原子核外電子排布規(guī)律

原子核外電子排布規(guī)律1、Pauli不相容原理：每個軌道最多只能容納兩個電子，且自旋相反配對2、能量最低原理：電子盡可能占據能量最低的軌道3、Hund規(guī)則：簡并軌道（能級相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地占據后，才能容納第二個電子另外：等價軌道在全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的，亦即下列電子結構是比較穩(wěn)定的：全充滿---p6或d10或f14半充滿----p3或d5或f7全空-----p0或d0或f0還有少數(shù)元素（如某些原子序數(shù)較大的過渡元素和鑭系、鋼系中的某些元素）的電子排布更為復雜，既不符合鮑林能級圖的排布順序，也不符合全充滿、半充滿及全空的規(guī)律。而這些元素的核外電子排布是由光譜實驗結構得出的，我們應該尊重光譜實驗事實。對于核外電子排布規(guī)律，只要掌握一般規(guī)律，注意少數(shù)例外即可。處于穩(wěn)定狀態(tài)的原子，核外電子將盡可能地按能量最低原理排布，另外，由于電子不可能都擠在一起，它們還要遵守保里不相容原理和洪特規(guī)則，一般而言，在這三條規(guī)則的指導下，可以推導出元素原子的核外電子排布情況，在中學階段要求的前36號元素里，沒有例外的情況發(fā)生。1.最低能量原理電子在原子核外排布時，要盡可能使電子的能量最低。怎樣才能使電子的能量最低呢？比方說，我們站在地面上，不會覺得有什么危險；如果我們站在20層樓的頂上，再往下看時我們心理感到害怕。這是因為物體在越高處具有的勢能越高，物體總有從高處往低處的一種趨勢，就像自由落體一樣，我們從來沒有見過物體會自動從地面上升到空中，物體要從地面到空中，必須要有外加力的作用。電子本身就是一種物質，也具有同樣的性質，即它在一般情況下總想處于一種較為安全（或穩(wěn)定）的一種狀態(tài)（基態(tài)）也就是能量最低時的狀態(tài)。當有外加作用時，電子也是可以吸收能量到能量較高的狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），但是它總有時時刻刻想回到基態(tài)的趨勢。一般來說，離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來越大；同一層中，各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的。這兩種作用的總結果可以得出電子在原子核外排布時遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p2.保里不相容原理我們已經知道，一個電子的運動狀態(tài)要從4個方面來進行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在，這就是保里不相容原理所告訴大家的。根據這個規(guī)則，如果兩個電子處于同一軌道，那么，這兩個電子的自旋方向必定相反。也就是說，每一個軌道中只能容納兩個自旋方向相反的電子。這一點好像我們坐電梯，每個人相當于一個電子，每一個電梯相當于一個軌道，假設電梯足夠小，每一個電梯最多只能同時供兩個人乘坐，而且乘坐時必須一個人頭朝上，另一個人倒立著（為了充分利用空間）。根據保里不相容原理，我們得知：s亞層只有1個軌道，可以容納兩個自旋相反的電子；p亞層有3個軌道，總共可以容納6個電子；f亞層有5個軌道，總共可以容納10個電子。我們還得知：第一電子層（K層）中只有1s亞層，最多容納兩個電子；第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個亞層，總共可以容納8個電子；第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個亞層，總共可以容納18個電子……第n層總共可以容納2n2個電子。