原子核外电子排布规律

原子核外电子排布规律1、Pauli不相容原理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反配对2、能量最低原理：电子尽可能占据能量最低的轨道3、Hund规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子另外：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，亦即下列电子结构是比较稳定的：全充满---p6或d10或f14半充满----p3或d5或f7全空-----p0或d0或f0还有少数元素（如某些原子序数较大的过渡元素和镧系、钢系中的某些元素）的电子排布更为复杂，既不符合鲍林能级图的排布顺序，也不符合全充满、半充满及全空的规律。而这些元素的核外电子排布是由光谱实验结构得出的，我们应该尊重光谱实验事实。对于核外电子排布规律，只要掌握一般规律，注意少数例外即可。处于稳定状态的原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理排布，另外，由于电子不可能都挤在一起，它们还要遵守保里不相容原理和洪特规则，一般而言，在这三条规则的指导下，可以推导出元素原子的核外电子排布情况，在中学阶段要求的前36号元素里，没有例外的情况发生。1.最低能量原理电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全（或稳定）的一种状态（基态）也就是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p2.保里不相容原理我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是保里不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足够小，每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据保里不相容原理，我们得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；f亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层（K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n2个电子。3.洪特规则从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于全满（s2、d10p6、、f14）半满（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。这类似于我们坐电梯的情况中，要么电梯是空的，要么电梯里都有一个人，要么电梯里都挤满了两个人，大家都觉得比较均等，谁也不抱怨谁；如果有的电梯里挤满了两个人，而有的电梯里只有一个人，或有的电梯里有一个人，而有的电梯里没有人，则必然有人产生抱怨情绪，我们称之为不稳定状态。二、核外电子排布的方法对于某元素原子的核外电子排布情况，先确定该原子的核外电子数（即原子序数、质子数、核电荷数）如24号元素铬，其原子核外总共有24个电子，然后将这24个电子从能量最低的1s亚层依次往能量较高的亚层上排布，只有前面的亚层填满后，才去填充后面的亚层，每一个亚层上最多能够排布的电子数为：s亚层2个，p亚层6个，d亚层10个，f亚层14个。最外层电子到底怎样排布，还要参考洪特规则，如24号元素铬的24个核外电子依次排列为1s22s22p63s23p64s23d4根据洪特规则，d亚层处于半充满时较为稳定，故其排布式应为：1s22s22p63s23p64s13d5最后，按照人们的习惯“每一个电子层不分隔开来”，改写成1s22s22p63s23p63d54s1即可。关于化学原子核外电子排布规律围绕在原子核外作高速运动的电子，有它特殊的运动状态。早在本世纪初，科学实验已证明了电子是一种质量为9.11X10-28g的微小粒子，证明了电子的运动具有粒子性。但是，以后科学实验又证明了电子的运动和光、X射线一样具有波动性（图1-4）。这就是说，电子的运动具有波粒二象性。电子运动的这种波粒二象性，使它难以用经典物理学的一些基本定律来描述。现代研究核外电子运动状态的理论叫做原子波动力学。它是在本世纪20年代末由奥地利物理学家薛定谔等人发展起来的。它的基本方面是一些复杂的数学波动方程，叫做薛定谔方程。核外电子的运动正是通过计算薛定谔方程的解来加以描述的。这里，我们只能按照原子波动力学的基本观点，初步形象地去认识核外电子的运动状态，从而再寻找出原子核外电子的排布有着怎样的规律。