书城童书化学探谜
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第37章 电子的排布

在深人研究原子核后,人们发现,同一种元素的原子里,质子的数目虽然一样多,但中子的数目却不尽相同。化学上把原子核内质子数相同而中子数不同的原子叫做同位素。

氢原子的同位素有三种:第一种是氢,它的原子核里没有中子,只有1个质子,叫做氕。第二种是重氢,它的原子核里有1个质子和1个中子,叫做氘。第三种是超重氢,它的原子核里有1个质子和2个中子,叫做氚。

氕、氘、氚,各自的原子质量虽然不同,可是它们的化学性质几乎完全相同。人们测得的氢的原子量,就是这3种原子质量的平均值。

绝大多数的元素都有两种或以上的同位素,因此绝大多数的原子量都是它的各种同位素的原子质量的平均值。

自然界的各种元素,通常是质子数大的,原子量也大;质子数小的,原子量也小。因此,在周期表中,大多数元素都是随着质子数增大,原子量也增大。可是,有的元素,虽然质子数较小,但是在自然界,它的几个同位素中较重的同位素占的比例大,因此几种同位素的原子质量的平均值(这种元素的原子量)就要大一些。而有的元素的质子数虽然较大,可是由于较重的同位素占的比例小,结果这种元素的原子量反倒要小一些。

例如,氩的质子数(18)要比钾的质数(19)小,但是在自然界中它的重同位素氩40的原子质量为39.96,占99.6%;氩38的原子质量为37.96,占0.06%;氩36原子量为35.97,占0.34%。氩的3种同位素的原子质量平均值为39.95。

钾的质子数虽然较大,可是它的重同位素占的比例小。钾41的原子质量为40.96,占6.88%;钾40的原子质量为39.96,占0.01%;钾39的原子质量为38.96,占93.08%。钾的3种同位素的原子质量平均值为39.10。

由于原子核的质子、中子结构和同位素的发现,周期表中的氩和钾、碲和碘、钴和镍、钍和镤等,排列前后之谜终于彻底揭开了。

人们对核外电子进行了研究,知道电子在原子核外作高速运动。高速运动着的电子,在核外是分布在不同的层次里。这些层次叫做能层或电子层。在含有多个电子的原子里,电子的能量并不相同。能量低的,通常在离核近的区城运动。能量高的,通常在离核远的区域运动。

现在已经发现的电子层共有7层。第1层(K),离核最近,能量最低;其他由里往外,依次为第2(L)层、第3(M)层、第4(N)层、第5(0)层、第6(P)层、第7(Q)层。核外电子的分层运动,又叫核外电子的分层排布。

人们发现,电子总是尽先排布在能量最低的能层里,然后再由里往外,依次排布在能量逐步升高的电子层里。核外电子的分层排布有一定的规律:首先,各电子层最多容纳的电子数目是2n2(n是电子层数)。例如第1层为2个电子,第2层为8个电子,第3层为18个电子,第4层为32个电子。其次,最外层电子数目不超过8个。第三,次外层电子数目不超过18个,倒数第3层电子数目不超过32个。

人们还发现,核外电子的分层排布居然和周期表有着内在的联系。

先从横排——周期来看:在第1周期中,氢原子的核外只有1个电子,氦原子的核外有2个电子,都处于第1能层上。由于第1能层最多只能容纳2个电子,所以,到了氦第1能层就已经填满。第1周期也只有这两个元素。

在第2周期中,从锂到氖共有8个元素。它们的核外电子数从3增加到10。电子排布的情况是:第1能层都排满了2个电子,第2能层中,从锂到氖都依次排满了1~8个电子。第2周期也刚好结束。

再从竖行——族来看:第1主族的7个元素——氢。锂、钠、钾、铷、铯、钫,它们相同的是,最外能层只有一个电子,不同的是,它们的核外电子数和电子分布的层数。氢的核外只有一个电子,只能排布在第1能层上;锂有2个能层,在第2能层上排布1个电子;钠有3个能层,在第3能层上排布1个电子……钫有7个能层,在第7能层上排布1个电子。

由此可见,第1主族7个元素原子的电子最外层都只有一个电子。而在化学反应中,一般只是最外层电子在起变化,由于它们最外层电子数相同,也就反映出它们相似的化学性质。

其他主族各元素的最外能层也类似。第2主族各元素的最外能层都有2个电子,第3主族各元素的最外能层有3个电子……

还可从惰性气体元素、金属元素和非金属元素来看:惰性气体元素原子的最外层都有8个电子(氦是2个)。这种最外层有8个电子的结构,是一种稳定的结构。因此,惰性气体元素的化学性质比较稳定,一般不跟其他物质发生化学反应。金属元素像钠、钾、镁、铝等,原子的最外层电子的数目一般少于4个,在化学反应中,外层电子比较容易失去而使次外层变成最外层,通常达到8个电子的稳定结构。非金属元素氟、氯、硫、磷等,原子的最外层电子的数目一般多于4个,在化学反应中,外层电子比较容易获得电子,也使最外层通常达到8个电子的稳定结构。

人们了解了原子核外电子排布的规律以后,就可以从理论上来解释元素周期律了。原来,随着核电荷数的增加,核外电子数也在相应地增加;而随着核外电子数的增加,就相似的电子排布过程,一层一层地重复出现。这就是元素性质随原子序数的增加而呈现周期性变化的原因。

人工合成的许多新元素——超铀元素,使周期表在不断延伸。在放射性变化中,一个元素蜕变成另一个元素,科学家由此找到了利用原子能的钥匙:周期表后列的重元素会发生核分裂,而周期表前列的轻元素会发生核聚变。

科学家们预言,人造元素还会一个个发现和合成出来,除完成第7周期外,并有可能进人第8周期(也就是超镧系和新超锕系元素)。在未来的新周期中,元素的原子里还会出现新的电子层次。