离子的电子构型

离子的电子构型不仅与离子及相关化合物的性质有密切关系，还涉及到许多化学基本理论的运用。如，在极化理论中，离子电子构型是离子极化能力和变形性的判断依据；在配合物理论中，离子电子构型是中心离子杂化类型和配离子诸多性质的判断基础。因而准确判断出某离子的电子构型，从来都是无机化学教学中的一个重点内容。

要想准确、快速地写出某离子的电子构型，只要能掌握以下两点就可以。

一、 了解原子核外电子排布情况

由于原子要在得或失电子的情况下才能成为简单离子，所以应该在掌握原子电子构型的基础上，再来讨论离子的电子构型。这也就意味着，知道某原子的电子构型，是写出其相关离子电子构型的知识基础。

另一方面，原子在成为阳离子时，要失去部分或全部的价电子。而这部分被丢弃掉的电子，既与新生成的阳离子无关，也没有再追究其在原来原子中存在细节的必要。因而，在写出离子电子构型的条件是，只要对其原子的电子构型有大概地了解，就可以了。

也就是说，不必太在意，诸如“第24号元素（Cr）的原子电子构型是3d⁵4s¹、还是3d⁴4s²”，这样的问题。因为，按原子价电子的丢失顺序规则，最后得到Cr³⁺的电子构型只能都是3d³。因而，在这一小节的标题中，对“原子核外电子排布情况”，只使用了“了解”的字眼，以示与“掌握”还有一定程度上的差别。

这样看起来，写出某离子的电子构型也不算不上是一个很难的问题，算不上是一个教学的难点。

作为“了解原子核外电子排布情况”，一般可以用两种方法。

一是，用鲍林的“原子核外电子填充顺序图”来写。但它需要从最里层开始，逐能级的将电子排出。这对给出“原子的电子排布式”是一个有效的手段。对只需要了解最外层电子排布情况的“离子电子构型”的给出来说，则属于一种比较繁琐的方法了。

当对元素周期表比较熟悉时，可以考虑的最好方法是，借助元素周期表来确定原子的价电子构型。因为，随原子序数增加，原子的电子构型也有周期性变化。这种变化情况如下图所示：     该图反映出的原子电子构型与其在周期表中位置间的关系为：

周期数就是最外层电子的主量子数（电子层数）。如，第四周期中所有元素，其原子的电子构型中都会有4 s电子（对应于p区元素，则还会有4p电子）；

原子的价电子数与其所在的族数间有严格的对应关系。

所有主族元素（ⅠΑ至ⅧΑ），及ⅢΒ至ⅧΒ元素组的第一个元素，它们在周期表中占了14个列（1-8,13-18列，在上图中为黄色斜线所示的区域），有“原子价电子数 = 族数”（族数，即上图中第二行中的罗马数字）。

ⅧΒ元素组的第二、三个元素，及ⅠΒ和ⅡΒ族，这4列（9-12列，在图中为绿色斜线所示的区域）有“原子价电子数 = 所在元素周期表的列数”（ 列数，即上图中第一行中的阿拉伯数字）。

对f区的镧系和锕系元素（在上图中为粉红色水平线所示的区域），则要看其在该区中的列序号（即图中最下一行的阿拉伯数字）。有“原子价电子数 = 元素所在列序号 + 2”。

族数即为价电子数的情况举例：

属于s区的两个主族，其中ⅠΑ族原子，只有一个ns¹价电子；而ⅡΑ族原子，有两个ns²价电子。

属于p区的六个主族。ⅢΑ族原子，有三个价电子，价电子构型为ns²np¹；ⅣΑ族原子，有四个价电子，价电子构型为ns²np²；……直至ⅧΑ（0）族原子，有八个价电子，价电子构型为ns²np⁶。

属于d区的六个副族的前6列元素。ⅢΒ族原子，有三个价电子，价电子构型为(n-I)d¹ns²；ⅣΒ族原子，有四个价电子，价电子构型为(n-I)d²ns²；……直至ⅦΒ族原子，有七个价电子，价电子构型为(n-I)d²ns²；ⅧΒ（Ⅷ）族的第一个元素（第8列），如第四周期的Fe有八个价电子，价电子构型为3d⁶4s²。

列数即为价电子数的情况举例：

ⅧΒ（Ⅷ）族的第二、三个元素（第9、10列）。如第四周期的Co，为ⅧΒ元素组的第二个元素，有九个价电子，价电子构型为3d⁷4s²；第四周期的Ni，为ⅧΒ元素组的第三个元素，有十个价电子，价电子构型为3d⁸4s².