2-1电子云当人造卫星环绕地球旋转时，我们可以根据一定的数据计算出它在某一时刻的准确位置，描绘出它的运动轨迹。但是，对于核外电子，我们却无法准确计算出它在某一时刻的位置，也不能描绘出它的运动轨迹。在描绘核外电子运动时，只能指出它在原子核外空间各处出现机会的多少。电子在核外空间一定范围内出现，好像是带负电荷的云雾笼罩在原子核的周围。可以形象地称它为“电子云气核外电子出现机会愈多的区域，电子云的密度愈大。图1-5描绘了氢原子处于基态时的电子云。氢原子核外只有1个电子，图中的“雾状"，说明氢原子核外电子在一个球形的空间里作高速运动。图中表示，黑点密集处是电子出现机会多的地方，黑点稀疏处是电子出现机会少的地方。2-2描述核外电子运动状态的四个方面对于原子核外的每一个电子的运动状态，都可以从以下四个方面来描述。电子层原子核外的电子可以看作是分层排布的。处于不同层次中的电子，离核的远近也不同。离核愈近的电子层能级愈低，离核愈远的电子层能级愈高。通常用n=1、2、3…等数值来表示电子层离核的远近。n=1，即表示离核最近的电子层，其中的电子能量最小。n=2，即表示为第二电子层。有时也用K、L、M、N、O等分别表示1、2、3、4、5等电子层。我们描述核外电子运动状态时，首先就应描述它处于哪一个电子层。电子亚层和电子云的形状即使在同一电子层中的电子，能量也常有差别，它们电子云的形状也不相同。所以每一个电子层，又可以分作几个电子亚层，分别用s、p、d、f等符号来表示。第1电子层或K层中只包含一个亚层，即s亚层；第2电子层或L层中包含两个亚层，即s和p亚层；在M电子层中包含有三个电子亚层，即s、p、d亚层；在N电子层中，包含着四个电子亚层，即s、p、d、f亚层。不同亚层的电子云形状也不相同，图1-6是s、p两个亚层的电子云示意图。从图中可以看出，s电子云是球形的，p电子云是纺锤形的，d电子云和f电子云的形状较复杂，这里不作介绍。电子云的伸展方向电子云不仅有确定的形状，而且有一定的伸展方向。s电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同。p电子云如图1-7所示，在空间可以有三种互相垂直的伸展方向。d电子云可以有五种伸展方向，f电子云可以有七种伸展方向。如果把在一定电子层上，具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个轨道，那么s、p、d、f四个亚层就分别有1、3、5、7个轨道。这样，各电子层可能有的最多轨道数如下：电子层(n)亚层轨道数n=1s1=12n=2s、p1+3=4=22n=3s、p、d1+3+5=9=32n=4s、p、d、f1+3+5+7=16=42nn2每个电子层可能有的最多轨道数应为n2。电子的自旋电子不仅在核外空间不停地运动，而且还作自旋运动。电子自旋有两种状态，相当于顺时针和逆时针两种方向。常用向上箭头“"'和向下箭头“I”来表示不同的自旋状态。综上所述，可见电子在原子核外的运动状态是相当复杂的，必须通过它所处的电子层、电子亚层、电子云的空间伸展方向和自旋状态四个方面来描述。前三个方面跟电子在核外空间的位置有关，体现了电子在核外空间的运动状态，确定了电子的轨道。因此，当我们要说明一个电子的运动状态时，必须同时指明它处于什么轨道和哪一种自旋状态。2-3核外电子的排布规律我们知道了如何描述核外电子的运动状态。现在可以进一步讨论原子核外电子的排布规律。核外电子的排布，遵循以下三条规律。泡利不相容原理在同一个原子里，不存在四个方面的运动状态完全相同的电子。这是由奥地利物理学家泡利首先提出来的，所以叫泡利不相容原理。根据这个原理，可以推算出各个电子层可以容纳的最多电子数。每个电子层可能有的轨道数最多为n2。而每个轨道又至多能容纳2个电子，所以每个电子层能容纳的电子总数就是2n2。表1-1列出了第1到4电子层可容纳的电子数。能量最低原理在核外电子排布中，电子总是尽量最先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道被占满后，电子才能依次占有能量较高的轨道，这就是所谓能量最低原理。图1-8是多电子原子中电子的近似能级图。由图1-8可以看到，从第三电子层起就有能级交错现象。例如，3d电子的能量似乎应该低于4s，而实际上是E3d〉E4s。按照能量最低原理，电子在进入核外电子层时，不是排完了3p就排3d，而是先排4s，排完了4s才排3d。应用多电子原子中电子的近似能级图，并根据能量最低原理，就可以确定电子排入各轨道的次序，如图1-9所示。洪特规则洪特规则是指在同一亚层中的各个轨道上，如3个p轨道、或5个d轨道，或7个f轨道上的电子排布，倾向于尽可能分占不同的轨道，而且它们的自旋方