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5.電子組態與化學週期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,diffuse and fundamental,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(valence electron)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=+或 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,n=1,2,l =0,n 1(即 s,p,d,f,)ml=l 至+lms=+或 2=212 8=22218=23232=242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(ground state)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(excited state),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(pyrolytic graphite)具有極強 的逆磁性 液態氧具有順磁性 資料來源資料來源:demoroom.physics.ncsu.edu/熱解石墨具有極強的逆磁性 資料來源資料來源:維基百科,http:/www.wikipedia.org/水具有逆磁性資料來源資料來源:http:/www.hfml.ru.nl/含水的生物體具有逆磁性 資料來源資料來源:http:/ 5.6 電子組態的週期性 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(n1)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=+或 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:1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 2 10 18 36 54 86 氦 氖 氬 氪 氙 氡2101836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,22Ti 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資料來源資料來源:http:/www.chemsoc.org/ExemplarChem/entries/2004/dublin_fowler/dorbitals.htmld 軌域的空間電子雲分佈 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(ionization energy)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：圖5.14 第一游離能的週期性5.11 電子親和力(electron affinity)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,H 0 表示放熱反應 鹵素(halogen)的第一電子親和力:氟(F)H=328 kJ/mol 氯(Cl)H=349 kJ/mol 溴(Br)H=324 kJ/mol 碘(I)H=295 kJ/mol電子親和力(electron affinity)5.12 離子半徑測量離子化合物的核間距,以氧離子半徑(140 pm)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212 pm,得鎂離子半徑為 212 140=72 pm 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Ar4s2
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