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主要内容

周期表,电子层和轨道

介绍

在你学化学的过程中,你也许听说过“元素之歌”。其中汤姆·莱勒(Tom Lehrer)像机关枪一样伴着音乐唱下来了所有元素的名称。像我一样,你也许还可以背下来这首歌,得到额外分数。这样的话,你有可能还记得所有元素的名称。这真是一个十分令人佩服的特长——更不用说可以作为在聚会上一个有趣的节目了。
如果你已经记住了元素的名字,这是否意味着你不再需要一个周期表了?好吧。。。大概不会。这是因为周期表不仅仅是一个容纳所有元素的大桶。相反,它更像一个文件系统。每个元素在表中的位置提供了有关其结构、性质和化学反应行为的重要信息。具体来说,元素在周期表中的位置可以帮助你弄明白它的电子构型,以及电子是如何围绕原子核组织的。原子利用它们的电子参与化学反应,所以知道一个元素的电子结构可以让你预测它的反应性,它是否以及如何与其他元素的原子相互作用。
在这篇文章中,我们将更详细地研究周期表,原子如何组织电子,以及这如何使我们能够预测元素的反应性。

元素周期表

按照惯例,元素被排列在 元素周期表中,这种排列结构体现了它们性质的重要模式。元素周期表在1869年由俄罗斯化学家门捷列夫(1834-1907)设计,其中元素被放入具有某些相似属性的列()和行(周期)当中。这些特性决定了一个元素在室温下的物理状态,即气体、固体或液体,以及它的 化学活性,即与其他原子形成化学键的能力。
除了列出每个元素的原子序数,周期表还显示了元素的相对原子质量,即地球上自然存在的同位素的加权平均值。以氢为例,它的符号,H,,和名称会出现,左上角的原子序数为1,相对原子质量为1.01。
图片来源:根据 OpenStax Biology 修改
元素间化学反应性的差异是基于它们电子的数量和空间分布。如果两个原子有互补电子模式,它们会反应并形成化学键,形成分子或化合物。正如我们将在下面看到的,周期表以反映电子数量和模式的方式组织元素,这使得它对预测一个元素的反应性很有用:它形成键的可能性有多大,以及与其他元素形成键的可能性有多大。

电子层和玻尔模型

丹麦科学家尼尔斯·玻尔(1885-1962)于1913年发明了原子的早期模型。玻尔模型将原子显示为一个包含质子和中子的中心核,电子位于与原子核特定距离的圆形电子层中,类似于围绕太阳运行的行星。每一个电子层都有不同的能级,离原子核最近的电子层的能量比离原子核较远的电子层要低。按照惯例,每一个电子层都被赋予一个数字和符号,例如n,离原子核最近的电子层被称为1n。为了在壳层之间移动,电子必须吸收或释放与电子层之间的能量差完全对应的能量。例如,如果一个电子从光子吸收能量,它可能会被激发并移动到一个更高能量的电子层;相反,当一个被激发的电子下降到一个更低能量的电子层时,它会释放能量,通常以热的形式。
图片来源:根据 OpenStax Biology 修改
与其他受物理定律支配的事物一样,原子倾向于采用能量最低,最稳定的配置。因此,原子的电子层是由内向外填充的,电子先填充靠近原子核的低能电子层,然后再进一步进入高能电子层。离原子核最近的电子层,1n,能容纳两个电子,而下一个电子层,2n,能容纳八个电子,第三个电子层,3n,能容纳十八个电子。
特定原子最外层的电子数决定了它的反应性,或与其他原子形成化学键的倾向。这个最外层被称为价电子层,其中的电子被称为价电子。一般来说,当原子最外层的电子层被充满时,原子是最稳定的,最不活泼的。生物学中最重要的元素需要八个电子在其最外层才能保持稳定,这个经验法则被称为八隅体规则。有些原子可以用一个八位元稳定,即使它们的价电子层是可以容纳多达18个电子的电子层3n。我们将在下面讨论电子轨道时,探讨这个原因。
一些中性原子及其电子构型的例子如下所示。在这张表中,你可以看到氦有一个全价电子层,第一层只有两个电子,电子层,1n。同样,氖有一个完整的电子层2n,包含八个电子。这些电子结构使氦和氖非常稳定。虽然从技术上讲,氩没有一个完整的外壳,因为3n电子层能容纳多达18个电子,它像氖和氦一样稳定,因为它在3n外壳中有8个电子,因此满足八位体规则。相反,氯的最外层只有七个电子,而钠只有一个。这些模式不填充最外层的电子层,也不满足八位体规则,使氯和钠发生反应,渴望获得或失去电子以达到更稳定的结构。
图片来源:OpenStax Biology

电子构型与元素周期表

元素根据它们的原子序数,具有多少个质子,按顺序放置在元素周期表中。在中性原子中,电子数等于质子数,所以我们可以很容易地通过原子数确定电子数。此外,元素在周期表中的位置、列、组、行或周期提供了有关如何排列这些电子的有用信息。
如果我们只考虑表格的前三行,其中包括对生命重要的主要元素,每一行对应一个不同的电子层的填充:氦和氢将它们的电子放在1n电子层中,而第二行元素(如Li)开始填充2n电子层,而第三行元素(如Na)继续填充3n电子层。同样的,元素的列数给出了它的价电子数和反应性的信息。一般来说,一列中的价电子数是相同的,在一行中从左到右增加。第1组元素只有一个价电子,第18组元素只有八个,除了总共只有两个电子的氦。因此,组数是一个很好的预测每个元素反应性的指标:
  • 氦 (He),氖 (Ne),和氩 (Ar),作为第18组元素,具有完全或满足八位体规则的外电子层。这使得它们作为单个原子高度稳定。由于它们的非反应性,它们被称为惰性气体稀有气体
  • 氢 (H),锂 (Li),和钠(Na),作为第1组元素,在它们最外层的电子层中只有一个电子。它们作为单原子是不稳定的,但可以通过失去或共享它们的一价电子而变得稳定。如果这些元素完全失去了一个电子—例如 LiNa 通常—它们会变成带正电的离子: Li+ and Na+.
  • 氢 (H),锂 (Li),和钠(Na),作为第1组元素,在它们最外层的电子层中只有一个电子。它们作为单原子是不稳定的,但可以通过失去或共享它们的一价电子而变得稳定。如果这些元素完全失去了一个电子—例如 LiNa 通常—它们会变成带正电的离子: Li+ and Na+
  • 碳 (C),作为第14组元素,在其外电子层中有四个电子。碳通常共享电子以获得完整的价层,与多个其他原子形成键。
因此,周期表的列反映了在每个元素的价电子层中发现的电子数,从而决定了元素将如何反应。

电子亚层和轨道

玻尔模型有助于解释许多元素的反应性和化学键,但它实际上并不能很准确地描述电子如何在原子核周围的空间中分布。具体地说,电子并不是绕着原子核旋转,而是将大部分时间花在原子核周围有时形状复杂的空间区域,即电子轨道。我们实际上不知道电子在任何给定的时间点在哪里,但我们可以用数学方法确定最有可能被找到的空间的体积,例如,它将花费90%时间所在的空间的体积。这个高概率区域构成一个轨道,每个轨道最多可容纳两个电子。
那么,这些数学定义的轨道如何与我们在玻尔模型中看到的电子层相匹配呢?我们可以把每个电子层分解成一个或多个电子亚层,这些电子亚层只是一个或多个轨道的集合。电子亚层由字母 s, p, d, 和 f,指定,每个字母表示不同的形状。例如,电子亚层 s 有一个单一的球形轨道,而电子亚层 p 有三个相互垂直的哑铃形轨道。大多数的有机化学——含碳化合物的化学,是生物学的核心,涉及到 sp 亚层中电子之间的相互作用,因此这些是最重要的亚层类型,需要熟悉。然而,有许多电子的原子可以把它们的一些电子放在 df 的亚层中。亚层 df 的形状更复杂,分别包含五个和七个轨道。
图片来源:根据 OpenStax Biology 修改
第一个电子层,1n,对应于一个单轨道 1s。轨道 1s 是离原子核最近的轨道,它先充满电子,然后再充其他轨道。氢只有一个电子,所以它在轨道 1s 上只有一个点。这可以用一个叫做电子构型的简写形式写成1s1,其中上标的1表示轨道 1s 上的一个电子。氦有两个电子,所以它可以用它的两个电子完全填满轨道 1s。这写为1s2,指的是轨道 1s 上有两个氦电子。在元素周期表上,氢和氦是第一行或第一个周期中唯一的两个元素,这反映出它们只在第一个电子层中有电子。氢和氦是仅有的,在中性、无电荷的状态下,只在轨道 1 上有电子的两种元素。
第二个电子层, 2n,包含另一个球形轨道 s 加上三个哑铃形轨道 p,每个轨道可以容纳两个电子。在轨道 1s 被填满后,第二个电子层开始填充,电子首先进入轨道 2s,然后进入三个轨道p。元素周期表第二行的元素把电子放在电子层2n和电子层1n中。例如,锂 (Li) 有三个电子:两个填充轨道 1s ,第三个放置在轨道2s中,电子配置为 1s2 2s1。另一方面,氖(ne)共有十个电子:两个在其最里面的轨道 1s 上,八个填充第二层,在一个 2s 轨道上和三个 p 轨道上各有两个,1s2 2s2 2p6。因为它的 2n 电子层被填满,所以它作为一个单原子在能量上是稳定的,很少与其他原子形成化学键。
第三个电子层,3n,也包含一个 s 轨道和三个 p 轨道,周期表的第三行元素将电子放在这些轨道上,就像第二行元素放在 2n 电子层上一样。3n 电子层也包含一个轨道 d,但是这个轨道的能量比轨道 3s3p 要高得多,直到周期表的第四行才开始填充。这就是为什么第三行元素,如氩,只需要八个价电子就可以稳定:它们的 sp 电子亚层被填满,即使并没有填满整个 3n 电子层。
虽然电子层和轨道是密切相关的,但轨道提供了一个更准确的原子电子结构的图像。这是因为轨道实际上指定了电子所占据的空间区域的形状和位置。

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