More on orbitals and electron configuration

More intuition on orbitals. Touching on electron configuration.

在前幾個視頻中, 我們學到了,

一個原子中的電子並不是

按照簡單, 古典的牛頓式軌道排列的,

亦即電子的波爾模型.

我會不斷複習這個觀念,

只因為, 我認為它是個非常重要的一點.

如果那是原子核, 記住, 它只是一個非常非常微小的點,

假使你考慮實際原子的總體積的話.

電子並非在圍繞著原子核的軌道上,

那會像是行星如何繞著太陽運行,

電子不在圍繞著原子核的軌道上, 而是藉由軌跡來描述它,

亦即這些概率密度函數.

所以, 一個軌跡 ---- 姑且說那是原子核 ---- 會描述的

---- 如果你拿在原子核周圍空間的任一點來看 ----

是找到電子的概率.

所以, 實際上, 在原子核周圍的任一空間體積裡,

它會告訴你

在那體積內找到電子的概率.

所以, 倘若你要給 ---- 就說在1s軌跡內的 ---- 電子

拍一連串的快照,

那是1s軌跡長的樣子.

你幾乎無法看到它在那兒, 但它是一個圍繞原子核的球,

而那就是電子可以存在的最低能態.

如果你只想拍幾張電子的快照, ----

比方說你要拍幾張氦(He)的快照,

氦(He)有兩個電子,

都在1s軌跡內.

看起來會像這樣.

照一張快照, 可能電子會在那裡,

下一張快照嘛, 可能電子在那裡.

然後, 電子在那裡.

在那裡.

然後, 在那裡.

如果, 你持續地拍快照下去,

你會得到一大串互相很接近的點.

而當你向外越來越遠離原子核時,

點會變得較為稀疏些.

但正如你所見, 你在

靠近原子中心之處找到電子比在外圍更有可能.

雖然, 你也許已經觀察到電子

老遠坐在那裡, 或坐在這裡.

所以, 它真的可以在任何地方出現,

但如果你多做觀察,

你就會瞭解到概率函數所描述的是什麼.

它說的正是, 看, 在外頭這個小立方體的空間中

找到電子的概率

比在這小立方體的空間中遠來得低.

而當你看到這些將這軌跡畫成這樣的圖時,

---- 打個比方, 它被畫成像一個球殼, 像一個球體.

我試著讓它看起來是三維的 ----

比方說這是它的外部, 而原子核

就坐在內部的某個地方.

他們問的是 ---- 只是要畫一條分割線 ----

在哪兒我有90%的時間能夠找到電子?

因此他們說, 好吧,

假設我要畫個橫截圖,.

我可以在這個圓圈裡有90%的時間能夠找到電子.

但是, 偶爾, 電子還是會在圓圈外面出現, 對吧?

因為這都是概率性的.

所以, 這仍然可以發生.

如果, 這是我們說的在外頭這兒的軌跡,

你仍然可以找到電子.

對不對?

然後, 在上一個視頻中, 我們說, 好吧,

電子從最低能態向高能態

填滿軌跡.

你不妨想像一下.

如果, 我玩俄羅斯方塊 ---- 嗯, 我不知道俄羅斯方塊在此是否切題

---- 但如果我堆立方體的話, 我會把立方體從低能態擺起,

假使這是地面的話, 我會把第一個立方體放在最低的能態,

然後, 比如說我可以把第二個立方體放在這裡的低能態.

但是, 我只有這麼點地方可周旋.

所以, 我必須將第三個立方體放到下一個較高能態上.

在此例中, 我們將能量描述

為位能, 對吧?

這只是一個古典的, 牛頓物理學的例子.

但是, 電子和這是同一個道理.

一旦在1s軌跡上有兩個電子 ----

且說, 氦(He)的電子排列是1s2 ----

那麼第三個電子就不能再放在那裡了,

因為那裡只夠裝兩個電子.

我的思考邏輯是這兩個電子

現在會排斥我打算加進去的第三個電子.

所以, 我必須挪到2s軌跡.

現在, 倘若我要在這一個的上面畫出2s軌跡,

它會看起來像這樣,

我在這本質上是圍繞著1s軌跡的殼內

找到電子的可能性算高, 對吧?

現在, 或許我要來處理鋰(Li) ----

所以, 我只有一個額外的電子,

那麼這個額外的電子, ---- 那可能是

我觀察到那個額外電子的地方.