属于ds区的两个副族。ⅠΒ族原子（列数为11），价电子构型为(n-1)d¹⁰ns¹；ⅡΒ族原子（列数为12），价电子构型为(n-1)d¹⁰ns²价电子。

确定镧系元素的价电子数的情况举例：

镧是该区第一行的第一个元素（列序号为1），价电子数为3（1+2=3），价电子构型为5d¹6s²；处于第一行最后一个的镥（列序号为15），价电子数为17（15+2=17），价电子构型为4f¹⁴5d¹6s²。

与d区的Cr相似，在确定某具体镧系元素的电子构型时，不要纠缠于5d^0-1轨道的填充情况。因为，在讨论其离子的电子构型时，不会遇到5d轨道还有填充的问题。这些原子在形成离子时其5d6s电子会全部失去。剩余的都是4f电子。所以只要知道价电子总数就可以了。

从上面的分析可以看出，用元素周期表的结构来确定某原子的电子构型，比鲍林的电子填充顺序图，是要方便很多的。

二、   离子的形成过程

非金属原子在得电子形成简单阴离子时，通常无变价。并且是使阴离子的最外电子层，成为8电子的稀有气体元素稳定结构。所以都非常简单，这里就不再赘述。

金属原子在失电子成简单阳离子时，最重要的是要知道原子的失电子顺序。其规则是：按(n-2)f、(n-1)d、ns、np，这一由难到易的顺序来失去电子。即，最右端的电子、最先失去。如果ns与np同时存在，np电子先失去；如果(n-1)d与ns同时存在，ns电子先失去。

根据这个规则，在知道原子的价电子数、及分区的电子构型的特点后，就可以直接写出某阳离子的电子构型。如：

属于s区的ⅠA族的K⁺。因为原子的价电子构型为4s¹，失去这1个电子后（无4p电子可以失去）离子最外层只能是3s²3p⁶。这种离子的电子构型也被称为8电子构型。  

属于d区ⅣΒ族的Ti²⁺、Ti³⁺、Ti⁴⁺。原子的价电子构型为3d²4s²。最先失去的是2个4s²电子，这样成Ti²⁺，最外层为3s²3p⁶3d²（简写为3d²），有10个电子，离子属于9-17电子构型；在失去2个4s²电子的基础上，继续失去1个3d电子，就成了Ti³⁺，最外层为3s²3p⁶3d¹（简写为3d¹），有9个电子，离子也属于9-17电子构型；如失去2个4s²电子后，还要失去2个3d电子，就成了Ti⁴⁺，最外层为3s²3p⁶，有8个电子，成8电子构型。

属于d区ⅥΒ族的Cr²⁺、Cr³⁺。原子的价电子构型为3d⁵4s¹。最先失去的是1个4s¹电子及1个3d电子，这样成Cr²⁺，最外层为3s²3p⁶3d⁴（简写为3d⁴），有12个电子，离子属于9-17电子构型；如要失去3个电子，那只能是4s¹电子、及2个3d电子，这样Cr ³⁺的最外层就成为了3s²3p⁶3d³（简写为3d³），有11个电子，离子也属于9-17电子构型。

属于d区ⅧΒ（Ⅷ）族的第二个元素的Co（第四周期）。原子的价电子总数为9（位于第9列），原子的价电子构型为3d⁷4s²。Co²⁺的电子构型为3d⁷，属于9-17电子构型；Co³⁺的电子构型为3d⁶，也属于9-17电子构型。

属于ds区的ⅠB族Cu（第四周期），原子的价电子总数为11（位于第11列）。原子的价电子构型为3d¹⁰4s¹。Cu⁺的电子构型为3d¹⁰，属于18电子构型；Cu²⁺的电子构型为3d⁹，属于9-17电子构型。

属于ⅢΑ族（第三周期）的Al。原子的价电子构型为3s²3p¹，无变价。形成离子时要失去这3个电子，成2s²2p⁶的8电子构型。

同属于ⅢΑ族（第六周期）的Tl。原子的价电子构型为6s²6p¹。但它有变价，形成离子时人如果只失去1个电子6p¹（ns比np难于失去），剩余Tl⁺的电子构型为5s²5p⁶5d¹⁰6s²，这是一个18+2电子构型；如果要失去3个电子，则6s和6p全部失去，剩余Tl³⁺的电子构型为5s²5p⁶5d¹⁰，这是一个18电子构型。

