高中化學_選修化學II_電子組態_基礎探索_周芳妃高貫洲

大家好,我是周芳菲老師,今天介紹電子主態基礎探索的課程,很高興又邀請到高光宗老師來跟我們共同說明。 光宗老師您好。阿菲老師好。 好,那我們在前面的課程提過原子軌域呢,那事實上原子的結構中有很多的電子,它們又怎麼是填入這些軌域呢?那我們就把它稱為電子主態。 那今天的課程就是要來介紹這些電子主態的一些特徵。 那原子非常的小,我們肉眼是沒有辦法看到,所以今天關於這個電子填入軌域的這個電子主態的特徵,我們就以一些規則以及它的書寫方式來作為介紹。 同樣的,我們會以高中範圍介紹模擬試題,解讀訊息,連結知識,分析評解,以及最後找到答案。 那我們就來進入生活情境這個內容吧。 那在二十世紀的中期呢,很多的科學家為了要解決這個複雜的這個原子結構裡面電子之間的喫力以及它們與原子核之間的引力的關係, 那陸陸續續推討出很多的理論,那最有名的是這三個理論,那觀眾老師為我們說明是哪三個理論? 哦,那分別是遞減原則、暴力不相容原理以及宏德定則。 那利用這三個理論,那我們可以建立電子填入軌域它的方式。 那接下來我們就要分別針對這些理論來做一些討論。 欸,觀眾老師,我想到你有沒有搭過公車? 有,我們常常在搭公車。 我都常搭公車,那你搭公車之後你會想要做什麼?上了公車? 呃,先刷卡,然後接下來找空位趕快坐下去。 就趕快坐下去? 是。 那如果車子都客滿了,你會直接坐在人家的腿上面嗎? 如果沒女兒可能會很想,不過這當然是不可能的事情,我就乖乖站著吧。 對啊,所以事實上呢,這個電子主態雖然有這些學說的發展過程中, 但事實上它系統變得很複雜。 那這麼複雜的過程中呢,就比我們搭公車的現象還要更複雜。 那科學家就希望以有一些方法來表達這些學說他們所推導出來電子填入軌域的次序。 那這些畫圖的方法非常的 簡單明瞭。 對,對,很難去做書寫。 那是不是還有一些其他的方法可以讓我們把這樣的一些書寫方法簡化呢? 有,那比較常見的方式呢,大概會有三種。 那第一種呢,用一個軌域圖示法,就是利用電子上下箭頭的方式來做描述。 但有點麻煩,所以第二個我們用了電子主態的格式, 用一堆的英文跟數字來做表示。 那如果有時候書寫得很長,我們需要簡短格式,那會有第三種。 哇,所以二十世紀中期這些傑出的科學家真的很不容易 把一個很複雜的原子結構的系統以及那麼多電子之間的交互作用 可以用這麼一個簡單的方式來做呈現。是,真的太感謝他們了。 對,那我們下面的課程就進入模擬試題。 電子主態基礎探索,這邊我們也提供兩個模擬試題。 第一個題目呢,是討論電子主態的一些規則。 第二題的話呢,是討論電子主態的表示方法有哪些意圖。 關於這兩個模擬試題的進一步的說明,歡迎點閱模擬試題的影片,你會看到這兩個題目的解讀訊息、分析評鑑以及判斷答案。 接下來我們就來介紹跟這兩個模擬試題有關的知識內容。 電子主態呢,是要表達電子填入軌域的一個次序。 那按照第一件原則的話,電子要填入這個軌域的時候呢,是按照這個能階的大小,由低能階填到高能階。 就可以得到一個穩定的狀態。 另一方面呢,也要考慮到包力不相容原理,在同一個軌域裡面呢,只能容納兩個自旋方向不同的電子。 我們簡單的說,就是每一個軌域只能放最多兩個電子。 另外呢,我們也會用這些方式來表達電子主態,來說明電子填入軌域的次序。 接下來,我們仍然再來使用高中化學科資訊科技融入的教材。 