当前课程知识点：大学化学 > 第三章 原子结构与元素周期律 > 3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布 > Video
同学们好
上节课当中
我们通过屏蔽效应
和钻穿效应的学习
了解了能级近似图当中
轨道能量交错的
这样一种现象
那么到底核外电子
是如何排到这些
具有由低到高的
能量排列的
能级近似图当中的
轨道当中去呢
我们这里首先从
原子的基态开始了解
所谓原子的基态是指
原子处于最低的能量状态
也就是说
原子核外的电子
还有原子核
都没有受到
其他环境的能量的影响
比如说
像我们前面讲的
原子处在受激状态
要向外发射
不同波长的光谱的时候
那原子就处在了
一种受激的状态
而大多数情况下
如果没有特殊的说明
我们这里所讨论的
原子核外的电子
以及原子核
都是处在没有受到
外界能量作用的状态
这时候它是处在一种
最稳定的
能量最低的状态
也就是基态
处在基态的原子
它的核外的电子运动
在轨道当中
依据轨道的能量的低到高
这样一个次序
来依次排列在
不同能级的轨道当中
在这样的排列过程当中
我们有不同的
表示电子排列的方式
来供大家学习和参考
首先
第一种表示核外电子
由低到高的
原子轨道当中的
排列的次序的
一种形象的表示方法
我们叫做轨道表示式
这种表示式是将
原子核外的电子
按照核电荷数
依照原子轨道的
能级近似图
依次将电子排列在
相应的轨道当中
对于轨道来讲
我们既要画出
轨道的几何形状
我们一般用方框
或者用同水平的横线
有时候
也用一个圆圈来表示
同时
在这个几何位置上
要标注出电子亚层的符号
也就是轨道的符号
相应的是1s、2s、2p
对于氧来讲
核外只有八个电子
那么这样的八个电子
会依次的填充到
最低的1s轨道
其次的2s轨道
剩余的四个电子
将填充在2p轨道当中
电子由于
自旋量子数的不同
每一个轨道当中
最多只可以填充
两个自旋方向相反的电子
那么
上下的箭头的符号
就代表了电子的自旋状态
两个箭头
就代表这个轨道当中
已经充满了两个电子
这样的原子轨道表示式
它非常直接和形象
表示了各个轨道当中
电子的填充状态
以及通过箭头的方式
来描述了它的自旋状态
非常直接
也非常形象
但是这样的方法
也有它的缺点
缺点在哪里呢
对于氧来讲
它的核电荷数只有八个
所以我们三个框
就可以解决这样的问题
如果我们的原子序数
达到了几十
甚至达到一百
我们可以想象
这样的框会排多长一队
所以
它形象生动
但是使用起来
特别对于
原子序数比较大的
核外电子的排布状态
就显得有些不方便
与此相对
我们还有一种方式
来表示核外电子的
能级近似的排列规律
这种规律呢
我们用轨道的
电子亚层的符号来表示
而把电子数
每个轨道当中的电子数
直接写在
我们的轨道的右上方
这时候我们再看
氧的八个电子
分别填充在
三个不同的亚层当中
看起来就比刚才的轨道式
要来的简洁
但是
这样表示的方式
它的缺点在哪里呢
也就是
我们没有办法去了解
轨道当中电子的自旋状态
以及电子分别填在了
亚层当中的哪个轨道当中
这些对于我们来了解
电子排布式和轨道表示式
它的优点和缺点
是非常有帮助的
同学们
在日后的学习当中呢
可以加以比较
加以不同的情况
来加以利用
同时
针对这些不方便
我们为了描述
核外多电子的
它在轨道当中的运行状态
尤其是人们关注的价电子
因为前面我们讲了
化学反应的实质
是电子的
得与失之间的关系
真正在化学反应过程当中
起作用的不是原子核外
所有电子层当中的电子
关键的是
处在价层的电子
也就是价电子
那么这时候
我们再看
氧这样的核外电子的排布
我们发现
对于主量子数
n等于1的情况下
这样一个轨道的排列方式
非常类似于我们的氦
