文摘
第20届
中国化学奥林匹克竞赛(初赛)试题解析
2006年9月10日
第1题
题目(4分)
2006年3月有人预言,未知超重元素第126号元素有可能与氟形成稳定的化合物。按元素周期系的已知规律,该元素应位于第 周期,它未填满电子的能级应是 ,在该能级上有 个电子,而这个能级总共可填充 个电子。
分析与解答
结构:原子结构
难度:★ 元素的反常电子排布也是化学竞赛的考点之一,请同学们注意。本书*后的 元素周期表标出了具有反常电子排布的元素及其*外层电子排布,供同学们参考。
这些反常的电子排布有什么相似之处?请同学们思考。
本题考查同学们对于元素周期表以及原子*外层电子排布规律的掌握,本质上是考察能级排布与电子填充规律,核外电子的运动状态是由量子力学解出的四个量子数决定的。四个量子数意义与它们之间的关系为:
主量子��� (principal quantum number, n) 主要描述轨道的径向分布,决定电子层数,是决定电子能量的*主要因素,主量子数的取值为正整数,分别对应K、L、M、N、O、P能层,同时n−1决定了轨道的节面数:
n = 1, 2, 3, …
角量子数 (angular quantum number, l) 决定同一电子层中具有不同能量的分层,分别对应s、p、d、f轨道。角量子数l与磁量子数m共同描述原子轨道角度分布,决定了轨道的形状:
l = 0, 1, 2, …, n−1
磁量子数 (magnetic quantum number, m) 决定角动量在空间的给定方向上的分量大小,即决定原子轨道在空间的伸展方向:
m = 0, ±1, ±2, …, ±l
自旋磁量子数 (spin quantum number, ms) 描述电子自旋,电子的自旋状态有两种取向。因此考虑电子自旋配对填充,s、p、d、f、g亚层分别可以填充2、6、10、14个电子:
ms = ±1/2
在单电子原子中,轨道能量由主量子数决定: Slater根据光谱实验数据提出Slater规则用于近似计算屏蔽常数σ。
但在多电子原子中,电子之间存在排斥作用,相当于电子所受的核电荷数变小,由此我们引入屏蔽常数 (screening constant, σ) 来表示核电荷数被抵消的部分,即屏蔽效应。此时轨道能量不再只由主量子数n决定,也因角量子数l的不同而能级分裂,还会出现能级交错的情况。由此电子的填充顺序为: