【知识解析】泡利原理、洪特规则、能量最低原理 全国获奖

电子自旋与泡利原理温故核外电子围绕原子核做高速运动，根据电子能量高低及运动区域的不同，将电子在核外空间的运动状态分别用能层、能级及原子轨道来描述。核外电子除绕核高速运动外，还像地球一样绕自己的轴自旋。电子自旋在空间有两种相反的取向——顺时针方向和逆时针方向，分别用“↑”和“↓”表示。（1）电子自旋电子自旋与泡利原理名师提醒（1）自旋是微观粒子普遍存在的一种如同电荷、质量一样的内在属性。（2）能层、能级、原子轨道和自旋状态四个方面共同决定电子的运动状态，电子能量与能层、能级有关，电子运动的空间范围与原子轨道有关。（3）一个原子中不可能存在运动状态完全相同的2个电子。电子自旋与泡利原理（2）泡利原理（又称泡利不相容原理）在一个原子轨道里，最多只能容纳2个电子，它们的自旋相反，这个原理被称为泡利原理。如He：1s2，1s轨道里的2个电子自旋相反，即一个电子顺时针运动，而另一个电子逆时针运动。电子排布的轨道表示式轨道表示式（又称电子排布图）是表述电子排布的一种图式，如氢和氧的基态原子的轨道表示式：电子排布的轨道表示式名师提醒（1）在轨道表示式中，用方框（也可用圆圈）表示原子轨道，1个方框代表1个原子轨道，通常在方框的下方或上方标记能级符号。（2）不同能层及能级的原子轨道的方框必须分开表示，同一能层相同能级（能量相同）的原子轨道（简并轨道）的方框相连书写。（3）箭头表示一种自旋状态的电子，“↑↓”称电子对，“↑”或“↓”称单电子（或称未成对电子）；箭头同向的单电子称自旋平行，如基态氧原子有2个自旋平行的2p电子。电子排布的轨道表示式名师提醒（4）轨道表示式的排列顺序与电子排布式顺序一致，即按能层顺序排列。有时画出的能级上下错落，以表达能量高低不同。（5）轨道表示式中能级符号右上方不能标记电子数。名师提醒电子排布的轨道表示式以Si原子为例，说明轨道表示式中各部分的含义：洪特规则基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，这一规则是洪特根据原子光谱得出的经验规则，称为洪特规则。如果不考虑洪特规则，又认定3个2p轨道有区别，氧的基态原子最外层有若干种轨道表示式（方框下方省略了2s、2p）：；……如果遵循洪特规则，且不区分3个2p轨道，则其轨道表示式只能是。洪特规则名师提醒（1）洪特规则只针对电子填入简并轨道而言，并不适用于电子填入能量不同的轨道。（2）当电子填入简并轨道时，先以自旋平行依次分占不同轨道，剩余的电子再以自旋相反依次填入各轨道。能量最低原理在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低，这就是能量最低原理。名师提醒（1）基态原子的能量最低，故基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道组合。（2）整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定，相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级即可使整个原子能量最低（如所有主族元素的基态原子）；能量最低原理名师提醒而当相邻能级能量相差不太大时，有1～2个电子占据能量稍高的能级可能反而降低了电子排斥能而使整个原子能量最低（如所有副族元素的基态原子）。（3）基态原子的核外电子排布遵循泡利原理、洪特规则和能量最低原理。能量最低原理教材延伸简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较高的稳定性。如基态24Cr的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s1，为半充满状态，易错写为1s22s22p63s23p63d44s2；基态29Cu的电子排布式为[Ar]3d104s1，易错写为[Ar]3d94s2。洪特规则特例相对稳定的状态全充满：p6，d10，f14半充满：p3，d5，f7全空：p0，d0，f0典例详析例5－21（2020陕西西安中学期末）某同学在学习核外电子排布的知识时，把基态15P的电子排布式写成了1s22s22p63s23，他违背了（）A．能量守恒定律

B．泡利原理C．能量最低原理

D．洪特规则D解析：根据洪特规则，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行，正确的电子排布式是

，故选D。典例详析例5－22下列轨道表示式能表示基态氮原子的核外电子排布的是（）A．B．C．D．C典例详析点拨：书写基态原子的轨道表示式时，可依据构造原理先写出基态原子的核外电子排布式，再根据泡利原理、洪特规则和能量最低原理将电子排布式改写为轨道表示式。解析：A、B项违背洪特规则，D项不符合客观事实。基态氮原子的核外电子排布式为1s22s22p3，则基态氮原子的轨道表示式为，故选C。典例详析子题（2020上海嘉定区期中）下列能正确表示某元素原子处于最低能量状态的是（）A．B．C．D．D典例详析解析：若元素的原子处于最低能量状态，则其核外电子排布遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。A、B项违背洪特规则，C项表示元素的原子处于激发态，违背能量最低原理。典例详析例5－23（2020山西太原期中）若某元素原子处于能量最低状态时，价层电子排布式为4d15s2，则下列说法正确的是（）A．该元素原子中共有3个未成对电子B．该元素原子核外共有5个能层C．该元素原子的M层共有8个电子D．该元素原子最外层有3个电子B典例详析解析：该元素原子中共有1个未成对电子，A项错误；该原子的最外层是O层，即共有5个能层，B项正确；根据价层电子排布式及构造原理，可推断出该原子处于基态时的电子排布式是1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2，其M层共有18个电子，C项错误；该元素原子的最外层有2个电子，D项错误。点评：解答本题需要区别价层电子排布式与最外层电子排布式。另外，根据价层电子排布式及构造原理，可以推断出该原子处于基态时的电子排布式。典例详析例5－24（2020河北张家口月考）有X、Y、Z、Q、T五种元素，X原子的M层的p轨道上有2个未成对电子，Y原子的价层电子排布式为3d64s2，Z原子的L层的p能级上有一个空轨道，Q原子的L层的p轨道上只有1对成对电子，T原子的M层的p轨道处于半充满状态。试回答下列问题：（1）X的元素符号为________，Y的元素符号为________。（2）Z的核外电子排布式为________，Q的核外电子轨道表示式为________，T的核外电子轨道表示式为________。（3）Y的单质在Q的单质中燃烧的化学方程式为________________。典例详析解析：M层的p轨道上有2个未成对电子，可能是3p2，也可能是3p4，故X可能是Si，也可能是S；Y原子的价层电子排布式为3d64s2，则其原子的核外电子排布式是[Ar]3d64s2，核电荷数是26，Y是Fe；Z原子的2p能级上有一个空轨道，只能是2p2，则Z是C（碳）；Q原子的2p轨道上只有1对成对电子，应为2p4，则Q是O；T原子的3p轨道处于半充满状态，应为