化學選修三是高考之中比較好得分的一塊知識點,我們大多數都是死記硬背一些課本上的知識,比如泡利原理,洪特規則,一些VSEPR模型等等。記得當時有的化學老師說我們現在學的關於結構的知識有一部分是錯誤的,到了大學如果學化學專業就要改正過來。
我現在就給大家舉一個例子例如多電子原子中能級順序的排列問題。
能級順序為何不是按照順序(1s)(2s,2p),(3s,3p,3d)(4s,4p,4d,4f)依次排列,而是按照鮑林的近似能級圖排列的嘞?
其實在多電子原子中的能級順序受到多方面因素的影響,其中包括核電荷數、主量子數、角量子數、屏蔽效應、穿透效應和電子的自旋等。,現在的多電子原子的能級近似圖是根據大量的光譜實驗數據總結出來的。能量相近的能級合併成一組,稱為能級組,鮑林近似能量圖共七個能量組,原子軌道的能量依次增大,能級組之間的能量相差較大而能級組之間的能量相差較小。
我們現在來依次分析這些影響能級順序的因素。首先是核電荷數,核電荷數等於原子所帶的正電荷數,電子所帶的是負電荷,故原子核對核外的電子有吸引作用,核電荷數越大吸引能力越強。但是對越外層的電子吸引能力就會慢慢減弱。
主量子數(n)又稱能量量子數,1.表示電子出現概率最大區域離核的距離,n=1表示電子出現概率最大區域離核最近。2.確定電子能量高低的主要量子數。3.代表電子層,n相同的電子處於同一個電子層內。
角量子數(l)又稱副量子數,1.l的取值受主量子數n的限制,只能取0至(n-1)的正整數,即l=0,1,2,3,4,n-1。2.角量子數確定原子軌道和電子云在空間角度分布情況(形狀),原子軌道的形狀取決於l。3.表示電子亞層。
例如:n=4時,l可取0,1,2,3。
l=0:表示軌道為第四層的4s軌道,形狀為球形。
l=1:表示軌道為第四層的4p軌道,形狀為啞鈴型。
l=2:表示軌道為第四層的4d軌道,形狀為花瓣形。
l=3:表示軌道為第四層的4f軌道,形狀複雜。
4.在多電子原子中l是和n一起決定電子能量的量子數。在氫原子和類氫原子中,核外只有一個電子,因此電子的能量只與主量子數n有關,即n相同的電子的能量即使l不同也相同。如E4s=E4p=E4d=E4f。對於多電子原子體系,由於各電子間相互作用,使得l不同的電子能級發生分裂,一般l越大,能量越高。如E4s小於E4p小於E4d小於E4f。因此,對於多電子體系只有n和f都相同時,電子的能量才相同;n和l相同的軌道稱等價軌道或簡併軌道。
屏蔽效應:在多電子原子中,一個電子受其他電子排斥而能量升高,這種能量效應稱為「屏蔽效應」。
鑽穿效應:從量子力學觀點來看,電子可以出現在原子內任何位置上。也就是說,外層電子可以鑽人內部殼層而更靠近原子核,從而削弱了內層電子的屏蔽效用,相對增加了原子的有效核電荷,使得原子軌道的能級降低,這種現象稱為鑽穿效應。鑽穿效應越大,意味著電子可以出現在離核近一些的區域,電子的能量越低。
能級圖中,各原子軌道的能級由量子數n和l決定,l相同n不同時,n越大的電子受到的屏蔽作用越強,能量越高:在同一電子層中,l不同時,由於同層之間的電子屏蔽作用比內層的弱,l越小電子鑽穿能力越強,理核越近,因此受到其他電子對他的屏蔽作用就越弱,能量越低。N,l都不同時能級之間則受多種因素影響,會出現n小的反而能量高的現象,稱為能級交錯。
(本人學識短淺如有錯誤請您指出,配圖來自網路,參考文獻《基礎化學》)