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原子能级知识对化学教学的应用

 论文栏目:化学教学论文     更新时间:2019/5/7 15:09:03   

摘要针对原子结构中原子能级的教学进行探索和研究,在加强学生对原子能级概念理解和掌握的基础上,扩展性引入其在X-射线光电子能谱中应用的简单实例,以期帮助学生突破原子结构中原子能级知识的难点。

关键词普通化学;原子能级;X-射线光电子能谱;原子结构

1前言

普通化学是我国高等院校生物学、医学、环境和材料等专业学生的一门重要基础课程。原子结构是普通化学课程中必须学习的重要内容,正如化学上经常说“结构决定性质,性质体现结构”,所以要了解不同物质的宏观性质,首先需要了解其结构,而原子结构是学习任何物质结构的起点。原子结构作为学生开始进入微观学习的开始,由于其具有微观抽象化特征,并涉及物理、数学和统计学中的较复杂的公式、术语,而且具有量子化、不确定性等“反宏观”的规律等,使学生很难深入形象地理解和接受原子结构的知识,进而会影响学生对后续分子、晶体和配合物结构的学习,最终直接影响学生对物质性质的把握。因此,某种程度上可以认为原子结构教学成功与否,直接影响学生对整个普通化学课程的学习,甚至影响今后生物学、医学、环境和材料等相关专业课程的学习。为此,有关如何开展对原子结构内容的教学一直广受关注[1-4]。

2研究结果与讨论

原子结构章节涉及面较广,包括量子力学基础及核外电子运动特性、氢原子结构的量子力学解释、多电子原子的结构及元素周期表与元素性质的周期性等[4]。而其中原子能级概念的理解是本章的重点和难点,结合几年来的教学分析,笔者认为可以具体从以下两个方面着手。深化学生对原子能级概念的理解原子结构包含原子核和核外电子,原子核结构属核物理研究范畴,化学研究核外电子的运动状态,因为物质的性质及化学反应都与核外电子的运动状态发生改变有关,与原子核无关。1926年,奥地利物理学家薛定谔从微粒的波粒二象性出发,提出描述微粒运动的波动方程。将电子质量、总能量等参数代入方程就得出方程的许多解,因电子运动量子化,这些解并不都合理,只有引入三个量子数(n,l,m)的解,才能描述电子的运动状态,并且一组量子数对应唯一解,也对应电子的一种运动状态,因此,电子运动状态波函数记为ψn,l,m(x,y,z)。描述原子中单个电子运动状态的波函数ψ常称为原子轨道(atomicorbit),这里的轨道指ψ分布的空间范围,而不是与宏观物体一样的运动轨道。一般把电子出现概率在99%的空间区域的界面作为原子轨道的大小。每个原子轨道所对应的能量即为原子能级(atomicenergylevel)。主量子数(principalquantumnumber)n和轨道角动量量子数l决定着电子能级的高低。其中主量子数决定电子离核平均距离的远近,也是决定电子能量高低的最主要因素。n的取值为1,2,3,4,…,对应表示为电子层K,L,M,N,…。相同n的电子在空间范围内运动,构成一层——电子层(electronshell);n值越大,电子离核越远,能量越高;n值越小,电子离核越近,能量越低。因此,一般情况下E1<E2<E3<E4<…<En。氢原子或类氢离子核外只有一个电子,能量仅仅由n决定。轨道角动量量子数(orbitalangularmomentumquan-tumnumber)l决定原子轨道(电子云)的形状,或轨道角动量的大小,也决定同一电子层中电子能量的高低。l的取值为0,1,2,3,…,(n-1),共n个值,对应光谱学习惯,表示为s,p,d,f,……。相同n和l的电子在空间范围内运动,构成一亚层——电子亚层(electronsubshellorelectronsublevel)。n,l同的电子属于同一能级,n,l任一不同的电子能量高低不等。n相同,l越大能量越高,如E2s<E2p,E3s<E3p<E3d。总之,一般情况下Ens<Enp<End<Enf。量子数(n,l)组合与能级相对应,如n=2,l=1,是指2p电子亚层或能级。磁量子数(magneticquantumnumber)m决定原子轨道在空间的伸展方向,或轨道角动量在外磁场方向分量的大小,与能量E无关。m的取值为0,±1,±2,±3,…,±l,共有2l+1个值。如l=1时,m可以取0,±1,表示p轨道有三个空间取向,或这个亚层有三个不同取向的p轨道。由于轨道能量与磁量子数无关,故处于同一能级的轨道被称为简并轨道或等价轨道(equivalentorbital)。每亚层中可能有最多轨道数是2l+1;三个量子数n,l,m决定一个原子轨道,但不能完全决定电子的一种空间运动状态。对于多电子原子,除了核与电子的相互作用,还需要考虑电子间的排斥能。由于电子的位置瞬息万变,给精确求解多电子原子的波动方程带来困难。这种电子间的排斥,可以理解为其抵消了部分核电荷对电子的吸引力,将其称为屏蔽效应(screeningeffect)。屏蔽效应主要来自内层电子,内层电子对外层电子的屏蔽作用较大,而外层电子对较内层电子近似看作不屏蔽。当l相同,n不同时,n越大,电子层数愈多,外层电子收到的屏蔽效应愈强,核对电子吸引愈弱,轨道能级越高。而外层电子具有钻到内部空间而更靠近核的现象,这种现象被称为电子的钻穿效应(penetrationeffect)。电子出现在核附近的概率增大,受到其他电子的屏蔽减弱,有效核电核越大,能量越低。不同轨道的钻穿能力顺序为s>p>d,所以当n相同时,Ens<Enp<End<Enf。屏蔽效应和钻穿效应的共同作用导致少数能级发生交错,一般Ens与E(n-1)d、E(n-1)f容易发生能级交错,所以能级顺序为E1s<E2s<E2p<E3s<E3p<E4s<E3d<E4p<…。由此可见,在多电子原子中,轨道能量以及它的次序不是固定不变的,它会因原子核电荷数或电子数目的不同而发生变化。美国化学家Pauling根据光谱数据给出多电子原子的近似能级图,如图1所示。徐光宪先生总结出n+0.7l公式计算能级,n+0.7l值愈大,轨道能级愈高,并把n+0.7l值的第一位数字相同的各能级组合为一组,称为某能级组。原子轨道能级知识在X-射线光电子能谱中的应用掌握了原子的能级知识后,通常随后开始介绍原子的电子组态(electronicconfiguration)及核外电子排布,进而引出元素周期表及元素性质的周期性,但往往忽略了有关原子轨道能级在光电子能谱中的应用。众所周知,每种光谱在实际应用中各自具有不同特点及一定的复杂性,因此难以简单地描述清楚具体的应用。若能取一些较简单的模型,介绍清楚具体原理在一些光谱学中的应用,会使学生更好地理解所学知识,并达到理论联系实际的目的。此部分的教学也是受到MIT《化学原理》国际名校公开课的启发。X-射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectros-copy,PES)是原子内电子跃迁所对应的能量范围。如图2所示,X-射线在光谱中是波长为0.01~10nm的波。光电子能谱即是某能量为Ei的X-射线,当其辐射到某原子时,原子内的电子会被激发出来,并具有一定的动能(kineticenergy,K.E.)。根据能量守恒可推得,Ei=IE+K.E.,其中IE为电子在原子内需要克服的能量,即为电子的原子能级。由于Ei作为初始的源能量,其值固定,而激发出的电子所具有的K.E.可以被观测得到,所以电子的原子能级IE就可以计算得到,是初始源能量与测得的动能的差值,即IE=Ei-K.E.。以Ne原子的X-射线光电子谱图为例,如图3所示。当Ei=1254eV时,可以观察到激发出的电子具有的动能分别为384eV、1206eV和1232eV。因此,可以推断出Ne原子中存在三个原子能级分别为22eV48eV和870eV,也可推测出其分别对应2p、2s和1s能级的能量,由此可以让学生深刻体会到不同能级具有不同的能量。如Ne原子中第一能级组的1s原子能级,由于其距离核近,使得其能量值非常低,因此,要从其1s能级中激发出电子,至少需要870eV的能量;而第二能级组的2s和2p两个能级的能量远高于第一能级组中能级的能量,激发出这两个能级中的电子仅需克服48eV和22eV的能量。当然也明显看到2p上的电子所具有的能量更高,所以激发出2p能级的电子要比激发出2s能级需要的能量少26eV。基于此,可以总结出能量越低的能级的电子越稳定,因此其被激发出来需要的能量也会越多。补充两道练习题。1)试问哪些原子在X-PES的发射光谱中具有五个分立的动能光谱?【分析】经X-PES发射获得五个分立的动能光谱,说明体系应该有五个原子能级,那从最低的能级依次向上,分别为1s,2s,2p,3s,3p,因此可得到具有五个分立的动能光谱的原子应该包含这五个能级,应该包含从3p轨道上只有一个电子的最小核电荷数为13的铝原子,到3p轨道上占满六个电子的最大核电荷数为18的氩原子。【答案】应有1s,2s,2p,3s,3p五个能级,包含六个原子,分别为Al,Si,P,S,Cl,Ar。2)原子序数为72的铪原子,在X-PES发射光谱中能够获得多少条分立的动能谱线?【分析】按照原子的能级顺序,可以获得铪原子的核外电子排布情况:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p64f146s25d2,经分析得出,其具有1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f和5d共计14个原子能级,所以有14条谱线。【答案】有14条谱线。

