价电子 指可能参加形成化学键的电子。
价电子一般来自最外
层,
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原子实究竟代表什么 - 大学化学 - 北京大学
原子实究竟代表什么. 险育、 ... 物理学界又称之为“ 原子芯” , 是一个应用越来越广泛的概 .... 没有涉及价电子构型以里究竟是什么, 所以与什么是原子实的问题无关了。
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第 卷第 期大学化学 年 月
原子实究竟代表什么
险育、
份
任仁
匕京工业大学化学与环境工程学系
对于多电子原子, 要全部表示出它的核外电子结构, 往往要写出很长的电子排布。
例如
号元素铅可以表示成
, 魂 遭 , , 交,
但是, 如果采用“ 原子实” 的表示方法, 把铅的原子核和核外的大部分电子用希有气体元素
符号加方括号来表示, 就简炼得多 〔 〕 , ‘浏, 。 , ,
由于原子实表示法简单明了, 所以近年来为国内外越来越多的化学教材和元素周期表所
采用。
原子实 或 , 物理学界又称之为“ 原子芯” , 是一个应用越来越广泛的概
念。作者查阅了上百种大学化学教材, 发现其中十多种给原子实以明确含义, 可以大致分为月
类, 即
原子 原子实 价电子层川 原子 原子实十最高能级组电子层图
原子 核 原子实 价电子层闭 原子 核 原子实十最高能级组电子层闭
这 种含义中的原子实均以希有气体元素符
一号表示。
本文试图比较一下这 种含义的对错及优劣。
先看第 种含义
, 何谓价电子 指可能参加形成化学键的电子。
价电子一般来自最外
层, 对于过渡元素, 还可能来自次外层, 比如 〔赶〕“, 共有个价电子对于内过渡元
素, 还可能来自次次外层, 比如」, , 共有个价电子
。价电子最多可能的数目
叫价电子数, 在数值上等于该元素的最高正价。那末, 什么是价电子层呢就是价电子所在的
亚层
。值得指出, 价电子层里的电子数可能比价电子数多, 比如〔〕”, 价电子层
‘“刁里有个电子, 然而最多只能有个形成化学键, 象及仇一中的, 价电子数
就是。
我们用第种含义衡量一下铅元素
。
对于〕“ , 来说, 价电子构型是
, 价电子层以里呢是〔〕‘‘“ , 难道它们都属于原子实吗显然不是。因为即使用第
种含义的书, 也认为铅的原子实是〔〕。 于是问题就来了, 好, ‘‘。这个电子既不在原
子实之内, 又不能参加形成化学键, 因此也不在价电子层之内, 在原子里岂不是就没有它们的
立足之地了吗毛病就出在第种含义在某些情况下是错误的
。作者在教学过程中就遇到学
生按照第种含义发生的混乱。因此, 指出并纠正这种错误很有必要
。
在什么情况下应用第种含义会发生错误呢就是那些原子实外电子层不仅仅是价电子
层的元素, 即元素周期表里区皿一姐族中四、
五
、六周期的元素, 一共种〔赶】侧, 〔赶〕, 仁七〕洲, 〔七〕, 〔赶〕‘〔〕加‘〔心」组, 〔〕, 〔〕」, 〔〕刁, 〕搜, 〔〕」, , 、〔〕」, ‘, ” 〔〕难, ‘
’“ 〕刁, ‘, “ 〔〕搜, ‘浏, ” 仁〕魂、‘, 〔〕“功、。
, 这种元素的原子实外除了有可能参加形成化学键的价电子层以外, 还有次外层
的一或次次外层的一, 应用第种含义就会丢了这些一电子或一电
子而发生错误。
原子实以外到底是什么电子层呢第种含义正确地回答了这个问题〕。
众所周知, 美国著名化学家鲍林‘犷提出的原子轨道近似能级图可以划分为若
干个能级组一一。不难发现, 原子实以外的电子层恰好是最高能级组的电子
层。对于。
〔〕刁, ‘匆’”, , 原子实。〕以外正好是的第六能级组电子层, 也就是它的
最高能级组电子层‘’”。因此, 第种含义既准确无误地表示出原子实究竟是什么,
以赋予原子实以外的的电子层以科学的物理意义。因而, 作者以为这种含义是准确而科学的,
用其指导写出的多电子原子的电子构型, 不会发生丢失一或一电子的错误。
至于第、钓两种含义, 我们不难看出它们与第、
两种含义的区别仅仅在于原子
实是否包括原子核作者以为, 尽管人们在应用原子实这种方法的时候, 目光集中于核外电子,
原子实是否包括原子核不是太大的原则问题, 但是由于原子实这种方法应用越来越普遍, 似乎
有必要约定一下, 原子实包括原子核为好, 以免造成混乱
。这样, 第种含义阁的原子实没有
包括原子核, 并且用价电子层表示原子实以外的电子, 是错误的第钓种含义闭的不足之处在
于原子实没有包括原子核
.