3.洪特規(guī)則從光譜實驗結果總結出來的洪特規(guī)則有兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行；洪特規(guī)則的第二個含義是對于同一個電子亞層，當電子排布處于全滿（s2、d10p6、、f14）半滿（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）時比較穩(wěn)定。這類似于我們坐電梯的情況中，要么電梯是空的，要么電梯里都有一個人，要么電梯里都擠滿了兩個人，大家都覺得比較均等，誰也不抱怨誰；如果有的電梯里擠滿了兩個人，而有的電梯里只有一個人，或有的電梯里有一個人，而有的電梯里沒有人，則必然有人產生抱怨情緒，我們稱之為不穩(wěn)定狀態(tài)。二、核外電子排布的方法對于某元素原子的核外電子排布情況，先確定該原子的核外電子數(shù)（即原子序數(shù)、質子數(shù)、核電荷數(shù)）如24號元素鉻，其原子核外總共有24個電子，然后將這24個電子從能量最低的1s亞層依次往能量較高的亞層上排布，只有前面的亞層填滿后，才去填充后面的亞層，每一個亞層上最多能夠排布的電子數(shù)為：s亞層2個，p亞層6個，d亞層10個，f亞層14個。最外層電子到底怎樣排布，還要參考洪特規(guī)則，如24號元素鉻的24個核外電子依次排列為1s22s22p63s23p64s23d4根據洪特規(guī)則，d亞層處于半充滿時較為穩(wěn)定，故其排布式應為：1s22s22p63s23p64s13d5最后，按照人們的習慣“每一個電子層不分隔開來”，改寫成1s22s22p63s23p63d54s1即可。關于化學原子核外電子排布規(guī)律圍繞在原子核外作高速運動的電子，有它特殊的運動狀態(tài)。早在本世紀初，科學實驗已證明了電子是一種質量為9.11X10-28g的微小粒子，證明了電子的運動具有粒子性。但是，以后科學實驗又證明了電子的運動和光、X射線一樣具有波動性（圖1-4）。這就是說，電子的運動具有波粒二象性。電子運動的這種波粒二象性，使它難以用經典物理學的一些基本定律來描述。現(xiàn)代研究核外電子運動狀態(tài)的理論叫做原子波動力學。它是在本世紀20年代末由奧地利物理學家薛定諤等人發(fā)展起來的。它的基本方面是一些復雜的數(shù)學波動方程，叫做薛定諤方程。核外電子的運動正是通過計算薛定諤方程的解來加以描述的。這里，我們只能按照原子波動力學的基本觀點，初步形象地去認識核外電子的運動狀態(tài)，從而再尋找出原子核外電子的排布有著怎樣的規(guī)律。2-1電子云當人造衛(wèi)星環(huán)繞地球旋轉時，我們可以根據一定的數(shù)據計算出它在某一時刻的準確位置，描繪出它的運動軌跡。但是，對于核外電子，我們卻無法準確計算出它在某一時刻的位置，也不能描繪出它的運動軌跡。在描繪核外電子運動時，只能指出它在原子核外空間各處出現(xiàn)機會的多少。電子在核外空間一定范圍內出現(xiàn)，好像是帶負電荷的云霧籠罩在原子核的周圍。可以形象地稱它為“電子云氣核外電子出現(xiàn)機會愈多的區(qū)域，電子云的密度愈大。圖1-5描繪了氫原子處于基態(tài)時的電子云。氫原子核外只有1個電子，圖中的“霧狀"，說明氫原子核外電子在一個球形的空間里作高速運動。圖中表示，黑點密集處是電子出現(xiàn)機會多的地方，黑點稀疏處是電子出現(xiàn)機會少的地方。2-2描述核外電子運動狀態(tài)的四個方面對于原子核外的每一個電子的運動狀態(tài)，都可以從以下四個方面來描述。電子層原子核外的電子可以看作是分層排布的。處于不同層次中的電子，離核的遠近也不同。