高中化學/主族元素的電子構型

這可能看起來像是我們一直都在花很多時間學習質子……和中子……還有電子……還有電子……還有更多的電子……所以你可能會想知道——我們什麼時候才能真正學習化學？我們什麼時候才能學習反應？我們什麼時候才能學習爆炸？我們什麼時候才能學習塑膠，以及可以透過將不同種類的化學物質組合在一起而製成的藥物？答案是現在。我們終於準備討論最簡單的化學物質的化學性質——我們終於準備討論元素了。記住，你已經瞭解到有 118 種不同的原子，每種原子被稱為元素。你已經瞭解到不同元素的原子具有不同的質子數。氫有 1 個質子（如果它呈中性，則有 1 個電子），氦有 2 個質子（如果它呈中性，則有 2 個電子），鋰有 3 個質子（如果它呈中性，則有 3 個電子）。最後，你已經看到了元素週期表的示例。科學家使用元素週期表來總結我們世界上所有已知元素的資訊。

在本課程中，你將學習為什麼元素週期表（如下所示）具有如此不尋常的形狀。

現在，當你看到元素週期表時，你第一個想到的是什麼？如果你和大多數人一樣，你第一個想到的可能是：“哇，這真是個奇怪的形狀！為什麼元素週期表是這個形狀？為什麼它在中間偏低？為什麼它在兩端偏高？為什麼底部有一個看起來很奇怪的斷開部分？元素週期表根本不像表！” 在本章中，你將開始瞭解為什麼元素週期表具有如此奇怪的形狀。事實證明，元素週期表的形狀實際上可以幫助我們瞭解我們世界上不同元素的化學性質。例如，在本節中，你將瞭解到元素週期表中同一列的元素具有相似的化學性質。稍後我們將研究同一行的元素之間是如何相關的。

1A族 (IA) 元素有一個s電子

記住，根據泡利不相容原理，電子首先被新增到低能級軌道，然後隨著低能級軌道的填滿，電子進入更高能級的軌道。當一個原子在化學反應中與另一個原子發生反應時，參與反應的是高能電子。

由於只有高能電子參與化學反應，因此當我們想要確定特定元素的化學性質時，我們只關注高能電子。電子需要有多高的能量才能參與化學反應？好吧，在大多數化學反應中，唯一參與的電子是最高能級的電子。換句話說，n（主量子數）值最大的電子參與化學反應，而n值較小的電子稱為“核心電子”，它們更靠近原子核，因此不會參與反應。n值最大的電子被稱為價電子。核心電子也稱為非價電子。當兩種不同元素的最外層能級具有相同數量的價電子時，它們具有相似的化學性質。

元素週期表中同一列的元素具有相似的化學性質。那麼這對於它們的價電子意味著什麼呢？你猜對了！元素週期表中同一列的元素具有相同數量的價電子——這就是它們具有相似化學性質的原因。讓我們看看元素週期表第一列中的一些元素是否符合這種情況。

示例 1 - 氫 寫出氫 (H) 的電子構型。 解題: 首先，你需要在元素週期表中找到氫。看一下上面的元素週期表。你知道氫位於第一列，如果你仔細觀察，你會發現氫也恰好位於第一列的頂部。元素週期表告訴你氫的原子序數為Z = 1，因此氫有 1 個質子。中性氫也將有 1 個電子。你需要寫出具有 1 個電子的原子的電子構型。 如下圖所示，對氫 (H) 應用對角線規則。 因此，我們寫出 H 的電子構型：1s1。 記住，當你寫電子構型時，前面的數字總是表示特定軌道的 主量子數 n，因此 1s2 的 n = 1，而 3s1 的 n = 3。你在氫的電子構型中看到的最高主量子數是多少？它是 n = 1，因此所有 n = 1 的電子都是價電子。氫在一個s軌道上有 1 個價電子。

示例 2 - 鋰 寫出鋰 (Li) 的電子構型。 解題：首先，你需要在元素週期表中找到鋰。元素週期表告訴你鋰的原子序數為Z = 3，因此鋰有 3 個質子。中性鋰也將有 3 個電子。你需要寫出具有 3 個電子的原子的電子構型。 如下圖所示，對鋰 (Li) 應用對角線規則。非價電子：1s2。 因此，我們寫出 Li 的電子構型：1s22s1。 你在鋰的電子構型中看到的最高主量子數是多少？ 它是 n = 2，因此所有 n = 2 的電子都是價電子，所有 n < 2 的電子都是非價電子。鋰在一個s軌道上有 1 個價電子。

