例析离子核外电子排布式的书写

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核外电子排布式是贯穿《物质结构与性质》的一条主线，通过核外电子排布式可以很清楚地了解原子的结构，对于元素性质的研究有着重要的作用。人教版高中化学选修3《物质结构与性质》教材中，对于原子的核外电子排布式作了详细的讲解，但对于离子基态核外电子排布式并未作介绍，然而在高考化学选考题中却常常涉及离子的核外电子排布式。本文重点例析离子核外电子排布式的书写。

图1【例1】（2013年新课标Ⅱ卷第37题）前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中，A和B的价电子层中未成对电子均只有1个，并且A-和B+的电子相差为8；与B位于同一周期的C和D，它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2，且原子序数相差为2。

回答下列问题：

（1）D2+的价层电子排布图为。（2）四种元素中第一电离能最小的是，电负性最大的是。（填元素符号）

（3）A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图1所示。

①该化合物的化学式为；D的配位数为；

②列式计算该晶体的密度g・cm-3。

（4）A-、B+和C3+三种离子组成的化合物B3CA6，其中化学键的类型有；该化合物中存在一个复杂离子，该离子的化学式为，配位体是。

解析：根据题目信息可推得A、B、C、D分别为F、K、Fe、Ni，D2+即Ni2+。要写出Ni2+价层电子排布图，首先得知道Ni2+核外电子排布式。很多学生想当然地利用原子核外电子排布的知识，认为镍原子核外电子先排4s后排3d，故原子在失电子时应先失3d电子后失4s电子，即Ni2+的核外电子排布式应为[Ar]3d64s2。

镍原子变为镍离子究竟先失去哪个电子？查阅了高等教育出版社《面向21世纪课程教材・无机化学》

（上册），书中明确提出：无论是基态电中性原子还是正离子的核外电子排布，笼统地讲，仍然可以归结为能量最低原理，即保持整个原子的能量最低。稍具体地讲，整个原子的能量取决于两个因素――原子核对电子的吸引力和电子之间的排斥力，这是两个相反的因素，经常是其中一个居主导地位，另一个居次要地位。当原子核对电子的吸引力居主导地位时，电子填入主量子数较低的轨道会使整个原子的能量较低。进一步讲，当核电荷对电子的吸引力居主导地位时，电子填入比较弥散的3d轨道可以使内层电子受原子核更大的吸引，从而引起整个原子的能量下降；若电子填入4s轨道，因4s电子具有比3d电子更大的穿透内层电子而被核吸引的能力（钻穿效应），从而使内层电子更加扩展，结果整个原子的能量反而升高了。反之，当电子的排斥力居主导时，其他电子对4s电子的排斥力小于对3d电子的排斥力，因此电子填入4s轨道。进一步讲，这也是由于4s电子比3d电子具有更大的能力穿透其他电子进入离核较近的区域而受到其他电子较小的排斥，相反，3d电子比较弥散，受到其他电子的排斥力较大（屏蔽效应）。综上所述，可知在原子的电子填充顺序中，电子的相互作用能往往起着重要作用，到了离子的电子排布中，核吸引作用能却成为支配性因素了。

总之，基态原子核外电子排布要遵循三个原则，即能量最低原理、保里不相容原理和洪特规则。然而，当原子在失去电子变为离子时，离子的电子排布取决于电子从何轨道中失去，失去电子顺序和填充电子顺序并不是恰恰相反的。实验和理论都证明，原子轨道失电子的次序是：np，ns，（n-1）d，（n-2）f，即最外层的np电子最先失去，np电子失光后才失ns电子，以此类推。因此，Ni2+核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d8或[Ar]3d8，价层电子排布式为3d8。

答案：（1）3d

（2）K；F。

（3）①K2NiF4；6。

②39×4+59×2+19×86.02×1023×4002×1308×10-30=3.4。

（4）离子键、配位键；[FeF6]3-；F-。

对于离子核外电子排布式的考查，不只限于直接书写离子核外电子排布式，有时候还利用电子排布式来解释离子的某些性质。

【例2】（山西太原2012年模二第37题）MnO2是碱锰电池材料中最普通的正极材料之一，在MnO2中加入CoTiO3纳米粉体，可以提高其利用率，优化碱锰电池的性能。（1）写出基态Mn原子的价电子排布式：。

元素MnFe电离能/kJ・mol-1I1717759I215091561I332482957比较锰和铁两元素的I2、I3可知，气态Mn2+再失去一个电子比气态Fe2+再失去一个电子难。对此，你的解释是。

图2（2）在CoTiO3晶胞中（结构如图2所示），1个Ti原子，1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为个、个。

（3）单质铝、石墨和二氧化钛按比例混合，高温下反应得到的化合物均由两种元素组成，且都是新型陶瓷材料（在火箭和导弹上有重要应用），其反应的化学方程式为。

（4）叠氮酸（HN3）是一种弱酸，可部分电离出H+和N-3。已知N-3与CO2互为等电子体，则N-3的空间构型为，其中心原子的杂化轨道类型是。叠氮化物能与Co3+形成配合物，则[Co（N3）（NH3）5]SO4中配体是，钴的配位数是。

解析：Mn2+、Mn3+核外电子排布式分别为：[Ar]3d5、[Ar]3d4，由Mn2+转化为Mn3+时，3d能级由稳定的3d5半充满状态转为不稳定的3d4状态需要的能量较多；而Fe2+、Fe3+核外电子排布式分别为：[Ar]3d6、[Ar]3d5，由Fe2+转化为Fe3+时，3d能级由不稳定的3d6状态变为稳定的3d5半充满状态，需要的能量相对要少。

答案：（1）3d54s2；Mn2+的3d轨道电子排布为半充满状态，较稳定。

（2）6；12。

（3）4Al+3TiO2+3C高温2Al2O3+3TiC。

（4）直线型；sp；N-3、NH3；6。

参考文献

[1]北京师范大学、华中师范大学及南京师范大学无机化学教研室联合编写.无机化学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]南京大学《无机及分析化学》编写组编写.无机及分析化学[M].北京：高等教育出版社，1998.