劉鵬　張洪違

摘 要?本文筆者對“原子結(jié)構(gòu)”有關(guān)的幾個相關(guān)概念進(jìn)行了詳細(xì)闡述，有助于讀者對微觀粒子有關(guān)的概念深入理解，避免教學(xué)中進(jìn)入誤區(qū)，對于教師的教學(xué)具有一定的指導(dǎo)價值，也可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)的課后延伸。

關(guān)鍵詞?原子結(jié)構(gòu);電子自旋;電子云;原子軌道;構(gòu)造原理金屬性

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2020）32-0097-02

物質(zhì)結(jié)構(gòu)是一門理論性比較強(qiáng)的學(xué)科，它與其它學(xué)科一樣來源于實(shí)踐，來源于對實(shí)驗現(xiàn)象的分析、思考，且要用實(shí)踐來檢驗其結(jié)論是否正確。由于它的研究對象是微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，與宏觀運(yùn)動有質(zhì)的差異，又有密切聯(lián)系，因此學(xué)習(xí)中學(xué)生往往會感到虛無縹緲，產(chǎn)生錯誤的認(rèn)識。教學(xué)中教師要對微觀粒子有關(guān)的概念深入理解，才能在教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行正確的指導(dǎo)。筆者選取了在“原子結(jié)構(gòu)”教學(xué)中容易產(chǎn)生錯誤認(rèn)識的幾個概念進(jìn)行討論。

一、電子自旋非自旋

為了解釋實(shí)驗發(fā)現(xiàn)的光譜雙線結(jié)構(gòu)問題，1925年G.Uhlenbeck和S.Goudsmit提出電子具有不依賴于軌道運(yùn)動的、固有的磁矩假說，并把這個磁矩看成由電子固有的角動量形成的，他們把這個內(nèi)在的固有角動量形象化地用電子的“自旋”運(yùn)動來描述，于是電子自旋的概念由此產(chǎn)生。電子自旋可以認(rèn)為是電子固有的特性，它可能順著軌道運(yùn)動產(chǎn)生的磁場取向，也可能逆著這個磁場而取向?？梢?，所謂電子“自旋”，早先是為了形象描述電子的固有角動量而出現(xiàn)的字眼。由于電子是微觀粒子，因此電子自旋是無法用經(jīng)典概念所能描述的，它是一種量子化運(yùn)動，通常要用相對論量子力學(xué)才能解釋。一個電子繞其一個軸旋轉(zhuǎn)（自旋）的圖象不能反映物理的真實(shí)性，所以不應(yīng)該用“地球的自轉(zhuǎn)”這樣宏觀的模式去摸擬微觀世界電子的行為?！绊槙r針和逆時針兩種狀態(tài)”與“上下箭頭”的描述也只是一種形象化的字眼，是人們所賦予微觀世界的電子自旋運(yùn)動一個容易想象的直觀模型，僅僅是用來表示電子自旋的兩種狀態(tài)或兩種取向的“用語”。

二、電子云非電子

在教學(xué)中，很多教師對于電子云的概念也比較模糊，認(rèn)為所謂電子云就是電子以高速繞核運(yùn)動，就好像在原子核周圍籠罩上了一層帶負(fù)電荷的云，所以把它稱為電子云。這種錯誤理解，必然會對學(xué)生的進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)造成困難。

對于微觀物體的運(yùn)動，根據(jù)“測不準(zhǔn)原理”，量子力學(xué)給出了這兩個量無法同時準(zhǔn)確測定的結(jié)果，所以像電子這類微觀粒子運(yùn)動時的軌跡就無法描出。研究電子運(yùn)動，不是研究它的運(yùn)動過程，而是研究它的在空間某處出現(xiàn)的幾率或幾率密度。在核外運(yùn)動著的電子，決不會成云，所以把電子的運(yùn)動想像成云是錯誤的。電子云的正確意義并不是說電子真的像云那樣分散，不再是一個粒子，而只是電子行為統(tǒng)計結(jié)果的一種形象表示。但是，概率密度大不代表概率大，因為越靠近原子核，同樣厚度的球殼空間體積也越小。

三、原子軌道非軌道

學(xué)生剛接觸到原子軌道的概念時，很容易聯(lián)想到宏觀物體運(yùn)動時的軌跡，不自覺地會想到電子也像人造地球衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)那樣，處于一定的軌道上作圓周運(yùn)動。原子軌道是描述基態(tài)原子中核外電子的運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)，原子軌道的軌道并不是軌跡。那么為什么用軌道這一概念呢？這是因為歷史原因。在經(jīng)典力學(xué)中，對于宏觀物體，它的運(yùn)動軌道就等于軌跡，進(jìn)入原子結(jié)構(gòu)的舊量子論以后，玻爾首先提出原子軌道的問題，他把原子軌道與運(yùn)動狀態(tài)聯(lián)系了起來，玻爾用的是經(jīng)典力學(xué)，到量子力學(xué)后，電子的運(yùn)動狀態(tài)用波函數(shù)描寫，但是基于習(xí)慣，還是把這些繼承了下來。

原子軌道的含義并不等于電子的概率分布，更不等于電子云。電子在一定的空間運(yùn)動狀態(tài)除了有一定的概率分布以外，還有一定的其它物理性質(zhì)，而電子云只是電子在空間出現(xiàn)概率密度分布的形象化表示。