示例 3 - 鈉 寫出鈉 (Na) 的電子構型。 解題: 首先，你需要在元素週期表中找到鈉。元素週期表告訴你鈉的原子序數為Z = 11，因此鈉有 11 個質子。中性鈉也將有 11 個電子。你需要寫出具有 11 個電子的原子的電子構型。 如下圖所示，對鈉 (Na) 應用對角線規則。非價電子：1s22s22p6。 因此，我們寫出 Na 的電子構型：1s22s22p63s1。 你在鈉的電子構型中看到的最高主量子數是多少？ 它是 n = 3，因此所有 n = 3 的電子都是價電子，所有 n < 3 的電子都是非價電子。（不要被 2p6 軌道迷惑。即使它們是p軌道，而不是s軌道，它們也具有 n = 2，因此它們是非價電子！）鈉在一個s軌道上有 1 個價電子。

如果你看一下示例 1、示例 2 和示例 3 中的最後一行，你應該注意到一個模式。

• 氫在一個s軌道上有 1 個價電子
• 鋰在一個s軌道上有 1 個價電子
• 鈉在一個s軌道上有 1 個價電子

事實上，元素週期表第一列中的所有元素在一個s軌道上都有1 個價電子。因此，我們預計所有這些元素都具有相似的化學性質——事實也是如此。（氫很特殊，因為它是在元素週期表中的第一個元素。因此，氫只有一個質子和一個電子，這賦予它特殊的化學性質。有時科學家不會將氫包括在元素週期表的第一列中，而是給它自己的“特殊”列來反映它的特殊性質——我們在這裡不做這個，但你應該意識到，氫不具有與它所在列中其他元素完全相同的化學性質。）

元素週期表第一列中的元素（除了氫）被稱為 1A 族金屬，或鹼金屬。當你比較這些元素（鋰、鈉、鉀、銣、銫和鍅）的化學性質時，你會注意到它們都非常相似。1A 族元素是金屬，呈銀色，質地柔軟。這些元素的反應非常強烈。如果你將其中一些元素放入水中，它們會爆炸。

如下所示，注意鋰 (Li)、鈉 (Na) 和鉀 (K) 的外觀如何相似。它們都是柔軟的銀色金屬。由於 Li、Na 和 K 都是 1A 族金屬，因此它們都具有相似的化學性質。

鋰 (Li)

鈉 (Na)

鉀 (K)

最後，由於它們反應性很強，1A 族元素在自然界中不會以元素形式存在——換句話說，你不會在自然界中找到純淨的鈉或純淨的鉀。

2A族 (IIA) 元素有兩個s電子

週期表第一列的所有元素在 *s* 亞層中都有 1 個價電子。您認為週期表第二列的元素有什麼不同？讓我們通過幾個例子來了解一下。

示例 4 – 鈹 寫出鈹 (Be) 的電子構型。 解題: 首先，您在元素週期表中找到鈹。元素週期表告訴您鈹的原子序數為 *Z* = 4，因此鈹有 4 個質子。中性的鈹也具有 4 個電子。您需要寫出具有 4 個電子的原子的電子構型。 如下所示，對鈹 (Be) 應用對角線規則。非價電子：1*s*2。 因此，我們寫出 Be 的電子構型：1*s*22*s*2。 您在鈹的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 2 的電子都是非價電子。**鈹在 *s* 軌道中有 2 個價電子**。

示例 5 – 鎂 寫出鎂 (Mg) 的電子構型。 解題: 首先，您在元素週期表中找到鎂。元素週期表告訴您鎂的原子序數為 *Z* = 12，因此鎂有 12 個質子。中性的鎂也具有 12 個電子。您需要寫出具有 12 個電子的原子的電子構型。 因此，Mg 的電子構型：1*s*22*s*22*p*63*s*2。 您在鎂的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 3，因此所有具有 *n* = 3 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 3 的電子都是非價電子。**鎂在 *s* 軌道中有 2 個價電子**。

