当前位置:主页 > 天文门户 >1~20号元素原子的核外电子组态与元素的性质 >
1~20号元素原子的核外电子组态与元素的性质
发表日期:2020-06-04 16:21| 来源 :天文门户| 点击数:774 次



原子由质子、中子和电子组成,原子和中子组成了原子核,电子则围绕在原子核的四周,但是如何去描述电子的行为,一直是对科学家的一大挑战。电子是很特别的微小粒子,海森堡(Werner Heisenberg, 1901-1976)告诉我们像这幺小的粒子是具有波动性的,也就是说电子既是粒子也是波,兼具粒子与波动两种性质。

 1926年奥地利科学家薛丁格(Erwin Schrodinger, 1877-1961)发展出量子力学(Quantum mechanics),以数学的方程式解释了原子中电子在哪里。从方程式里,薛丁格用了三个参数来描述原子中电子的位置,这三个参数分别是「主量子数(The Principle quantum number, n)」、「角动量子数(The azimuthal quantum number, l)」与「磁量子数(The magnetic quantum number, ml)」。不过这并不代表电子是固定在特定的位置上,实际上电子就像一个爱玩躲猫猫的小孩,他不会一直出现某个地方,而是跑来跑去的,所以科学家只能算出他最可能出现的地方,以「机率」来描述电子的位置。

主量子数n为正整数,代表电子跟原子核的平均相对距离,n值越大离原子核越远。角动量子数l描述了电子佔据区域的形状,值和n有关。还有一个磁量子数ml,磁量子数则是决定电子佔据区域的方位,且受外加磁场影响,值和l有关。用这三个量子数的排列组合足以描述每个电子在原子中的空间分布,而电子在原子中的空间分布称为「轨域(Orbital)」。因为主量子数决定电子和原子核的平均距离,相同主量子数的轨域和原子核距离相似,形成一壳层(Principal shell),依电子距原子核远近,由内而外可以主壳层n=1、2、3、4…表示,对应代号分别为K、L、M、N…层。而相同主量子数和角动量子数的轨域组成次壳层(Subshell)。

每一轨域的电子都具有特定能量,越靠近原子核,能量越低;距原子核越远,能量越大。能量由低到高如同阶梯,称为「能阶」。电子填入壳层时,须由低能阶壳层开始,依序往高能阶壳层填入。每一个壳层最多可填入2n2个电子,填满后即往能量较高的下一层填入。因此主壳层n=1(K层)可容纳2个电子,n=2(L层)可容纳8个电子,n=3(M层)可容纳18个电子…。 週期表中原子序1~20号元素的电子组态如下图:

1~20号元素原子的核外电子组态与元素的性质
电子填入之最外壳层称为价壳层(Valence shell),价壳层中的电子称为价电子(Valence electron)。价电子的数目影响元素之化学性质,因此有相同价电子数的元素,就可能有相似的化学性质。在週期表中,横列为週期,拥有相同主量子数的元素在同一週期。直行为族,拥有相同价电子数的元素在同一族。IA族 包含锂(Li)、钠(Na)、钾(K),价电子数皆为1,都是灰色,是质软且活性大的金属,因为其金属氧化物为硷性通称硷金属。VII A族包含氟(F)、氯(Cl),价电子数皆为7,皆为有颜色,氧化力强的气体,通称为卤素。VIII A族包含氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar),除氦的价电子数为2,其余价电子数皆为8,是该壳层价电子数最多的元素,因此特别安定,不易发生反应,在自然界多以单原子的形式存在,又称惰性气体或钝气。

在週期表中,对于同族元素,由上至下电子壳层数增加,原子半径越大,原子核对最外层电子的吸引力越小,因此最外层电子越容易失去,即金属性越强。对于同週期元素,越往右核电荷数增加,原子核对外层电子的吸引力越强,原子半径逐渐减小,非金属性越强。介在金属和非金属之间为类金属,如硼(B)、硅(Si)…等,其导电度也藉在金属与非金属之间,为製成半导体的材料。


参考资料
1. 陈竹亭教授主编,《基础化学》,第46页至第47页,泰宇出版社,2010年1月初版。
2.〈09-原子结构与周期表〉,教育部学习加油站网站–学科教材-高中-化学。
http://content.edu.tw/senior/che … number3/1/index.htm
3.〈原子的核外电子排列规律〉,百度-知道网站,2006年3月25日。
http://zhidao.baidu.com/question … cid=197&index=1

相关推荐