很多時候，用一個圓圈表示ns電子，用“8”表示np電子的意義已經(jīng)不是宏觀經(jīng)典軌道，也不是玻爾的量子軌道，而是具有波粒二象性的電子運(yùn)動狀態(tài)方便而簡明的一種表示方法。

四、構(gòu)造原理非原理

由以上概念可以看出，能量最低原理中的能量最低指的是原子的能量最低。核外電子排布的決定因素是這個體系中電子如何排布能夠使原子（離子）體系的能量最低，每個電子的能量最低不代表原子（離子）的能量最低。根據(jù)光譜實(shí)驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了諸多元素的基態(tài)原子的核外電子排布方式，然后再用相關(guān)理論去解釋的過程中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)造原理。因此，在教學(xué)中我們應(yīng)該首先引導(dǎo)學(xué)生承認(rèn)實(shí)驗事實(shí)，不能拿事實(shí)去適應(yīng)原理。與任何原理一樣，構(gòu)造原理也具有相對的近似意義，尚需要發(fā)展。

其實(shí)，原子核外電子是一個整體，多電子原子的核外電子排布不是按照順序組個進(jìn)入各個能級的，只不過光譜實(shí)驗的事實(shí)告訴人們哪樣的核外電子排布更加穩(wěn)定（能量最低）。在原子這個體系中，核外電子與原子核之間因電荷不同產(chǎn)生的引力和核外電子之間因電荷相同產(chǎn)生的斥力構(gòu)成了一個相對的統(tǒng)一體，這個統(tǒng)一體在基態(tài)時趨于最低能態(tài)的排列方式。換句話說，4s軌道與3d軌道的能量哪個低，是動態(tài)可變的，與核電荷數(shù)、電子數(shù)、電子所處的狀態(tài)有關(guān)。第四周期，K和Ca的3d軌道能量大于4s，但是根據(jù)1986年徐光憲教授帶領(lǐng)他的團(tuán)隊首次計算并編制了1～100號元素中性原子各軌道能量的數(shù)值可以看出，21號元素往后4s軌道能量大于3d，但是為了滿足能量最低原理的要求，這些元素的中性原子基態(tài)仍是先填充4s軌道。這就能解釋為什么填充電子時按構(gòu)造原理，原子失去電子時，卻往往先失去外層電子？ 因為究竟先電離哪個電子，仍然取決于哪種方式使離子的總能量最低。其實(shí)，離子與原子的計算方式也不相同。

雖然高等學(xué)校教材利用“能級交錯”“屏蔽效應(yīng)”“貫穿效應(yīng)”對構(gòu)造原理進(jìn)行了解釋，但是筆者認(rèn)為，在高中教學(xué)中我們不能無謂地給學(xué)生增加負(fù)擔(dān)，應(yīng)按照課程標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行教學(xué)。

五、金屬性非金屬活動性

中學(xué)教材中沒有給出元素的金屬性的具體概念，在大學(xué)化學(xué)中對此有明確的說明：元素的金屬性通常被認(rèn)為是元素的性質(zhì)之一，描述的是元素氣態(tài)基態(tài)原子失去電子變成氣態(tài)陽離子趨勢的大小。電離能可以比較元素金屬性的強(qiáng)弱，這是因為利用電離能可以定性比較氣態(tài)基態(tài)原子失去電子的難易，電離能越大，原子失去電子就越困難，其金屬性就越弱。反之，電離能越小，原子失去電子就越容易，金屬性就越強(qiáng)。電離能的數(shù)值大小主要取決于原子的有效核電荷、原子半徑以及原子的電子構(gòu)型。

金屬活動性的強(qiáng)弱通常被認(rèn)為是金屬原子在水溶液中失電子形成水合陽離子能力的強(qiáng)弱。金屬的活動性以金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為依據(jù)，反映金屬在水溶液里形成水合離子傾向的大小，也就是反映金屬在水溶液里失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)的難易。金屬的電極電位越低，金屬越容易失去電子變成水合離子，即該金屬在水溶液中越活潑。金屬晶體要經(jīng)過三個過程才能轉(zhuǎn)化成水合離子（如圖1），它們分別是：1.金屬原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)金屬原子，這個過程需要克服金屬鍵（即金屬的原子化熱或升華能）;2.金屬氣態(tài)原子變成氣態(tài)離子失去電子的過程（電離能 I ）;3.金屬氣態(tài)離子變?yōu)樗想x子的過程（離子水合能）。其中a、b、c分別代表升華、電離、水合過程的能量變化，△H為電極反應(yīng)的焓變。

從波恩—哈伯循環(huán)圖示可看出△H=a+b+c，因此，電離能只是電極反應(yīng)過程中能量變化的一部分。電離能大小、金屬升華能（克服金屬鍵）大小、水合能大小等因素都會影響電極電勢。

通過以上討論，可以發(fā)現(xiàn)金屬活動性與金屬性不同，教學(xué)中教師一定要避免把它們混淆使用。受學(xué)生知識水平限制，中學(xué)教材一些有化學(xué)概念具有一定的局限性。因此，在課堂用語、處理教材、教學(xué)設(shè)計時要注意語言的科學(xué)性，防止學(xué)生在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)中混淆概念以至于形成錯誤的概念。

參考文獻(xiàn)：

[1]化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[M].北京：人民教育出版社，2009.

[2]顧曄等.談高中化學(xué)選修模塊中核外電子排布的教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（7）：50.