請注意

• 鈹在 *s* 軌道中有 2 個價電子。
• 鎂在 *s* 軌道中有 2 個價電子。

您可能猜到了鈣 (Ca)、鍶 (Sr)、鋇 (Ba) 或鐳 (Ra) 原子中價電子的數量和型別。如果您猜到的是 *s* 軌道中的 2 個電子，那麼您猜對了！元素週期表第二列的所有元素在 *s* 軌道中都有 2 個價電子。

元素週期表第二列的元素被稱為 2A 族金屬或**鹼土金屬**。正如您可能預料的那樣，因為 *所有* 2A 族金屬在 *s* 軌道中都具有 *2 個價電子*，所以它們都具有相似的化學性質。2A 族元素是金屬，銀色，並且非常活潑，但它們不像 1A 族元素那樣活潑。

3A (IIIA) 族元素具有 *s* 和 1*p* 電子

元素週期表第一列的所有元素在 *s* 亞層中都有 1 個價電子，元素週期表第二列的所有元素在 *s* 亞層中都有 2 個價電子。您能對元素週期表第三列的價電子做出任何預測嗎？元素週期表第三列在哪裡？事實證明，元素週期表中實際上有兩個不同的“第三列”。仔細觀察元素週期表的圖示（本課的第一個圖示）。您能找到標記為“3A”的列嗎？您能找到標記為“3B”的列嗎？請注意，“3B”列中最小的原子具有 Z = 21（鈧，Sc），而“3A”列中最小的原子具有 *Z* = 5（硼，B）。（您需要注意的是，有一種替代方法來命名 3A 族元素；它們也可以被稱為 13 族，因為這些元素位於元素週期表的第 13 列）。因此，顯然有必要首先討論 3A 列。讓我們弄清楚 3A 列中的原子有多少個價電子。

示例 6 – 硼 寫出硼 (B) 的電子構型。 解題: 元素週期表告訴您硼的原子序數為 *Z* = 5，因此硼有 5 個質子。中性的硼也具有 5 個電子。您需要寫出具有 5 個電子的原子的電子構型。 如下所示，對硼 (B) 應用對角線規則。非價電子：1*s*2。 因此，B 的電子構型：1*s*22*s*22*p*1。 您在硼的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 2 的電子都是非價電子。2*p* 軌道中的電子和 2*s* 軌道中的電子都是價電子。**硼在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 1 個價電子，總共 3 個價電子**。

示例 7 – 鋁 寫出鋁 (Al) 的電子構型。 解題: 元素週期表告訴您鋁的原子序數為 *Z* = 13；因此中性的鋁有 13 個質子和 13 個電子。您需要寫出具有 13 個電子的原子的電子構型。 因此，Al 的電子構型：1*s*22*s*22*p*63*s*23*p*1。 您在鋁的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 3，因此所有具有 *n* = 3 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 3 的電子都是非價電子。3*p* 軌道中的電子和 3*s* 軌道中的電子都是價電子。**鋁在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 1 個價電子，總共 3 個價電子**。

從示例 6 和示例 7，我們有

• 硼在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 1 個價電子
• 鋁在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 1 個價電子

事實上，元素週期表 3A 列中的 *所有* 元素在 *s* 軌道中都有 *2 個價電子*，在 *p* 軌道中都有 *1 個價電子*。對於 3A 列中的原子來說，總共是 *3 個價電子*。同樣，3A 族元素的化學性質相似，因為它們具有相同數量和型別的價電子。

4A-8A 族繼續向最外層能級新增 *p* 電子

到目前為止，您可能已經注意到價電子數量與族號之間的一種模式。1A 族元素具有 1 個價電子。2A 族元素具有 2 個價電子。3A 族元素具有 3 個價電子。4A 族元素具有……好吧，我們還沒有研究過它們，但您會猜到什麼？這很明顯。4A 族元素具有 4 個價電子。同樣，5A 族元素具有 5 個價電子。事實上，這種模式一直持續到 8A 族元素，它們具有 8 個價電子。讓我們看幾個例子，以便弄清楚到底涉及哪些型別的價電子。首先，我們將考慮一個 4A 族元素。