必须清醒地看到, 尽管。P b 的原子实用[x e
]来表示, 但是Pb 的原子核与x e
的原子核是不
一样的, 千万不要误解
。
作者还注意到, 戴安邦
、
沈孟长二位先生编的元素周期表〔53 在表示p 区第四、五、六周期18
种元素的电子构型时, 没有使用希有气体元素符一号〔Ar 〕、 〔Kr 〕、
〔x e
〕,
而使用了I B 族元素符
一
号
夕
n
〕、
〔“〕
、 〔H 幻作代表。这样做的好处是可以正确而简炼地表示出这18 种元素的电子构型,
不须写出ns (n 一2 ) f(n 一1 )d 电子, 所以不失为一种独具特色的表示方法。这张周期表及其说
明书都未明确把〔Zn 〕、
〔c
d〕、 〔H 幻称为原子实, 可能是因为用希有气体元素符号表示原子实实
在太普遍了, 另立新的原子实表示法会带来新的混乱。但在〔zn 〕、 〔cd 〕、〔H 幻之外并不是全部
价电子层
~
p , 而是仅有nP 而无ns , 在表示元素最具化学特征的价电子构型方面, 就不及北京
大学化学系编的元素周期表困, 该表明白地表示出各元素的价电子构型, 一目了然。因为该表
没有涉及价电子构型以里究竟是什么, 所以与什么是原子实的问题无关了。
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‘,
,d月.rrLLL
上位于氮的后侧, 但杂化对能级图的主要特点并无显
著影响, 所以图1 仍可作为讨论的荃础。
图1 表示的N 认分子成键模型可以简略地表示
卜
·
, 日
O 一
N — O : (万)
成键模型( 万) 与成键模型( I )的主要差别在于, 分子
中含有一个n 纽大二键, 而氮原子后侧的
a
型轨道中只
有一个孤电子。由于( l )中的四个二电子有两个是成
键电子, 有两个是非键电子, 故n 纽大二键的二健级为
一, 同( 1 )一样正确地预示了。一N 键的双键性
.
根据价层电子对互斥理论[.1 , 位于氮后侧的人: 轨
道电子数对分子形状有决定性影响
.
在N O 牙、
N O
: 和
No 才中, 这个软道的电子数分别为2、
1 和0 , 故N 一0
键电子对受到的斥力依次减弱, 键角依次增大, 这就
圆满解释了表l 所列键角的递变性
.
另一方面, 这个
轨道中的电子数越多, 反键效应越强,
N 一。键的强度
越弱, 键越长, 因此这个轨道的反键性就定性地解释
了表1 所列键长的递变性。显然, 成键模型( I )是无
法合理解释这两种递变性的。
两个N O :
分子沿N 一N 连线共面接近即生成
N 刃‘分子, 此分子的结构参数如书
7〕:
与事实不符。
成键模型( l )还预言从o 。分子中不存在遍及整
个分子的大
:
键, 从而正确地解释了N 一N 键的单键
性
.
若用两个N 仇分子的二型轨道作为构成N 刃
.
大
:
健的“原料” , 则符合能量相近条件的软道有三对
.
一
对是成键叭轨道, 由于它们都是满填轨道, 故没有净
成键效应, 另一对是非键、:
轨道, 它们不但是满填软
道, 而且在氮原子上的电荷密度为零, 所以对生成N 一
N 键没有贡献
.
第三对是反键叭’ 轨道, 它们不含电
子, 所以即使能构成成键轨道, 也不会有成键效应。可
见,
N 刃‘ 虽有两个分别分布于一N (〕: 片段上的n 聋大,
键, 却没有通常所说的m 大二键[zJ 。
有益的是分析一下构成错误成键模型( I) 的原
因。众所周知, 在定性讨论分子结构时习惯上总是先
构成“ o 骨架” , 然后再考虑离域: 轨道, 即先把电子成
对填入成键。轨道, 然后再把余下的电子填人二轨道
.
换言之, 习惯上假设H o M O 就是
: 型轨道。对于碳氢
化合物, 这个假设一般不会出问题, 但对其它化合物
则可能大谬不然
.N 0 2
分子就是个典型例子, 它的H 。
M o 就是口轨道而不是, 轨道。可见, 囿于经验性假设
有时会导出错误的结论
.
d (0 一N ) = tlS P m
d (N 一N ) = 1 7 5 Pm
乙O N N 一11 2
0
乙O N O 二1 3 5 。
参考文献
N zo
;
分子结构有两个有趣特点
:(l) N 一N 键长远大
于标准N 一N 单健长“ 6pm (H ZN 一阳
:
的N 一N 键
长) ,
( 2 ) 乙(l 闷。稍大于N o Z
中的匕O N O .
按照成键模型( u ) ,
N 一N 。键是由两个No
:
分
子中氮后侧的弱反键A :
轨道构成, 故键的强度较弱,
键较长
. N 刃。分子的。N o 角较大则是由于氮后侧的
孤电子配对成键后对。一N 键电子对的斥力减弱所
致。若按成键模型( I ) , 则不可能生成稳定的平面
N 20 .
分子, 因为它斌予N o Z
分子中氮后侧的A , 轨道
两个电子, 而按M O 理论, 满填轨道相互作用没有净的
成键效应, 所以不会有N 一N 。键生成, 这个结论显然
〔月谢有杨, 邵美成, 《结构化学》(上), 北京, 人民教育出版
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19 四,
1 别
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北京
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,
1 6 9
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6 〕严成华, 化学通报,
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(上接第52 页)
〔5
〕戴安邦、沈孟长编, 《元素周期表》, 上海科学技术出版社,
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民〕北京大学化学系编, 《元素周期表》, 科学出版社,
1 9
8
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