電子排布

電子排布

處於穩定狀態的原子,核外電子服從一定的分布的原則,在原子核外進行具有一定的規律性的分布。核外電子將儘可能地按能量最低原理排布,同時還要遵守保里不相容原理和洪特規則。儘管對於原子核外的電子排布有不同的模型,但是軌道模型的電子排布還是很成功、很方便的解釋了許多物理、化學等學科問題,具有重要的作用。

基本信息

電子排布是表

原子核外電子排布的圖式之一。有七個電子層,分別用1、2、3、4、5、6、7等數字表示K、L、M、N、O、P、Q等電子層,用s、p、d、f等符號分別表示各電子亞層,並在這些符號右上角用數字表示各亞層上電子的數目。如氧原子的電子排布式為1s22s22p4。迄今為止,只發現了7個電子層!

排布原理

處於穩定狀態的原子,核外電子將儘可能地按能量最低原理排布,另外,由於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則,一般而言,在這三條規則的指導下,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,沒有例外的情況發生。
核外電子排布原理一----最低能量原理
電子在原子核外排布時,要儘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,不會覺得有什麼危險;如果我們站在20層的頂上,再往下看時我們心理感到害怕。這是因為物體在越高處具

電子排布電子排布
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於一種較為安全(或穩定)的一種狀態(基態),也就是能量最低時的狀態。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(激發態),但是它總有時時刻刻想回到基態的趨勢。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、3d、4s、4p……
核外電子排布原理二——保里不相容原理
我們已經知道,一個電子的運動狀態要從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鏇方向。在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態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。根據這個規則,如果兩個電子處於同一軌道,那么,這兩個電子的自鏇方向必定相反。也就是說,每一個軌道中最多只能容納兩個自鏇方向相反的電子。這一點好像我們坐電梯,每個人相當於一個電子,每一個電梯相當於一個軌道,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,最多可以容納兩個自鏇相反的電子;p亞層有3個軌道,最多可以容納6個電子;d亞層有5個軌道,最多可以容納10個電子;f亞層有7個軌道,最多可以容納14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。

排布方法

電子排布電子排布
對於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(即原子序數、質子數、核電荷數),如24號元素鉻,其原子核外總共有24個電子,然後將這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後,才去填充後面的亞層,每一個亞層上最多能夠排布的電子數為: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
根據洪特規則,d亞層處於半充滿時較為穩定,故其排布式應為:
1s22s22p63s23p64s13d5
最後,按照人們的習慣“每一個電子層不分隔開來”,改寫成
1s22s22p63s23p63d54s1即可。

排布規律

電子排布電子排布
1、Pauli不相容原理:每個軌道最多只能容納兩個電子,且自鏇相反配對
2、能量最低原理:電子儘可能占據能量最低的軌道
3、Hund規則:簡併軌道(能級相同的軌道)只有被電子逐一自鏇平行地占據後,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是比較穩定的,亦即下列電子結構是比較穩定的:
全充滿---p6或d10或f14
半充滿----p3或d5或f7
全空-----p0或d0或f0
還有少數元素(如某些原子序數較大的過渡元素和鑭系、錒系中的某些元素)的電子排布更為複雜,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。
對於核外電子排布規律,只要掌握一般規律,注意少數例外即可。

洪特規則

電子排布電子排布
從光譜實驗結果總結出來的洪特規則有兩方面的含義:一是電子在原子核外排布時,將儘可能分占不同的軌道,且自鏇平行;洪特規則的第二個含義是對於同一個電子亞層,當電子排布處於
全滿(s2、p6、d10、f14)
半滿(s1、p3、d5、f7)
全空(s0、p0、d0、f0)時比較穩定。這類似於我們坐電梯的情況中,要么電梯是空的,要么電梯裡都有一個人,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;如果有的電梯裡擠滿了兩個人,而有的電梯裡只有一個人,或有的電梯裡有一個人,而有的電梯裡沒有人,則必然有人產生抱怨情緒,我們稱之為不穩定狀態。

化學中的套用

1.原子的核外電子排布與軌道表示式原子結構示意圖的關係:原子核外電子排布式與軌道表示式描述的內容是完全相同的,相對而言,軌道表示式要更加詳細一些,它既能明確表示出原子的核外電子排布在哪些電子層、電子亞層上,還能表示出這些電子是處於自鏇相同還是自鏇相反的狀態,而核外電子排布式不具備後一項功能。

