原子核外電子排布規律

原子核外電子排布規律

原子核外電子排布規律是指介紹原子核外電子的排布規律,主要有泡利不相容原理、能量最低原理、洪特定則、不相容原理等。

基本信息

基本規律

排布規律

1、泡利不相容原理: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、洪特規則: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---p 或d 或f

半充滿----p 或d 或f

全空-----p 或d 或 f

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,只要掌握一般的規律,注意少數例外即可。

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。

電子層排布原理

電子排布是表示原子核外電子排布的圖式之一。分別用1、2、3、4、5、6、7等數字表示K、L、M、N、O、P、Q、R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8個電子層!

若電子層數是n,這層的電子數目最多是2n 個;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。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。

原理

能量最低原理

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大,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、4s、3d、4p、5s……

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向必定相反。也就是說,每一個軌道中只能容納兩個自鏇方向相反的電子。根據泡利不相容原理,我們得知:s亞層只有1個軌道,可以容納兩個自鏇相反的電子;p亞層有3個軌道,總共可以容納6個電子;d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2n^2個電子。

洪特規則

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(s 、p 、d 、f )

半滿(s 、p 、d 、f )

全空(s 、p 、d 、f )時比較穩定。

例如,第24號元素鉻Cr,如果按照各能級填充規則,其核外電子排布式應為1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 但是,依據洪特規則可知3d能級填充5個電子時較穩定,所以其核外電子排布式為1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

同理,第29號元素銅Cu的核外電子排布式應為1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 。

排布的具體方法

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。

然後根據泡利不相容原理,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。

按能量最低原理得出的原子核外電子排布次序排序,如24號元素鉻的24個核外電子依次排列為

1s22s22p63s23p64s23d4

由洪特規則可知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。為1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1

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