2.2 · 原子结构练习题 · Atomic Structure

葡萄干布丁模型里，正电荷均匀地分布在整个原子中，α 粒子穿过时受到的斥力很小，最多偏转一点点，不可能被弹回。少数 α 粒子被弹回，说明正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上，卢瑟福据此提出了核式结构模型。其他三项都能用葡萄干布丁模型解释：原子中有带负电的电子（射线向正极板偏转），正、负电荷总数相等（原子不显电性），各种原子中都有同一种电子（比荷相同）。

先把波长换成米：450 nm = 450 × 10⁻⁹ m。

忘了把 nm 换成 m，会差 10⁹ 倍。

1 mol 光子有 $N_A$ 个：$4.42 \times 10^{-19}\ \text{J} \times 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} = 2.66 \times 10^{5}$ J/mol，约 266 kJ/mol。这和许多化学键的键能（几百 kJ/mol）相当，所以可见光和紫外光能引发一些化学反应。

电子可以一步回到 n = 1，也可以分几步回来，每一对能级之间的跃迁放出一种波长的光：4 → 3、4 → 2、4 → 1、3 → 2、3 → 1、2 → 1，共 6 种（4 × 3 ÷ 2）。其中落到 n = 2 的 4 → 2（486.3 nm）和 3 → 2（656.5 nm）在可见光区；落到 n = 1 的三条在紫外区，4 → 3 在红外区。

放出的能量等于两个能级之差：

这是可见光中的蓝紫色线，和实测的巴耳末线 434.0 nm 一致。

第 4 能层有 4 个能级：4s、4p、4d、4f，分别有 1、3、5、7 个轨道，共 1 + 3 + 5 + 7 = 16 个，也就是 n² 个。每个轨道最多容纳 2 个电子，所以这一层最多 32 个电子（2n²）。

Co 原子是 [Ar]3d⁷4s²。形成阳离子时，先失去能层最高（n 最大）的 4s 电子，而不是最后填进去的 3d 电子，所以 $\ce{Co^2+}$ 是 [Ar]3d⁷。[Ar]3d⁵4s² 是错误地先拿走了 3d 电子。

Cr 是特例：[Ar]3d⁵4s¹，而不是 3d⁴4s²。3d 能级有 5 个轨道，5 个电子按洪特规则各占一个轨道、自旋相同；4s 上还有 1 个。共 5 + 1 = 6 个未成对电子。3d⁵（半充满）和 4s¹ 的组合能量更低。

离子的电子数 = 原子序数 − 电荷数，再看它是不是稀有气体的电子数（2、10、18、36……）。$\ce{Al^3+}$：13 − 3 = 10，和 Ne 相同；$\ce{Zn^2+}$：30 − 2 = 28，[Ar]3d¹⁰，不是；$\ce{Sc^3+}$：21 − 3 = 18，和 Ar 相同；$\ce{Fe^2+}$：26 − 2 = 24，[Ar]3d⁶，不是；$\ce{Se^2-}$：34 + 2 = 36，和 Kr 相同。过渡金属离子失去的是 4s 电子，3d 电子还留着，所以 $\ce{Zn^2+}$、$\ce{Fe^2+}$ 不是稀有气体的电子排布。

焰色试验检验的是元素，黄色说明一定含钠元素，但看不出是哪种钠的化合物，也说明不了有没有氯。钠的黄光很强，会掩盖钾的紫色，要透过蓝色钴玻璃滤去黄光才能看出是否有钾，所以只能说可能含钾。