属于镧系元素、其列序数为2的Ce。价电子总数为4（2+2=4），其2价离子Ce²⁺的f电子构型为4f²；其3价离子Ce³⁺的f电子构型为4f¹；其4价离子Ce⁴⁺的f电子构型为4f⁰，这是一个8电子构型

属于镧系元素、其列序数为7的Eu。价电子总数为9（7+2=9），其2价离子Eu²⁺的f电子构型为4f⁷；其3价离子Eu³⁺的f电子构型为4f⁶。

三、   离子电子构型的表示方法及分类

离子电子构型对其性质有着决定性的影响。当然起最主要作用的还是其价电子部分。所以，在书面表示离子构型时，通常是在原子电子构型（只写出价电子）的基础上来写。在原子的价电子构型的基础上，按实际情况加上或减去某几个电子，就可以得到离子的电子构型。书写的时候，要秉承：表述要尽可能地简单，只保留最重要信息的原则。

但是，在将电子构型进行分类时，对离子性质有影响的各亚层，则都要包括进来。由于不同类型的离子，影响其性质的主要因素并不完全相同。如对大多数离子（除内过渡系元素）都是最外层电子的影响最大；而内过渡系元素则是倒数第二层的f电子数目，对性质的影响更大。所以在讨论非过渡系元素离子的电子构型类别时，依据的是离子的最外层电子数；而在书写及讨论镧系离子的电子构型时只考虑其4f电子数。

非内过渡系元素离子的电子构型共分为：8电子、9-17电子、18电子、18+2电子，这样的4类。而镧系离子的电子构型，通常就叫“4f电子构型”

在书写离子电构型，及讨论其类别时，要注意以上这几点。

这样，由K的电子构型为4s¹，失去一个电子后，就可写出其离子K⁺的电子构型为了4s⁰（此时作为最外层的3s²3p⁶不用写出）。这种离子的电子构型是8电子构型（要考虑3s²3p⁶的存在）。  

由Co原子的3d⁷4s²，生成Co²⁺离子。Co²⁺的电子构型当然是为3d⁷（不用写出3s²3p⁶这8个电子）。判断其电子构型的类别时，则要考虑3s²3p⁶这8个电子的存在。由于最外层成了3s²3p⁶3d⁷，有15个电子，所以Co²⁺属于9-17电子构型。

对镧系的Gd。其原子的价电子构型为4f⁷5d¹6s².其3价离子Gd³⁺的“f电子构型”为4f⁷。要注意的是，4f并不是该离子的最外层，外面其实还有5s²5p⁶。但5s²5p⁶对离子的性质基本无影响，所以根本不用考虑，也不要再书写出来。

四、   离子的电子构型与元素周期表的关系

有时人们关注的并不是离子的具体电子构型。而是只需要知道阳离子电子构型所属的类别。因为离子电子构型类别，对离子的性质有相当大的影响（是离子极化理论的基础）。

阳离子的电子构型可以分为：8电子构型（包括类似He的2电子构型）、9-17电子构型、18电子构型、18+2电子构型。

为能尽可能快地判断出某离子电子构型的类别，有必要把离子电子构型的类别与周期表之间的固有关系突出出来。

这种关系可以用如下的图来表示：

可以看出，从所成阳离子的电子构型来看，s和p区短周期元素的阳离子，都一定是很简单的8电子构型。

此外d区元素的最高价（族价）阳离子也有8电子构型。另外，f区元素，当“元素所在列序号+2 – 离子所带电荷 = 0”时（即f电子为0），该离子也有8电子构型。

其它阳离子的电子构型也有规律可循：

d区元素的低价（比族价数低）阳离子有9-17电子构型。ds区元素的高于族价的离子也有9-17电子构型。

属于18电子构型的有：ds区元素的族价离子；p区长周期元素（也称为过渡后元素）的族价离子（最高价）。

属于18+2电子的有：p区长周期元素的低价离子（比族价数低）。

据此，在需要判断出某离子电子构型的类型时，只要想想其在周期表中的位置，及与族价的关系，就可以迅速地给出结果。

参考文献

[1] 北京师范大学等校无机化学教研室编. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年