電子排布電子排布
原子結構示意圖中可以看出電子在原子核外分層排布的情況,但它並沒有指明電子分布在哪些亞層上,也沒有指明每個電子的自鏇情況,其優點在於可以直接看出原子的核電荷數(或核外電子總數)。
2.原子的核外電子排布與元素周期律的關係
在原子裡,原子核位於整個原子的中心,電子在核外繞核作高速運動,因為電子在離核不同的區域中運動,我們可以看作電子是在核外分層排布的。按核外電子排布的3條原則將所有原子的核外電子排布在該原子核的周圍,發現核外電子排布遵守下列規律:原子核外的電子儘可能分布在能量較低的電子層上(離核較近);若電子層數是n,這層的電子數目最多是2n2個;無論是第幾層,如果作為最外電子層時,那么這層的電子數不能超過8個,如果作為倒數第二層(次外層),那么這層的電子數便不能超過18個。這一結果決定了元素原子核外電子排布的周期性變化規
電子排布元素周期表
律,按最外層電子排布相同進行歸類,將周期表中同一列的元素劃分為一族;按核外電子排布的周期性變化來進行劃分周期
如第一周期中含有的元素種類數為2,是由1s1~2決定的
第二周期中含有的元素種類數為8,是由2s1~22p0~6決定的
第三周期中含有的元素種類數為8,是由3s1~23p0~6決定的
第四周期中元素的種類數為18,是由4s1~23d0~104p0~6決定的。
由此可見,元素原子核外電子排布的規律元素周期表劃分的主要依據,是元素性質周期性變化的根本所在。對於同族元素而言,從上至下,隨著電子層數增加,原子半徑越來越大,原子核對最外層電子的吸引力越來越小,最外層電子越來越容易失去,即金屬性越來越強;對於同周期元素而言,隨著核電荷數的增加,原子核對外層電子的吸引力越來越強,使原子半徑逐漸減小,金屬性越來越差,非金屬性越來越強。

排布式

附:部分基態原子的電子排布式
注:原子軌道類型字母后的數字為電子個數
標"*"的元素的電子排列較特殊
[1]H
1s1
[2]He
1s2

電子排布電子排布
[3]Li
1s22s1
[4]Be
1s22s2
[5]B
1s22s22p1
[6]C
1s22s22p2
[7]N
1s22s22p3
[8]O
1s22s22p4
[9]F
1s22s22p5
[10]Ne
1s22s22p6
[11]Na
1s22s22p63s1
[12]Mg
1s22s22p63s2
[13]Al
1s22s22p63s23p1
[14]Si
1s22s22p63s23p2
[15]P
1s22s22p63s23p3
[16]S
1s22s22p63s23p4
[17]Cl
1s22s22p63s23p5
[18]Ar
1s22s22p63s23p6
[19]K
1s22s22p63s23p64s1
[20]Ca
1s22s22p63s23p64s2
[21]Sc
1s22s22p63s23p63d14s2
[22]Ti
1s22s22p63s23p63d24s2
[23]V
1s22s22p63s23p63d34s2
*[24]Cr
1s22s22p63s23p63d54s1
[25]Mn
1s22s22p63s23p63d54s2
[26]Fe
1s22s22p63s23p63d64s2
[27]Co
1s22s22p63s23p63d74s2
[28]Ni
1s22s22p63s23p63d84s2
*[29]Cu
1s22s22p63s23p63d104s1
[30]Zn
1s22s22p63s23p63d104s2
[31]Ga
1s22s22p63s23p63d104s24p1
[32]Ge
1s22s22p63s23p63d104s24p2
[33]As
1s22s22p63s23p63d104s24p3
[34]Se
1s22s22p63s23p63d104s24p4
[35]Br
1s22s22p63s23p63d104s24p5
[36]Kr
1s22s22p63s23p63d104s24p6

原理

電子排布是表示原子核外電子排布的圖式之一。有七個電子層,分別用1、2、3、4、5、6、7等數字表示K、L、M、N、O、P、Q等電子層,用s、p、d、f等符號分別表示各電子亞層,並在這些符號右上角用數字表示各亞層上電子的數目。如氧原子的電子排布式為1s22s22p4。迄今為止,只發現了7個電子層!

概述

處於穩定狀態的原子,核外電子將儘可能地按能量最低原理排布。另外,由於電子不可能都擠在一起,它們還要遵守泡利不相容原理和洪特規則,一般而言,在這三條規則的指導下,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,沒有例外的情況發生。
電子排布

最低能量

電子在原子核外排布時,要儘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,不會覺得有什麼危險;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於一種較為安全(或穩定)的一種狀態(基態),也就是能量最低時的狀態。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(激發態),但是它總有時時刻刻想回到基態的趨勢。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、3d、4s、4p……

不相容

我們已經知道,一個電子的運動狀態要從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鏇方向。在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態完全相同的兩個電子存在,這就是泡利不相容原理所告訴大家的。根據這個規則,如果兩個電子處於同一軌道,那么,這兩個電子的自鏇方

電子排布

向必定相反。也就是說,每一個軌道中最多只能容納兩個自鏇方向相反的電子。這一點好像我們坐電梯,每個人相當於一個電子,每一個電梯相當於一個軌道,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)。根據泡利不相容原理,我們得知:s亞層只有1個軌道,最多可以容納兩個自鏇相反的電子;p亞層有3個軌道,最多可以容納6個電子;d亞層有5個軌道,最多可以容納10個電子;f亞層有7個軌道,最多可以容納14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2n^2個電子。

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