3结语

教学中培养学生理论联系实际的能力,即运用所学知识解决实际问题的能力,是相当重要的。而对于现今以大班上课、理论授课为主的教学来说,要避免理论知识与实践脱节的问题,最现实可行的办法就是在理论授课过程中,尽可能地引入实际应用的实例。虽然学生仍无法自己动手去亲身体会,但通过更多实例的介绍,也可扩展学生对所学知识的应用的理解。对普通化学原子结构部分的讲解,既要重视对这部分理论知识的讲授,更要注意引入这些抽象知识实际应用的实例。通过对原子能级知识在X-射线光电子能谱中应用的介绍,不但可以让学生对基本理论知识有清晰的理解和认识,还可以让学生认识到如何运用这些知识在实际中解决问题,培养学生养成理论联系实际的思维习惯。

参考文献

[1]朱万强,勾华,李华刚,等.大学化学“原子结构”教学中几个问题的讨论[J].化学通报,2010(10):957-960.

[2]梁爱琴,曲宝涵,宋祖伟,等.“原子结构”入门知识的教学设计[J].广东化工,2014(8):164-165.

[3]邓晓军,李晨,何炜,等.医用基础化学原子结构的教学设计与思考[J].化学教育,2015(24):63-66.

[4]郭晓丽,王澜,魏锐.原子光谱实验的设计及其支持下的原子结构教学[J].化学教育,2016(1):58-62

作者:刘永东 张淑芬 钟儒刚

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