要描述電子主態的時候,事實上除了剛剛提到的三個原則之外,事實上呢,科學家進一步也發現 軌域如果出現半滿或全滿的時候呢,而且他們的自旋方向也都是一致的時候,也會出現一個很穩定的狀態。 例如說,s軌域半滿的時候,或p軌域半滿,或d軌域半滿的時候,那 這樣的形態都會使得整個原子呢,會達到一個很穩定的狀態。 所以除了剛剛提到的三個構組原理,如果能夠達到讓軌域,s軌域一個或p軌域三個或d軌域五個,這樣的一種半滿形態,也是會達到一個穩定的狀態。 剛剛看過的是軌域半滿的例子,那接下來我們看的是軌域全滿的例子。 同樣的,如果s軌域可以達到剛好填滿兩顆,或者是p軌域是六顆,或d軌域是十顆的時候,這樣對這個原子結構來講,也都是一個很穩定的狀態。 在電子主態的表達方法裡面,電子要填入軌域的次序,事實上還有一個這個宏德定則呢,是比較不容易理解的。 那宏德定則他描述的是,如果有電子要填進同型軌域的次序呢,是有一些規範。 那比如說,對2p軌域三個軌域來講,今天有兩個電子要填進來的時候,這兩個電子呢,他選擇填在2p的第一個跟第二個軌域,這樣是一個穩定的狀態。 同樣的,如果電子是填在第二個跟第三個2p軌域,這也是穩定的狀態,以及呢,如果填在第一個跟第三個2p軌域,這都是穩定的狀態。 好,那宏德定則就是在描述電子填入軌域的次序的時候,他事實上先讓每個軌域半滿,然後纔有機會再去填到全滿。 因此呢,在這裡舉的例子,如果我現在有三個電子要填進三個2p軌域的時候,如果其中兩個電子就先佔據同一個2p軌域,那這就是不符合宏德定則,那我們說他是一個比較高能量的狀態。 同理,如果是三個電子他都先分別填進了這一個三個2p軌域,但是其中有一個自旋狀態是跟其他兩個不一致的話,那這也是會有一個高能量的狀態。 同樣的,如果有四個電子要填進2p軌域的話,如果按照圖裡面都先優先佔滿兩個2p軌域,那這也是不是最穩定的填法,而是一個比較高能量的狀態。 那畫面中這三個我們都說他不符合宏德定則。我們剛剛提過很多關於電子主態他填入的這些方式,那事實上呢,我們介紹的是一個最穩定的原子結構的狀態,我們稱為基坦。 那下列舉幾個元素作為說明,以流原子來講,他的原子序16,也就是他的原子結構中有16個電子。 那這16個電子的前的,有10顆的填法是跟鈍氣奶的填法一樣,那剩下的6顆 正準備要填進3s跟3p軌域的話,他就會依照遞減原理先佔據3s軌域兩顆,再來呢,有另外4顆要進入3p軌域的時候,就依照 宏德定則,他會先三個p軌域都填到半滿,然後第四顆才又讓其中一個p軌域全滿。 另外呢,我們以個原子來做說明,個的原子序是24,那他有18個電子的填法呢, 是跟亞18個電子填法是相同的,但是接下來的6個電子,如果按照遞減原理,是應該 由兩個電子先填進3s軌域,剩下4顆來填3d軌域。但事實上,科學家研究結果發現 個原子他基態最安定的填法是3d先填了5顆,4s也填一顆,也就是說3d軌域和4s軌域的半滿的穩定狀態 使得個原子以這樣的形式纔是他的基態。再看另外一個例子,是同原子,原子序是29, 這29個電子裡面有18個電子,他的填法是跟頓契亞的填法相同。如果按照遞減原則的話, 剩下的11個電子應該先由兩個電子填到4s軌域,然後再去填3d軌域9個。 但事實上,科學家研究出來發現,同原子的基態是3d填了10個電子,而4s填一個電子。 這個例子也是說明瞭軌域的全滿跟半滿,他是達到一個更穩定的狀態,所以不一定是按照 遞減的原則而已。