A Level化學——電子排列的那些事兒

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　　處於穩定狀態的原子，核外電子滿足一定分布的原則，通過了解電子排布，我們能對元素周期表的排列有更深的理解。同時，它能幫我們解釋很多化學及物理等學科問題。例如我們前面講過的化學鍵等。今天，就讓我們一起來看看有關於電子排列的那些事兒。

　　1Electronic Configuration

　　Energy level或者叫 principal quantum shells (符號n)根據離nucleus的距離而依次排序。最小的energy level，n=1，離nucleus最近。n=2的則稍遠。離nucleus越遠的energy level，能量越大，同時和nucleus間的吸引力越小。

　　每一個principal quantum shell能夠容納的最大electron數量並不相同。我們已知：

　　n=1,最多容納2個electron

　　n=2,最多容納8個electron

　　n=3,最多容納18個electron

　　n=4,最多容納32個electron

　　2Subshells and Atomic Orbitals

　　在principal quantum shell中，除開第一個(n=1),其他都可以分成subshells(sublevels)。每一個principal quantum shell有不同數量的subshells。分別用字母s,p,d,f表示。每一個subshell所能容納最多electron如下：s=2electrons, p=6electrons, d=10electrons。

　　◆ n=1時，最多容納s subshell的2個electrons

　　◆ n=2時，最多容納s subshell的2個electrons以及p subshell的6個electrons，總計8個electrons

　　◆ n=3時，最多容納s subshell的2個electrons，p subshell的6個electrons以及d subshell的10個electrons，總計18個electrons。

　　同時我們需要注意，在低壓的情況下，當高速的electrons撞擊到氣體粒子中時，我們可以通過一種spectroscope看見彩色的線條。s,p,d這些單詞分別表示sharp, principal 以及 diffuse。

　　每一個subshell由一個或者多個atomic orbitals組成。

　　一個atomic orbital表示nucleus周圍能被1個或者2個electron所佔領的區域。

　　每一個orbital至多能有2個electrons。

　　s subshell → 1個orbital

　　p subshell → 3個orbitals

　　d subshell → 5個orbitals

　　s orbital 為球狀，2s orbital 也是如此。但是2s orbital 比1s orbital 的electrons能量更大。

　　n=2時，有3個2p orbitals， 每一個形狀都相同，如漏鬥狀，分別沿著x,y,z,軸兩兩直角排列。因此，可命名為2px, 2py, 2pz。三者能量相同。n=3時，也有3個2p orbitals，形狀和2p orbitals類似。

　　d orbitals的orbitals十分複雜。涉及到electron probability cloud。有一類d orbital的electron probability cloud非常特殊，有點像p orbital 中間套上了一個圓環。在AS考試中，我們不需要對d orbital形狀有所了解。但是在A level的transition metal中，需要了解。

　　大部分穩定的electronic configuration (electronic structure)是能量最低的原子狀態。Subshell的排列，根據它們的相對能量來排列。能量最低的即1s最先被填滿，然後是稍高的即2s,2p。需要注意的是，排列並不是完全按照s,p,d依次排列。例如，4s會先被填滿，然後是3d，再是4p...

　　3請輸入標題

　　最詳細的electronic configuration 能夠包含每個subshell中所含有的electrons數量。如下圖：

　　Argon的electronic configuration用符號[Ar]表示。且[Ar]：1s22s22p63s23p6

　　注意事項：

　　a. [K]:1s22s22p63s23p64s1 外層electron回去到4s subshell而非3p subshell，因為4s 能量比3d的低。

　　b. 在calcium後，下一個electron會進入到3d subshell 而非4p subshell。因此 scandium的electronic configuration為：[Ar]3d14s2。因為electron會佔領能量低的orbital。而3d subshell 比4s subshell 能量高，而低於4p subshell。這種模式戒指在Zinc。Zinc的electronic configuration為：[Ar]3d104s2。

　　c. Chromium 和 Copper的electronic configuration是比較特殊的。Chromium的electronic configuration為：[Ar]3d54s1。Copper的electronic configuration為：[Ar]3d104s1。

　　d. Gallium到Krypton的electronic configuration，electrons 會加到4p orbital上，因為它的能量比3d大。

　　Periodic Table反映了元素的electronic structure. 特徵如下圖：

　　同時，每個oribital中，electron的spin都有兩種(我們想像electron圍繞著軸順時針或者逆時針轉動)。我們可以用表格圖來表示：

　　因為同一區域的electrons會互相排斥，因此，electrons會先在同一個subshell中佔領不同的orbital來減小排斥力。只有當沒有額外的orbital，electron才會2個在同一個oribital。

　　Ion的electronic configuration只需要關注electron的數量即可。需要注意的是，對於大部分金屬而言，形成ion時，失去的是最外subshell的electron，但是對於d模塊的元素而言(K到Zn)，因為electron先填充了4s subshell，然後才是3dsubshell，所以當這些元素形成ion時，會先失去4s 的electrons。

　　例如:Ti atom:1s22s22p63s23p63d24s2 → Ti2+ ion:1s22s22p63s23p63d2

　　作者簡介：

　　漆 洋，廣州新東方國外考試部教師。曾任劍橋國際高中CN372數理化教師並參與CIE教師專業進修，現任澳洲預科MUFY物理教師。熱衷於啟發學生思考，調動學生學習主動性。

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（編輯：qinjie）