如何求价电子

在化学中，“价电子”是指位于元素最外层电子层中的电子。知道如何求出特定原子中的价电子数对化学家来说是一项重要的技能，因为这些信息决定了它可以形成的化学键的种类，从而决定了元素的活泼性。幸运的是，你只需要一张标准的元素周期表就能求出元素的价电子。

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用元素周期表求出价电子

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非过渡金属

找一张元素周期表。这是一张用颜色编码的表格，由许多不同的方块组成，列出了人类已知的所有化学元素。元素周期表揭示了关于元素的许多信息——我们将使用其中的一些信息来确定我们所研究的原子中的价电子数。你通常可以在化学课本的封面里找到元素周期表。这里还有一个非常好的在线交互式表格。^{[1]X研究来源}
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在元素周期表的每一列标上1到18。一般来说，在元素周期表上，在一个垂直列中的所有元素，其价电子数是相同的。如果你的元素周期表中的每一列还没有编号，给每一列进行编号，最左端以1开头，最右端以18开头。在科学术语中，这些列称为元素“族”。^{[2]X研究来源}
- 例如，如果我们使用的元素周期表上没有编号，可以在氢（H）上面写1，在铍（Be）上面写2，以此类推，最后在氦（He）上面写18。
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在周期表上找到元素。现在，在元素周期表上找到你想要求出价电子的元素。你可以用它的化学符号（每个框内的字母），原子序号（每个方框左上角的数字），或者周期表上你可以用到的任何其他信息来找到这个元素。
- 例如，求出一个常见元素的价电子：碳（C）。这个元素的原子序数是6。它位于14族的顶端。下一步，我们会找到它的价电子。
- 在本小节中，我们将忽略“过渡金属”，这些元素位于由3到12“族”组成的矩形框内。这些元素与其他元素有一点不同，因此本小节中的步骤不适用于它们。在下面的小节中可以查看如何处理这类元素。
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用基团数来确定价电子数。非过渡金属的基团数可用来确定该元素原子中的价电子数。基团的位数是这些元素的一个原子中的价电子数。换句话说：
- 族1: 1个价电子
- 族2: 2个价电子
- 族13: 3个价电子
- 族14: 4个价电子
- 族15: 5个价电子
- 族16: 6个价电子
- 族17: 7个价电子
- 族18: 8个价电子（除了氦，它只有2个价电子）
- 在本例中，由于碳在14族，所以一个碳原子有4个价电子。
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过渡金属

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从3到12族中找出一个元素。如上所述，第3至12族的元素被称为“过渡金属”，当涉及价电子时，它们与其他元素有所不同。在本节中，我们将解释，在某种程度上，通常是不可能把价电子分配给这些原子的。
- 举例来说，比如73号元素钽（Ta）。在接下来的几个步骤中，我们将求出它的价电子（或者，至少尝试去求出）。
- 注意，过渡金属包括镧系和锕系元素（也称为“稀土金属”）——这两行元素通常位于表中其他以镧系和锕系开头的元素之下。这些元素都属于元素周期表中的第3族。
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过渡金属没有“传统意义上”的价电子。要理解过渡金属和周期表上的其他金属元素“机制“不同，需要对原子中电子的运动方式进行一点解释。请参阅下面的快速浏览或跳过这一步，直接查看问题的答案。
- 当电子被加入到原子中时，它们被分成不同的“轨道”—基本上是原子核周围电子聚集的不同区域。一般来说，价电子是最外层的电子—换句话说，也就是最后加入的电子。
- 原因有点复杂，无法在本文中解释，当电子被添加到过渡金属元素最外面的d层时（更多内容见下文），第一个进入这一层的价电子通常和正常的价电子一样，但在那之后的价电子就不一样了，并且其他轨道层的电子有时也充当价电子。这意味着一个原子可以有多个价电子，这取决于这个原子是如何处理的。
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根据基团数确定价电子数。同样，你可以通过元素的族数来知道它的价电子。不过，对于过渡金属，没有可以遵循的模式—基团数通常对应一定范围内的价电子数。包括：
- 族3: 3个价电子
- 族4: 2-4个价电子
- 族5: 2-5个价电子
- 族6: 2-6个价电子
- 族7: 2-7个价电子
- 族8: 2-3个价电子
- 族9: 2-3个价电子
- 族10: 2-3个价电子
- 族11: 1-2个价电子
- 族12: 2个价电子
- 在本例中，由于钽在第5族，因此它有2到5个价电子，具体看情况。
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找到具有电子排布的价电子