但是偶爾它會在那裡出現,

或者在那裡出現, 或者還在那裡出現,

但是可能性高的是在那裡.

所以, 當你問有90%的時間它會在哪兒呢?

它會像圍繞著中心的這層殼.

記住, 當它是三維的時候,

你會多少把它遮蓋起來.

它會是這層殼.

就是畫在這裡的.

由1s軌跡出發.

就是一層紅色的殼.

再來是2s.

第二層能殼就是蓋在它上面的這個藍殼.

其實, 你可以在更高的能軌, 更高的能殼,

看得更清楚些,

第七層s能殼是這紅色的區域.

往內是藍區, 然後紅區, 再來是藍區.

我想, 你有了那些區域每一個都是能殼的概念.

所以, 你彷彿持續地把s能殼相互包裹著.

但是, 你可能看到了這邊的其他東西.

它的普遍原則, 記住, 是

電子從最低能軌向高能軌

依次填滿.

所以, 最先填滿的是1s.

這是1.

這是s.

這就是1s.

它能夠容納兩個電子.

然後, 下一個被填滿的是2s.

它可以再裝下兩個電子.

然後, 下一個, 這是它變得有趣的地方,

你填滿2p軌跡.

那就是這, 就在這裡.

2p軌跡.

注意到p軌跡有個東西, p下標z, p下標x, p下標y.

那是什麼意思?

嗯, 如果你看一下p軌跡, 他們有這些啞鈴形狀.

他們看起來有點不自然, 但我想在未來的視頻中

我們將向你展示他們是如何的類似於駐波.

但如果你看這些圖, 總共有三種

可以排列這些啞鈴的方式.

一個在 z 方向上, 向上和向下.

一個在 x 方向上, 向左或向右.

還有一個在y方向上, 這邊,

向前和向後, 不是嗎?

所以, 如果你要畫 ----

比如你要畫p軌跡.

這就是你下一步要填的.

而實際上, 你在這裡填一個電子,

這裡填另一個, 然後, 那裡填另一個.

然後, 再填一個,

我們以後將討論自旋還有類似的東西.

但是, 那裡, 那裡, 和那裡.

實際上, 那叫做洪特規則.

也許我會做一整個視頻來專講洪特規則,

但是, 那和第一年的化學課無關.

總之, 它是按照那個順序來填, 再一次地,

我要你對這個是啥模樣能有個直觀.

看.

我應該把看這個字放在引號內,

因為它是很抽象的.

但如果你要想像一下p軌跡,

---- 比如我們正在看, 這麼說好了,

碳(C), 的電子排列.

因此, 碳(C)的電子排列,

頭兩個電子被填入1s1, 1s2.

於是它填了 ---- 不好意思, 你沒法看見全部 ----

於是它填了1s2, 碳(C)的(電子)排列 ----

它先填1s1, 然後 1s2.

而這只是氦(He)的(電子)排列.

然後, 就到第二層殼,

也就是第二週期, 對吧?

那就是為什麼它叫做週期表.

以後, 我們會討論週期和族.

然後, 你來這裡.

填2s軌跡.

我們在這兒的第二週期內.

那是第二週期.

一, 二.

我必須寫在週期表外, 這樣你才能看見全部.

所以, 填了這兩個.

亦即2s2.

然後, 開始填p軌跡.

因此, 先填上第一個p, 接著是第二個p.

因我們還在第二層殼上, 所以2s2, 2p2.

所以, 問題是如果我們只打算摹想在這兒的這個軌跡,

這看起來會是什麼樣?

就這p軌跡.

如此這般, 我們有兩個電子.

所以, 一個電子將會在一個 ---- 比如說這是 ----

我會試著畫一些軸.

那根太細.

因此, 如果我畫一個三維的

體積類的軸.

如果我要, 這麼說好了, 對於

p軌跡內電子中的一個進行一連串的觀察,

姑且說是在p下標z的方向,

它有時會在這,

有時會在那, 有時會在那.

之後, 如果你持續做一連串的觀察,

你會得到一個看似這個鈴的形狀的東西,

就在這兒的這個啞鈴形狀.

然後, 對於可能在 x 方向的另一個電子,

你做了一連串的觀察.

讓我用一個不同, 明顯地不同, 的顏色來畫,

它會像這樣.