它的核外电子的排布方式
这种用稀有气体的
原子的满轨道排列方式
来代替我们的内层电子的
排列方式的方法
我们叫它“原子实”的方法
如果把原子实
引入到我们的轨道表示式当中
一种新的表示方法就出现了
也就是这里我们要介绍的
用稀有气体元素的原子符号
代表内层排满的轨道的
电子结构
这时候原来的轨道表示式
就变成了
原子实的轨道表示式
它具体的形象就会是这样的
我们把这一部分
用氦来代替
把氦的符号
用一个方的括号
给它括起来
把它嵌入到
我们原来的轨道表示式当中
我们可以看到
一个氦就代替了原来的1s轨道
然后我们只要关注
处在价层的2s和2p轨道的
电子的分布
这样就大大简化了
原来的轨道表示式的结构
有同学讲
老师
从这里来看
氦代替一个轨道
好像在空间上没有省什么事
那么
我们如果不是氦
而是用了氩
用了氖
用了氪
同学们可以想想
我们那时候一个符号
可以代替多长的轨道
这就是
我们用原子实符号
来代替普通的轨道表示式
所带来的极大的方便
有同学已经想到了
那我们是不是
可以用这种方法
同样来表示电子排布式呢
答案是肯定的
我们把这样的方法
同样用到我们的
电子排布式当中
也是考虑我们的氦
与相应的电子亚层的
这样的一个等效关系
我们把稀有气体元素的符号
用相应的方括号括住
放到我们的电子排布式当中
电子排布式就变成了
非常好
就是原子实的电子排布式
掌握了这四种方法
同学们
就可以既从我们经典的
轨道表示式
电子排布式当中
了解每个亚层电子的排布
以及电子的自旋状态
又可以专注于
我们从原子实的轨道表示式
和电子排布式当中
了解我们价电子的
特殊的排布状态
这样就使我们将来
在研究轨道之间的作用
电子的得失当中
能够抓住
这样一个结构变化的
最基本的特征
为我们的研究
和实验模型的建立
提供极大的方便
关于这四种方法
同学们在课后
要多加练习
可以找原子序数比较大的
这些元素符号
和原子核外的电子排布的例子
来加以练习
那时候同学们能够
更深刻的去体会
原子实带给我们的方便
下边我们就
一层一层的来剖析
核外电子如何在遵从
最低能量原理
泡利不相容原理
以及洪特规则的条件下
依次排入到
我们的能级近似图当中去
首先
能量最低原理
也就是说
电子在核外的原子轨道上
分布的时候
应该使整个的
原子的能量处于最低
这个时候才能够符合
我们的基态原子的
最基本的特征
这样我们可以看到
最低能量原理
由于从最低的原子轨道
开始填起
电子的填充的次序
依次会遵从n+0.7l规则
从1s、2s、2p、3s
3p、4s、3d这样的顺序
依次填充下去
能级的顺序由低到高
其次
在排列这些轨道的过程当中
1925年
奥地利科学家
泡利提出
在一个原子当中
不可能存在四个量子数
完全相同的两个电子
四个量子数
就代表我们在
上上节课当中讨论的
主量子数
角量子数
它们是决定轨道的能量状态
磁量子数呢
是决定轨道在空间的
几何取向
而自旋电子数
是决定了轨道内电子
它的自身的自旋的方向
和自旋的运动状态
四个量子数确定以后
核外电子的运动状态
就唯一的确定了
它就像我们的身份证的号码
每四个量子数
对应核外的唯一的一个电子
这样的一个方法可以
帮助同学们记忆
量子数与核外电子的
运动状态之间的关系
而我们前面讲过的
解薛定谔方程确定的
边界条件的三个量子数
主量子数
角量子数和磁量子数
它确定的是什么呢
是波函数
波函数对应的
是一个原子轨道
而每一个轨道当中
可以最多容纳两个电子
而这两个电子
还要求是自旋方向
要完全相反
了解了这些知识
回忆起了这些知识
就为我们后续进一步理解
泡利不相容原理
奠定了很好的基础
理解为什么在原子外
电子唯一的
只能由四个量子数来确定
原理就在这里
从泡利不相容原理
我们就可以形象的理解