離核愈近的電子層能級愈低，離核愈遠的電子層能級愈高。通常用n=1、2、3…等數(shù)值來表示電子層離核的遠近。n=1，即表示離核最近的電子層，其中的電子能量最小。n=2，即表示為第二電子層。有時也用K、L、M、N、O等分別表示1、2、3、4、5等電子層。我們描述核外電子運動狀態(tài)時，首先就應描述它處于哪一個電子層。電子亞層和電子云的形狀即使在同一電子層中的電子，能量也常有差別，它們電子云的形狀也不相同。所以每一個電子層，又可以分作幾個電子亞層，分別用s、p、d、f等符號來表示。第1電子層或K層中只包含一個亞層，即s亞層；第2電子層或L層中包含兩個亞層，即s和p亞層；在M電子層中包含有三個電子亞層，即s、p、d亞層；在N電子層中，包含著四個電子亞層，即s、p、d、f亞層。不同亞層的電子云形狀也不相同，圖1-6是s、p兩個亞層的電子云示意圖。從圖中可以看出，s電子云是球形的，p電子云是紡錘形的，d電子云和f電子云的形狀較復雜，這里不作介紹。電子云的伸展方向電子云不僅有確定的形狀，而且有一定的伸展方向。s電子云是球形對稱的，在空間各個方向上伸展的程度相同。p電子云如圖1-7所示，在空間可以有三種互相垂直的伸展方向。d電子云可以有五種伸展方向，f電子云可以有七種伸展方向。如果把在一定電子層上，具有一定形狀和伸展方向的電子云所占據的空間稱為一個軌道，那么s、p、d、f四個亞層就分別有1、3、5、7個軌道。這樣，各電子層可能有的最多軌道數(shù)如下：電子層(n)亞層軌道數(shù)n=1s1=12n=2s、p1+3=4=22n=3s、p、d1+3+5=9=32n=4s、p、d、f1+3+5+7=16=42nn2每個電子層可能有的最多軌道數(shù)應為n2。電子的自旋電子不僅在核外空間不停地運動，而且還作自旋運動。電子自旋有兩種狀態(tài)，相當于順時針和逆時針兩種方向。常用向上箭頭“"'和向下箭頭“I”來表示不同的自旋狀態(tài)。綜上所述，可見電子在原子核外的運動狀態(tài)是相當復雜的，必須通過它所處的電子層、電子亞層、電子云的空間伸展方向和自旋狀態(tài)四個方面來描述。前三個方面跟電子在核外空間的位置有關，體現(xiàn)了電子在核外空間的運動狀態(tài)，確定了電子的軌道。因此，當我們要說明一個電子的運動狀態(tài)時，必須同時指明它處于什么軌道和哪一種自旋狀態(tài)。2-3核外電子的排布規(guī)律我們知道了如何描述核外電子的運動狀態(tài)?，F(xiàn)在可以進一步討論原子核外電子的排布規(guī)律。核外電子的排布，遵循以下三條規(guī)律。泡利不相容原理在同一個原子里，不存在四個方面的運動狀態(tài)完全相同的電子。這是由奧地利物理學家泡利首先提出來的，所以叫泡利不相容原理。根據這個原理，可以推算出各個電子層可以容納的最多電子數(shù)。每個電子層可能有的軌道數(shù)最多為n2。而每個軌道又至多能容納2個電子，所以每個電子層能容納的電子總數(shù)就是2n2。表1-1列出了第1到4電子層可容納的電子數(shù)。能量最低原理在核外電子排布中，電子總是盡量最先占有能量最低的軌道，只有能量最低的軌道被占滿后，電子才能依次占有能量較高的軌道，這就是所謂能量最低原理。圖1-8是多電子原子中電子的近似能級圖。由圖1-8可以看到，從第三電子層起就有能級交錯現(xiàn)象。例如，3d電子的能量似乎應該低于4s，而實際上是E3d〉E4s。按照能量最低原理，電子在進入核外電子層時，不是排完了3p就排3d，而是先排4s，排完了4s才排3d。應用多電子原子中電子的近似能級圖，并根據能量最低原理，就可以確定電子排入各軌道的次序，如圖1-9所示。洪特規(guī)則洪特規(guī)則是指在同一亞層中的各個軌道上，如3個p軌道、或5個d軌道，或7個f軌道上的電子排布，傾向于盡可能分占不同的軌道，而且它們的自旋方