電子組態 Electron Configuration

化學原理啟迪473

CHANEL Paris-Dallas 2013/14 Métiers d'Art show

1.     第一列過渡金屬在鈣之後，鈣的電子組態是[Ar]4S²，在鈣的4S軌域填滿後，進入第一列過渡金屬，電子開始逐一填入3d軌域。

2.     第一列過渡金屬的第一個元素鈧scandium的3d軌域有1顆電子，第二個元素鈦titanium的3d軌域有2個電子，第三個元素釩vanadium的3d軌域有3個電子；

3.     第四個元素鉻chromium的3d軌域有4個電子，因此鉻的電子組態，我們預期為[Ar]4S²3d⁴，但實際上是[Ar]4s¹5d⁵，電子半填滿4s軌域與半填滿3d軌域（5個3d軌域，每個3d軌域填入1個電子）。

4.     對於為什麼會出現[Ar]4s¹5d⁵的電子組態？有一種解釋是這種半填滿的價電殼層特別穩定，雖然聽起來很對，但它其實是過度簡化問題。

5.     舉例來說，鎢tungsten與鉻是同一行族群的元素，鎢的電子組態為[Xe]6S²4f¹⁴5d4，並沒有出現半填滿的s軌域和d軌域；有許多類似的例子都顯示用半填滿軌域提高穩定度的因素，不如想像中的重要。

6.     鉻的電子組態為何會如此，應該用電子間交互作用的角度來解釋。原子各個軌域的能量並非固定的，原子的每個電子軌域，會與其他填入電子的軌域交互作用，而呈現不同的能量。

7.     因此，我們無法用簡單的解釋說明，為何鉻的電子組態是4s¹3d⁵，而非4s²5d⁴。

8.     第一列過渡金屬4s和3d軌域的能量類似，所以，4s²3dⁿ與4s¹3dⁿ⁺¹電子組態的能量類似，大部分元素的電子組態為4s²3dⁿ的能量比較低，但是鉻和銅（[Ar]4s¹3d¹⁰）都是4s¹3dⁿ⁺¹電子組態比較穩定。

9.     中性的過渡金屬，3d和4s軌域能量十分類似，但過渡金屬離子的3d軌域能量明顯低於4s軌域，這代表過渡金屬元素變成離子後，電子仍保留在3d軌域。

10. 因為3d軌域的能量較低，所以當元素扔掉電子時，一定是扔掉能階較高的s軌域電子，因此，由第一列過渡金屬形成的離子沒有4s電子。舉例來說，錳的電子組態為[Ar]4s²3d⁵，但是Mn²⁺錳離子的電子組態為[Ar]3d⁵。中性的鈦原子，電子組態為[Ar]4s²3d²，但Ti³⁺是[Ar]3d¹。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》