示例 8 – 碳 寫出碳 (C) 的電子構型。 解題: 元素週期表告訴您碳的原子序數為 *Z* = 6，因此中性的碳有 6 個質子和 6 個電子。您需要寫出具有 6 個電子的原子的電子構型。 如下所示，對碳 (C) 應用對角線規則。非價電子：1*s*2。 因此，C 的電子構型：1*s*22*s*22*p*2。 您在碳的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 2 的電子都是非價電子。2*p* 軌道中的電子和 2*s* 軌道中的電子都是價電子。**碳在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 2 個價電子，總共 4 個價電子**。

現在讓我們考慮一個 5A 族元素。

示例 9 – 氮 寫出氮 (N) 的電子構型。 解題: 元素週期表告訴您氮的原子序數為 *Z* = 7，中性的氮有 7 個質子和 7 個電子。您需要寫出具有 7 個電子的原子的電子構型。 因此，N 的電子構型：1*s*22*s*22*p*3。 您在氮的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 2 的電子都是非價電子。2*p* 軌道中的電子和 2*s* 軌道中的電子都是價電子。**氮在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 3 個價電子，總共 5 個價電子**。

作為最後一個例子，讓我們看一下 6A 族元素（或 16 族）。

示例 10 – 氧 寫出氧 (O) 的電子構型。 解題: 元素週期表告訴您氧的原子序數為 *Z* = 8；中性的氧有 8 個質子和 8 個電子。您需要寫出具有 8 個電子的原子的電子構型。 因此，O 的電子構型：1*s*22*s*22*p*4。 您在氧的電子構型中看到的 *最高* 主量子數是多少？ 它是 *n* = 2，因此所有具有 *n* = 2 的電子都是價電子，所有具有 *n* < 2 的電子都是非價電子。2*p* 軌道中的電子和 2*s* 軌道中的電子都是價電子。**氧在 *s* 軌道中有 2 個價電子，在 *p* 軌道中有 4 個價電子，總共 6 個價電子**。

所以讓我們總結一下我們目前所知道的

• 1A 族元素在 *s* 軌道中具有 1 個價電子
• 2A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子
• 3A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子，在 *p* 軌道中具有 1 個價電子
• 4A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子，在 *p* 軌道中具有 2 個價電子
• 5A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子，在 *p* 軌道中具有 3 個價電子
• 6A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子，在 *p* 軌道中具有 4 個價電子
• 7A 族元素在 *s* 軌道中具有 2 個價電子，在 *p* 軌道中具有 5 個價電子
• 8A 族元素在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 6 個價電子。

請注意，在 3A 族之後，每向右移動一列，就會增加一個價 *p* 電子。4A 族元素比 3A 族元素多一個價 *p* 電子。同樣，5A 族元素比 4A 族元素多一個價 *p* 電子。但當你到達 8A 族元素時會發生什麼？為什麼元素週期表在 8A 族結束？讓我們仔細思考一下。8A 族元素在 *p* 軌道上有 6 個價電子。在上章中，你已經瞭解到任何能級上 *p* 電子的最大數量是 6。因此，不可能存在“9A”族，因為“9A”族將有 7 個 *p* 電子在價能級上，這是不可能的。

8A 族元素的價 *s* 子層和 *p* 子層完全填充這一事實對於它們的化學性質非常重要。8A 族元素被稱為 **惰性氣體**。它們都是氣體，而且反應性很低。

課程總結

• 所有已知元素都以這樣的方式排列在元素週期表中，即同一列中的元素具有相似的化學性質。
• 只有最高能量的電子（價電子）參與化學反應。因此，只有這些高能電子對於決定元素的化學性質很重要。
• 當兩種不同的元素具有相同數量的價電子時，它們很可能具有相似的化學性質。
• 具有相同數量價電子的元素位於元素週期表的同一列中。
• 具有相同價層的元素位於元素週期表的同一行中。
• 元素週期表第一列的所有元素在 *s* 軌道上都有 1 個價電子。這些元素被稱為 1A 族金屬或鹼金屬。
• 元素週期表第二列的所有元素在 *s* 軌道上都有 2 個價電子。這些元素被稱為 2A 族金屬或鹼土金屬。
• 元素週期表第 3A 族的所有元素在 *s* 軌道上都有 2 個價電子，在 *p* 軌道上都有 1 個價電子。
• 元素週期表第 4A 族的所有元素在 *s* 軌道上都有 2 個價電子，在 *p* 軌道上都有 2 個價電子......等等。
• 第 8A 族在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 6 個價電子。由於任何給定能級最多隻能有 6 個 *p* 電子，因此第 8A 族元素的 *p* 子層已滿。因此，它們是惰性的（不活潑的），因為它們不太可能獲得或失去電子。8A 族元素被稱為惰性氣體。