週期表裡面很多的元素,這個電子的填法事實上 並不是隻能遵循其中幾個原則,而是要經過很複雜的計算才知道他們最穩定的狀態是如何。 我們談了這些基態的電子主態,我們就以週期表的一些元素再進一步做舉例。 以週期表第二列元素而言,離它的三個電子就分別填入1s2,2s1。 那我們在書寫電子主態的時候,可以把內層的電子如果跟鈍器相同的填法,就直接以鈍器的元素符號加上中括號來表示。 所以離的電子主態我們就可以寫成hi,然後2s1。 同樣的,鈍的四個電子,它在基態的電子主態,我們就寫作hi,2s2。 從鵬、碳、氮、氧、 氟、奶,原子序分別從5到10的這幾個元素, 它們的電子也陸續填入了2p1到2p6。 那我們以鵬為例,我們在書寫它的基態電子主態的時候,也可以就寫作hi,2s2,2p1。 我們再來看看週期表第一列過渡元素的例子。 坑的原子序是21,它的內層的電子有18個電子是跟鈍器亞的電子主態相同。 它最後的三個電子是填到3d1,4s2。 雖然它是先填進4s2,再填3d1,但是我們書寫的時候,也常常是從內層往外層的軌域來書寫。 所以坑的電子主態可以寫作亞,3d1,4s2。 這一列的過渡元素,我們再觀察鈍,這是剛剛介紹過的例子。 它的原子序是24,所以有18個電子跟亞的電子主態相同。 我們就寫作亞,接下來就寫3d5,4s1。 剛剛提過,這是因為它的軌域半滿會使得它更穩定,所以它就決定先把3d填了5個,4s只填一個。 原子序25的猛的例子,那就是寫成亞,3d5,4s2。 這樣就寫出它25個電子的基態的電子主態。 同29,我們剛剛也介紹過,由於它軌域全滿的效應,使得它可以達到更穩定的狀態, 因此它的電子主態我們就寫作亞,3d10,4s1。 第一列過渡元素裡面最後一個新元素,原子序是30,它的電子主態我們寫出來, 就是亞,3d10,4s2。在化合物中常常會有氧離子或氫離子, 那常見的一些氧離子、氫離子,它基態的電子主態怎麼表達呢? 我們以鎂變成鎂離子這個過程,事實上在化學反應的過程中,因為交互作用, 通常形成氧離子的過程是失去最外層的電子,所以鎂變成鎂離子的過程中,它最外層的32個電子就 離開了,所以我們把鎂離子的電子主態寫成ES2,2S2,2P6。 我們以鐵來講的話,鐵它在基態的電子主態本來是可以填到ES2,2S2,2P6,3S2,3P6,3d6,4s2。 但是當它要失去兩個電子的時候,是外層的電子先失去,所以當寫成亞鐵離子F1二振這個亞鐵離子的時候, 它的CS的兩個電子就不存在了,如果它進一步失去電子變成鐵三振這個鐵離子的時候, 那我們它的電子主態在3d軌域裡面就會只剩下5個電子,所以呢,形成氧離子的電子主態 的規則是要先把最外層的電子先移去,那對硬離子來講呢,是電子要填進這個原子結構裡面, 所以它就是按照我們前面今天談的所有的這些原則,有低間原理,有這個暴力不相容原則以及宏德定則, 所以當氧要多得兩個電子變成氧離子的時候,它的電子主態就會變成ES2,2S2,2P6。 同樣的,當氯原子要變成氯離子的時候,這多出來的一個電子也是按照這個今天談的基態電子主態的規則, 所以就會填成到3P6這個位置。今天關於電子主態課程的介紹,我們說明瞭在週期表內這些 元素們,它們的基態的電子主態是符合哪些原則所填寫出來,那課程到這邊, 那終於瞭解到現在的週期表之後,我們下面的課程要來善用這個週期表,希望今天的課程你會喜歡。 我們再次謝謝科學素養化學載體編的工作團隊,也謝謝今天提供動畫的工作團隊。