在你進行了一連串的觀察之後, 你說,

哇, 在一種啞鈴形狀, 在那個啞鈴形狀內找到那個電子

會大有可能

但是, 你可能在外頭那兒找到它.

你可能在那兒找到它.

你也可能在那兒找到它.

只是, 在裡面這兒比在外面這兒

找到它的可能性要高.

而那是我能想到的描摹它的最佳方法.

現在, 我們在這兒做的,

就叫做電子排列.

而做法是 ----

化學課教的電子排列的方式有許多種, ----

但是, 我喜歡的做法是

你拿著週期表, 然後說, 這些族

我說的族就是直行.

這些要去填s次殼或s軌跡.

你可以就在上頭這兒寫S, 就在那兒.

在這兒的這些將要去填p軌跡.

---- 事實上, 讓我把氦(He)除外 ----.

p軌跡.

讓我來,

讓我把氦(He)除外.

這些將要填入p軌跡.

實際上, 為了弄懂這些,

你應該拿起氦(He), 然後把它丟到那裡.

不是嗎?

週期表只是一種組織東西的方式,

使它因而有道理, 但是針對嘗試去弄明白軌跡來說,

你可以把氦(He) ----

且讓我來做.

(這是)電腦的魔力 ----

剪下來, 然後讓我把它貼到那邊.

對嗎?

這時你看到, 氦(He), 填了1s, 然後2s,

所以, 氦(He)的(電子)排列 ----

抱歉, 是1s1, 然後1s2.

我們在第一層能殼內.

對吧？

所以, 氫(H)的(電子)排列是1s1.

在第一能殼的s次殼內只有一個電子.

氦(He)的(電子)排列是1s2.

然後, 你開始填第二層能殼.

鋰(Li)的(電子)排列是1s2 ----

那是最初兩個電子的去處.

然後, 第三個進入2s1, 對吧?

我想你開始看出模式了.

當你做到氮(N)時, 你說,

好吧, 它有三個(電子)在p次軌內.

因此, 你幾乎能往回填, 對吧?

我們在第二週期內, 對吧?

所以, 這是2p3.

讓我把它寫下來.

所以, 我能先寫下2p3.

那是在p軌跡內那最後的三個電子.

這兩個則在2s軌跡內.

而最初那兩個, 或在最低能態的電子,

將會是1s2.

所以, 在這兒的這個就是氮(N)的電子排列.

為了確保你做的(電子)排列是正確的,

你要數一下電子的數目.

所以, 二加二是四, 再加三就等於七.

我們討論的是中性原子,

所以, 電子數和質子數要相等.

原子序是質子數.

所以, 我們做對了.

七個質子.

因此, 這是 ---- 截至目前為止, 我們只處理s和p軌跡 ----

這是很直截了當的.

假使我要搞清楚矽(Si)的(電子)排列,

就在這邊, 那會是什麼?

嗯, 我們在第三週期內.

一, 二, 三.

那只是第三排.

這裡是P段.

所以, 這是P段內的第二排, 是吧?

一, 二, 三, 四, 五, 六.

對.

我們在P段內的第二排,

所以, 我們從3p2開始.

接著是3s2..

然後, 它填滿這兒的全部的P段.

也就是說2p6.

再來在這兒, 2s2.

當然, 在它填滿這些其他層殼以前,

它會先填滿第一層殼.

就是1s2.

所以, 這是矽(Si)的(電子)排列.

我們可以驗證是否有十四個電子.

二加二是四, 再加六是十.

十加二是十二, 再加二就等於十四.

所以, 我們把矽(Si)搞定了.

我想現在時間又不夠了,

因此, 在下個視頻中, 我們將開始論及

當你碰到這些元素, 或D段, 時, 會發生什麼事?

你已經可以大約猜到會發生什麼.

我們將要填滿在這兒

有著更古怪形狀的這些d軌跡.

而我思考這的方式 ---- 不浪費太多時間 ----

是當你走離原子核越來越遠,

較低能軌之間有較多空間

來填入更多這種奇形怪狀的軌跡.

但這些彷彿是種平衡 ----

我將來會談論到駐波 ----

但這些是兩者之間的平衡,

就是企圖要靠近原子核

及那些帶正電荷的質子,

因為電子的電荷被它們吸引,

而同時卻逃避其他電子的電荷,

或至少是它們的質量分怖函數.

無論如何, 我們下個視頻見.