化學原理啟迪330
1. 利用原子的量子力學模型，我們顯示出各種不同原子的電子群的排列方式，再依據不同原子的電子群的排列方式為每一種元素排序，建立出元素週期表。在這裡，我們有一個重要的假設前提：所有原子的電子軌域都與氫原子模型的軌域類似。
Zinedine Zidane - The Maestro Of The Decade HD
2. 我們依據元素在原子核內的質子數量由少到多逐一增加的順序（稱為原子序），將元素由小到大逐一排列，建立元素週期表；由於原子核的質子的數量會反映在電子數量上，所以，我們也可以依據填入原子軌域的電子由少到多逐一增加的順序，將元素由小到大逐一排列，建立元素週期表。以上法則稱為遞建原則aufbau principle。
3. 氫原子hydrogen有1顆電子，這顆電子在氫原子處於基態（最低能量狀態）時會在1s軌域活動。氫原子的電子組態寫為1s1，可用以下的軌域圖表示：
圖中的箭頭是指電子某一種旋轉狀態。
4. 下一個元素氦helium有2顆電子。因為依據包立不相容原理，這二顆電子要共享同一個軌域必須旋轉方向相反，所以氦在1s軌域的二顆電子旋轉方向相反（用上下顛倒的箭頭表示），這產生1s2的電子組態：
5. 鋰lithium有3顆電子，其中2顆電子在1s軌域。由於主量子數n＝1（第一能階）時，只有1s軌域，沒有其他電子軌域，所以第3顆電子必須填入主量子數n＝2（第二能階）的最低能階軌域，2s軌域，電子組態寫法是1s22s1：
6. 鈹beryllium有4顆電子，佔據1s和2s軌域：
7. 硼boron有5顆電子，其中4顆在1s和2s軌域。第5顆電子進入到主量子數n＝2（第二能階）的第二種軌域，2p軌域；2p軌域在x軸、y軸、z軸上的軌域都相等，因此電子填入2p軌域的哪一個軌域都無所謂。
8. 碳有6個電子：2個電子填滿1s軌域，2個電子填滿2s軌域，2個電子在2p軌域。共有三個相等的2p軌域，電子將會分別填入其中二個2p軌域。
9. 當原子有2顆電子可以填入三個p軌域時，電子分別填入二個獨立的p軌域，而不是2顆電子一起填入同一個軌域，電子這種行為模式稱為洪德定理Hund's rule。
10. 洪德定理主張：原子的最低能階電子組態是，每個獨立的次軌域一一填入未成對的電子（單顆電子），使得原子軌域擁有最大數量的未成對電子。電子填入各殼層之下的次軌域的方式，符合包立不相容原理。
11. 徐弘毅注1：原子的電子軌域殼層之下的次軌域是什麼？原子是由原子核與電子組成，原子核外面包裹層層的電子軌域，舉例來說，p軌域是一個電子殼層，而p軌域本身還可分解為三種軌域px、py、pz，px、py、pz就是p軌域殼層之下的三個次軌域。此外，d殼層可以分成五個次軌域，f軌域可以分成七個次軌域。
12. 徐弘毅注2：為什麼洪德定理符合包立不相容原理？
因為依據包立不相容原理，當第一顆電子填入某個殼層之下的次軌域，要繼續填入第二顆電子時，第二顆電子的旋轉方向必須與第一顆電子相反，這就形成一個能量門檻，迫使第二顆電子必須額外增加能量調整自己的旋轉方向。
所以，第二顆電子選擇填入到另一個空的次軌域，這樣不需要調整旋轉方向，沒有能量門檻。由於所有的電子都優先選擇不需要調整旋轉方向的軌域填入，自然使得次軌域裡的未成對電子（單顆電子）達到最大數量。
13. 碳carbon的電子組態可寫成1s22s22p12p1，2p12p1描述2顆電子佔據2個不同的2p軌域。不過，碳的電子組態經常寫成1s22s22p2，一般都會將2p2視為是電子填入二個不同的2p次軌域。
特別留意，在2p軌域的未成對電子（單一個電子），這樣的電子分配方式符合洪德定理。
14. 氮nitrogen有7顆電子，氮的電子組態1s22s22p3。在2p軌域的三顆電子各自佔據不同的p次軌域：
15. 氧oxygen有8顆電子，氧的電子組態是1s22s22p4。三個2p次軌域中，有一個填入了成對的電子，依據包立不相容原理，這二顆電子的旋轉方向相反：
16. 氟fluorine（9顆電子）和氖neon（10顆電子）的電子組態如下：
氖的第一能階與第二能階（n＝1和n＝2）的所有電子軌域都填滿了電子。
17. 鈉sodium的前十個電子填滿1s、2s、和2p軌域，因此鈉的第十一個電子必須填入第三能階n＝3。鈉的電子組態是1s22s22p63s1。為了避免寫一長串的內層能階電子，我們將電子組態簡寫成[Ne]3s1，[Ne]代表氖的電子組態1s22s22p6。
18. 下一個元素鎂magnesium的電子組態是1s22s22p63s2，或寫成[Ne]3s2。接下來從鋁aluminum到氬argon的六個元素的電子組態，原子序每增加一個，電子就增加一個，3p的空軌域又多填入一顆電子，就這樣到了第六個元素氬的時候，3p軌域完全被6顆電子填滿。
19. 下圖摘要前十八個元素的電子組態
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ；
沒有留言:
張貼留言