複習題

1. 看一下元素週期表。你會如何描述它？為什麼你認為它有如此奇怪的形狀？
2. 你能否建議元素週期表中同一列中的元素可能有什麼相似之處？
3. 選擇正確的說法。

   (a) Mg 在 *s* 軌道上只有一個價電子

   (b) F 在 *s* 軌道上只有一個價電子

   (c) O 在 *s* 軌道上只有一個價電子

   (d) Kr 在 *s* 軌道上只有一個價電子

4. 在每個空白處圈出合適的元素。

   (a) ____________ (Mg/N) 在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 3 個價電子。

   (b) ____________ (As/B) 在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 3 個價電子

   (c) ____________ (Cl/P/Li) 在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 5 個價電子

   (d) ____________ (Al/Li/Na) 在 *p* 軌道上有一個價電子

5. 選擇正確的說法。

   (a) 1A 族元素共有 3 個價電子

   (b) 5A 族元素共有 2 個價電子

   (c) 7A 族元素共有 4 個價電子

   (d) 8A 族元素共有 8 個價電子

   (e) 2A 族元素共有 5 個價電子

   (f) 1A 族元素共有 3 個價電子

6. 填空。

   (a) N 在 *s* 軌道上有 ___ 個價電子

   (b) N 在 *p* 軌道上有 ___ 個價電子

   (c) N 共有 ___ 個價電子

   (d) Ca 在 *s* 軌道上有 ___ 個價電子

   (e) Ca 在 *p* 軌道上有 ___ 個價電子

   (f) Ca 共有 ___ 個價電子

7. 判斷以下每個說法是正確還是錯誤。

   (a) K 在 *s* 軌道上有一個價電子

   (b) Ge 在 *s* 軌道上有 2 個價電子

   (c) Se 在 *p* 軌道上有 4 個價電子

   (d) B 在 *p* 軌道上有 3 個價電子

   (e) F 在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 7 個價電子

   (f) Ca 共有 4 個價電子

8. 將元素與其價電子配對。

   (a) Sr	i. 共有 8 個價電子
   (b) I	ii. 共有 2 個價電子
   (c) Ne	iii. 共有 5 個價電子
   (d) N	iv. 共有 7 個價電子

9. 填空。

   (a) Ba 在 *s* 軌道上有 __ 個價電子，在 *p* 軌道上有 __ 個價電子

   (b) Sn 在 *s* 軌道上有 __ 個價電子，在 *p* 軌道上有 __ 個價電子

   (c) S 在 *s* 軌道上有 __ 個價電子，在 *p* 軌道上有 __ 個價電子

   (d) Po 在 *s* 軌道上有 __ 個價電子，在 *p* 軌道上有 __ 個價電子

   (e) Na 在 *s* 軌道上有 __ 個價電子，在 *p* 軌道上有 __ 個價電子

10. 列出所有在 *p* 軌道上恰好有 2 個價電子的元素。
11. 一個元素在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 4 個價電子。如果該元素位於元素週期表的第二行，那麼它是什麼元素？
12. 一個元素在 *s* 軌道上有 2 個價電子，在 *p* 軌道上有 6 個價電子。如果該元素與 In 在同一行，那麼它是什麼元素？

詞彙

鹼金屬

1A 族金屬。這些元素位於元素週期表的第一列，氫除外。

鹼土金屬

2A 族金屬。這些元素位於元素週期表的第二列。

化學性質

元素與另一種元素或化合物反應的方式。

惰性氣體

8A 族元素。這些元素位於元素週期表的第八列。它們是惰性的，這意味著它們反應性很低。

非價電子

原子中所有不是價電子的電子。非價電子在確定元素的化學性質方面並不重要，因為它們很少參與化學反應。

價電子

原子中具有最高 *n* 值的電子（最高能級上的電子）。

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