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学习如何查看电子排布。另一种找到元素价电子的方法是电子排布。乍一看可能很复杂，但它们只是用字母和数字来表示原子中的电子轨道，当你掌握如何查看后，就很简单了。
- 让我们来看一个钠元素（Na）的电子排布示例：
  1s²2s²2p⁶3s¹
- 注意这个电子排布是一段重复的字符串，就像这样：
  (数字)(字母)^{(上标数字)}(数字)(字母)^{(上标数字)}...
- ...以此类推。(数字)(字母)部分是电子轨道的名字，^{(上标数字)}是那个轨道上的电子数—就是这样！
- 在本例中，钠在1s轨道上有2个电子，在2s轨道上有2个电子，在2p轨道上有6个电子，并且3s轨道上有1个电子。总共有11个电子—钠是第11号元素，所以这样就对了。
- 记住，每个子层都有一定的电子容量。它们的电子容量如下：
  - s：最多容纳2个电子
  - p：最多容纳6个电子
  - d：最多容纳10个电子
  - f：最多容纳14个电子
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找出你所研究的元素的电子排布。当你知道一个元素的电子排布后，求出它的价电子数就很简单了（当然，过渡金属除外）。如果你从一开始就知道了电子排布，可以跳到下一步。如果你需要自己找出电子排布，请看下面：
- 查看第118号元素，oganesson（Og）的完整电子排布，它是元素周期表上的最后一个元素。它的电子数在所有元素当中是最多的，所以它的电子排布包含了你在其他元素中可能遇到的所有情况：
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶
- 现在你有了这个电子排布，所要做的就是找到另一个原子的电子排布，从头开始填入这个模式，直到用完所有电子。具体操作起来会更容易。例如，如果我们要画出第17号元素氯（Cl）的轨道图，它有17个电子，方法如下：
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
- 注意，电子数加起来是17：2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17。你只需要更改最后一个轨道的编号即可—剩下的都是一样的，因为最后一个轨道之前的轨道都是满的。
- 有关电子排布的更多信息，也可以参阅这篇文章。
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利用“八隅规则”将电子分配到轨道层。当电子被加入到原子中时，它们会根据上述规则，进入不同的轨道—前两个进入1s轨道，后两个进入2s轨道，后六个进入2p轨道，以此类推。当我们处理过渡金属以外的原子时，这些轨道在原子核周围形成了“轨道层”，每一个层都比上一层更远。除了第一层只能容纳两个电子之外，每一层可以有八个电子（同样，除了过渡金属。）这就是八隅规则。
- 举个例子，硼（B）元素，由于它的原子数是5，我们知道它有5个电子，它的电子排布是这样的：1s²2s²2p¹。因为第一层轨道只有两个电子，我们知道硼有两个层：一层有两个1s电子，另一层有三个2s和2p轨道的电子。
- 再比如，氯（1s²2s²2p⁶3s²3p⁵）有三个轨道层：一层有两个1s电子，一层有两个2s电子和六个2p电子，另一层有两个3s电子和五个3p电子。
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求出最外层的电子数。既然你知道了元素的电子层，找到价电子就很容易了：只要用最外层的电子数就行了。如果最外层是满的（换句话说，如果它有8个电子，或者第一层是2个），元素是惰性的，不容易与其他元素反应。不过同样的，这些规则并不完全适用于过渡金属。
- 比如说硼，因为在第二层有三个电子，我们可以说硼有3个价电子。
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使用周期表的行作为轨道层的快捷方式。元素周期表的水平行称为元素“周期”。从表的顶部开始，每个周期对应于该周期中原子拥有的电子层数。你可以用它作为确定一个元素有多少价电子的捷径—只要从它周期的左边开始数电子数就可以了。同样的，过渡金属不能用这种方法，也就是3-12族的元素。
- 例如，我们知道元素硒有四个轨道层，因为它在第四周期。由于它是第四个周期中从左边开始的第6个元素（忽略过渡金属），我们知道最外层的第四层有6个电子，因此，硒有6个价电子。
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小提示

注意，电子排布可以通过使用惰性气体（第18族的元素）速记，从而代替轨道。例如，钠的电子排布可以写成[Ne]3s1—本质上，它和氖一样，只是3s轨道上多了一个电子。
过渡金属可能有未被完全填满的价亚层。确定过渡金属的具体价电子数涉及到量子理论原理，超出了本文的范围。
请注意，元素周期表因国而异。因此，确保使用的是正确、最新的周期表，以避免混淆。
为了找到价电子，一定要知道什么时候对最后一个轨道进行加或减。