问答题 Sc原子的3d轨道比4s轨道能级低,为什么它的电子组态为(3d14s2)而不是(3d24s1)?分析Sc3+离子变成Se原子的电子填充过程。
【正确答案】这是因为电子互斥能的影响所致的。考虑到互斥能,组态甲3d24s1的能量为:
   E1=2E(3d)+E(4s)+2J(d-s)+J(d-d)
   这里,J(d-s)和J(d-d)分别为d-s和d-d的互斥能,J(d-d)远大于J(d-s)。同理,组态乙3d14s2的能量为:
   E2=E(3d)+2E(4s)+2J(d-s)+J(s-s)
   比较甲乙两种组态的能量,有:
   E1-E2=2E(3d)+E(4s)+2J(d-s)+
   J(d-d)-[E(3d)+2E(4s)+
   2J(d-s)+J(s-s)]
   =[E(3d)-E(4s)]+[J(d-d)-J(s-s)]
   =A+B
   这里,A为负值,而B为正值。明显,如果A的绝对值比B大,即E(3d)和E(4s)的差大于J(d-s)和J(d-d)的差,则表明组态甲稳定;反之则组态乙稳定。由于Sc原子的情况属后者,它的最稳定组态应为3d14s2
   当Sc3+(3d04s0)填充1个电子形成Se2+时,由于3d轨道能级比4s低,因此电子填在3d上,组态为3d04s0。Sc2+再继续填充电子变成Sc+时,由于J(d-d)比较大,因此电子填在4s轨道上,形成组态3d14s1。同理,最后一个电子也填充在4s轨道上,形成了Sc原子。
【答案解析】