有 __ 个价电子

(b) Sn 在 *s* 轨道上有 __ 个价电子，在 *p* 轨道上有 __ 个价电子

(c) S 在 *s* 轨道上有 __ 个价电子，在 *p* 轨道上有 __ 个价电子

(d) Po 在 *s* 轨道上有 __ 个价电子，在 *p* 轨道上有 __ 个价电子

(e) Na 在 *s* 轨道上有 __ 个价电子，在 *p* 轨道上有 __ 个价电子
列出所有在 *p* 轨道上恰好有 2 个价电子的元素。
一个元素在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 4 个价电子。如果该元素位于元素周期表的第二行，那么它是什么元素？
一个元素在 *s* 轨道上有 2 个价电子，在 *p* 轨道上有 6 个价电子。如果该元素与 In 在同一行，那么它是什么元素？

词汇

碱金属: 1A 族金属。这些元素位于元素周期表的第一列，氢除外。
碱土金属: 2A 族金属。这些元素位于元素周期表的第二列。
化学性质: 元素与另一种元素或化合物反应的方式。
惰性气体: 8A 族元素。这些元素位于元素周期表的第八列。它们是惰性的，这意味着它们反应性很低。
非价电子: 原子中所有不是价电子的电子。非价电子在确定元素的化学性质方面并不重要，因为它们很少参与化学反应。
价电子: 原子中具有最高 *n* 值的电子（最高能级上的电子）。

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此材料改编自原始的 CK-12 书籍，可在此处找到。此作品根据知识共享署名-相同方式共享 3.0 美国许可协议进行许可

(a) Sr	i. 共有 8 个价电子
(b) I	ii. 共有 2 个价电子
(c) Ne	iii. 共有 5 个价电子
(d) N	iv. 共有 7 个价电子

1A族 (IA) 元素有一个s电子

2A族 (IIA) 元素有两个s电子

3A (IIIA) 族元素具有 *s* 和 1*p* 电子

4A-8A 族继续向最外层能级添加 *p* 电子

课程总结

复习题

词汇

3A (IIIA) 族元素具有 s 和 1p 电子

4A-8A 族继续向最外层能级添加 p 电子