高中原子結構教學中幾個概念的深入認識

劉鵬　張洪違

摘 要?本文筆者對“原子結構”有關的幾個相關概念進行了詳細闡述，有助于讀者對微觀粒子有關的概念深入理解，避免教學中進入誤區，對于教師的教學具有一定的指導價值，也可以作為學生學習的課后延伸。

關鍵詞?原子結構;電子自旋;電子云;原子軌道;構造原理金屬性

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

物質結構是一門理論性比較強的學科，它與其它學科一樣來源于實踐，來源于對實驗現象的分析、思考，且要用實踐來檢驗其結論是否正確。由于它的研究對象是微觀質點的運動規律，與宏觀運動有質的差異，又有密切聯系，因此學習中學生往往會感到虛無縹緲，產生錯誤的認識。教學中教師要對微觀粒子有關的概念深入理解，才能在教學中對學生進行正確的指導。筆者選取了在“原子結構”教學中容易產生錯誤認識的幾個概念進行討論。

一、電子自旋非自旋

為了解釋實驗發現的光譜雙線結構問題，1925年G.Uhlenbeck和S.Goudsmit提出電子具有不依賴于軌道運動的、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，他們把這個內在的固有角動量形象化地用電子的“自旋”運動來描述，于是電子自旋的概念由此產生。電子自旋可以認為是電子固有的特性，它可能順著軌道運動產生的磁場取向，也可能逆著這個磁場而取向。可見，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的字眼。由于電子是微觀粒子，因此電子自旋是無法用經典概念所能描述的，它是一種量子化運動，通常要用相對論量子力學才能解釋。一個電子繞其一個軸旋轉（自旋）的圖象不能反映物理的真實性，所以不應該用“地球的自轉”這樣宏觀的模式去摸擬微觀世界電子的行為。“順時針和逆時針兩種狀態”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或兩種取向的“用語”。

二、電子云非電子

在教學中，很多教師對于電子云的概念也比較模糊，認為所謂電子云就是電子以高速繞核運動，就好像在原子核周圍籠罩上了一層帶負電荷的云，所以把它稱為電子云。這種錯誤理解，必然會對學生的進一步深入學習造成困難。

對于微觀物體的運動，根據“測不準原理”，量子力學給出了這兩個量無法同時準確測定的結果，所以像電子這類微觀粒子運動時的軌跡就無法描出。研究電子運動，不是研究它的運動過程，而是研究它的在空間某處出現的幾率或幾率密度。在核外運動著的電子，決不會成云，所以把電子的運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，而只是電子行為統計結果的一種形象表示。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

學生剛接觸到原子軌道的概念時，很容易聯想到宏觀物體運動時的軌跡，不自覺地會想到電子也像人造地球衛星繞地球旋轉那樣，處于一定的軌道上作圓周運動。原子軌道是描述基態原子中核外電子的運動狀態的數學函數，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。在經典力學中，對于宏觀物體，它的運動軌道就等于軌跡，進入原子結構的舊量子論以后，玻爾首先提出原子軌道的問題，他把原子軌道與運動狀態聯系了起來，玻爾用的是經典力學，到量子力學后，電子的運動狀態用波函數描寫，但是基于習慣，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動狀態除了有一定的概率分布以外，還有一定的其它物理性質，而電子云只是電子在空間出現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電子的意義已經不是宏觀經典軌道，也不是玻爾的量子軌道，而是具有波粒二象性的電子運動狀態方便而簡明的一種表示方法。

四、構造原理非原理

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。根據光譜實驗數據發現了諸多元素的基態原子的核外電子排布方式，然后再用相關理論去解釋的過程中發現了構造原理。因此，在教學中我們應該首先引導學生承認實驗事實，不能拿事實去適應原理。與任何原理一樣，構造原理也具有相對的近似意義，尚需要發展。

其實，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入各個能級的，只不過光譜實驗的事實告訴人們哪樣的核外電子排布更加穩定（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生的引力和核外電子之間因電荷相同產生的斥力構成了一個相對的統一體，這個統一體在基態時趨于最低能態的排列方式。換句話說，4s軌道與3d軌道的能量哪個低，是動態可變的，與核電荷數、電子數、電子所處的狀態有關。第四周期，K和Ca的3d軌道能量大于4s，但是根據1986年徐光憲教授帶領他的團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仍是先填充4s軌道。這就能解釋為什么填充電子時按構造原理，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，離子與原子的計算方式也不相同。

雖然高等學校教材利用“能級交錯”“屏蔽效應”“貫穿效應”對構造原理進行了解釋，但是筆者認為，在高中教學中我們不能無謂地給學生增加負擔，應按照課程標準要求進行教學。

五、金屬性非金屬活動性

中學教材中沒有給出元素的金屬性的具體概念，在大學化學中對此有明確的說明：元素的金屬性通常被認為是元素的性質之一，描述的是元素氣態基態原子失去電子變成氣態陽離子趨勢的大小。電離能可以比較元素金屬性的強弱，這是因為利用電離能可以定性比較氣態基態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。電離能的數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型。

金屬活動性的強弱通常被認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弱。金屬的活動性以金屬的標準電極電位為依據，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生氧化反應的難易。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。金屬晶體要經過三個過程才能轉化成水合離子（如圖1），它們分別是：1.金屬原子轉變為氣態金屬原子，這個過程需要克服金屬鍵（即金屬的原子化熱或升華能）;2.金屬氣態原子變成氣態離子失去電子的過程（電離能 I ）;3.金屬氣態離子變為水合離子的過程（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為電極反應的焓變。

從波恩—哈伯循環圖示可看出△H=a+b+c，因此，電離能只是電極反應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，可以發現金屬活動性與金屬性不同，教學中教師一定要避免把它們混淆使用。受學生知識水平限制，中學教材一些有化學概念具有一定的局限性。因此，在課堂用語、處理教材、教學設計時要注意語言的科學性，防止學生在高中化學的學習中混淆概念以至于形成錯誤的概念。

參考文獻：

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