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[转载]疑难问题(3)——为什么Fe变成Fe2+失去的是4s电子?

(2011-10-05 22:10:26)
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分类: 高中教学

【按】孔子曾说:传道、授业、解惑,便可以为师,可见回答疑问是教师一件多么重要的工作,教师在教学工作中一定会遇到很多学科专业问题,它们来源于教师自身的专研、同行的交流、学生的请教,教师便在思考解答这些疑问的过程中成长、发展,此所谓“教学相长”,基于此我将平时发表或他人发表的部分疑问解答发在博客中供大家查阅参考!

疑问:

为什么Fe变成Fe2+失去的是4s电子?

回答:

   我们在填充电子的时候,使用了一个工具,在选修3将它称为“构造原理示意图”,其实它的准确名称应该是“Pauling近似轨道能级图”,在进行教学时,学生容易“错误”的理解填充的顺序一定是按照能量由高到低进行的。

1

Pauling近似轨道能级图

       其实这一图形之所以是“近似”的,就是由于它没有考虑能级的能量还要受到核电荷数的影响,Cotton为了解决这一问题,通过光谱数据和理论计算绘制了更为准确的“Cotton能级图”。

2

Cotton能级图

     取出Cotton能级图局部,可以看出当开始填充3d轨道后,4s能级的能量便下降至:E4s<E3d,所以26Fe失去能量更高的4s电子并不超出我们的理解。

HKQSYG5WC4TRUVDO

得出这一结论后肯定又有人要继续追问:

问题: 既然E4s > E3d , 为何最后三个电子先填满4s而不先填入3d?
回答:(宋天佑老师无机化学教学网站)

      这尚是一个有争议的问题, 即使采用薛定谔方程计算, 对于多电子体系, 也是一个难于解决的问题. 关于3d 4s 轨道能量的高低, 采用的近似方法不同, 处理问题的角度不同, 得到的结论也不同. 关于第四周期开头的元素 K, Ca, Sc, Ti 的最后几个电子的填充, 由体系的总能量的降低程度决定, 而且, 原子的总能量不仅仅取决于某个原子轨道的能量, 尚有其它能量形式存在. 先填充哪个轨道也取决于是否使体系更加稳定.普遍认为:
1)
填充电子时, 为离子状态, Z*比原子状态的大,
体系不同

2) 先在4s上填充电子, 比先填入3d稳定, 因为4s的钻穿能力比3d, 使电子更加靠近核, 整个体系能量降低幅度大.
Slater规则的不足之处: (nsnp)同组, 无法区分它们能量的高低
.
Pauling 近似能级图不足之处:无法反映轨道能量随与原子序数增加而下降的规律
.
二者相辅相成, 各得益彰

问题: 原子4s3d能级的能量关系是E4s > E3d, 还是E4s< E3d, 亦或是E4s= E3d

回答:

      根据Cotton能级图,显然都可能出现,要根据原子的种类进行判断,可以参考:

<李英慧,李言.构造原理与原子轨道能量关系的几个问题的探讨.中小学教学研究[J].2010(4)>所以中学的这类题目很大程度是有问题的。

 

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