每一个轨道当中
最多只能容纳两个
而且是自旋方向
一定要是相反的电子
从刚才氧的例子当中
我们可以看到
1s和2s轨道都是填满的
这当中的两个电子
一定是自旋方向相反的
在2p轨道当中
我们会发现
填满的轨道当中
自旋方向相反
而未填满的轨道当中
它们保持了单一的自旋方向
接下来的研究
人们发现
在简并轨道当中
处在未填满轨道当中的电子
它们的运动状态具有特殊性
针对这一现象
1927年德国物理学家洪特
在研究简并轨道当中
未填满轨道当中的
电子运动状态的时候
发现
处在这些简并轨道
当中的电子
将优先尽可能的
分布在不同的轨道
并保持其自旋方向相同
这样可以保持原子的
能量状态处在最低
那么在轨道当中
电子到底是
如何方式来排列的呢
我们从下边的例子上边
就可以给大家做一个
形象的介绍
比如像氮原子核外
一共有七个电子
如果我们把氮原子核外的
这七个电子
分别排在1s、2s
两个轨道当中的充满状态
和2p轨道当中的半充满状态
这时候氮原子核外的
七个电子就处在
一种能量最低的状态
而对于2p轨道当中的这三个
自旋方向相同的电子来讲
它们的量子数
又会是怎么样呢
我们可以从这里来看
它们的主量子数
角量子数完全相同
这就是我们前面提到的
它们是处在
简并轨道当中的
也就是三个p轨道
是能量状态完全相同的
但是三个轨道
它们的磁量子数分别是
-1 0和+1
这就是意味着它们分别沿
X轴 Y轴和Z轴方向
来不同的空间取向
而在沿三个坐标轴
不同的方向取向的轨道当中
电子却采取了具有相同的
自旋量子数
也就是+1/2的方式
来进行排列的
有同学讲
可不可能是-1/2呢
当然可以呀
只要它们三个轨道当中
它们的自旋量子数完全相同
它就可以保持在
洪特规则所描述的
这种能量最低的
基态原子的状态
同时
洪特规则还有特例
这个特例当中
是描述的简并轨道
处于全充满
半充满或者全空的状态时
体系的能量更低更稳定
比如说
像我们的p轨道当中
处在全满的时候
是六个电子
d轨道相应的是10个
f轨道就是14个
如果半充满呢
就分别是3、5和7
这就是体系能量更低的状态
当然
全空就意味着
轨道当中不存在电子
能量当然会是更低的
洪特规则的特例
帮助我们进一步的去理解
在原子轨道能级近似图的
排列规律情况下
电子怎么样以最低的能量状态
充入到这些能量
由低到高的轨道当中
才保持整个原子体系的
能量最低
掌握了这三条基本的规律
就为我们
进一步的去了解
原子核外电子的排列状态
能量状态
特别是价电子的状态
提供的良好的条件
了解了前面这三条规则
和我们四种不同的
表示方法
我们来看用电子排布式
来描述的这样的一个
原子核外多电子的
排布状态
那么
它是从低的能量状态
一直排列到我们的
价电子的高能量状态
如果用轨道表示式来看
这时候我们就发现
它一直可以延续到
这样一种状态
而这种状态当中
特别是它的价电子
处于半充满状态的时候
它符合洪特规则的特例
如果我们要方便的表达
原子实和我们的价电子
之间的关系
我们可以用这样的方式
来表达我们的价电子
处在的真实的排列状态
同时也可以用这样的
轨道表示式的方式呢
来看到
在未充满的轨道当中
电子的自旋方向
这样就为我们将来
进一步的研究
这些轨道当中
电子的得失规律
以及轨道与轨道之间
相互作用所形成的
我们的杂化轨道
以及我们的
电子的交换途径
提供了很好的理论依据
基态原子核外电子的排布
在大多数情况下
是服从我们的n+0.7l规则的
但是
随着n的提高
核外电子的数量的增加
它们轨道与轨道之间的
相互作用
变得越加的复杂
对于一个具体的原子来讲
特别是当它们所处的
核外电子数
逐步增加的情况下
它们的价电子的分布状态
以及包括它们的
能级的交错状态
和电子的填充的次序
根据不同的原子
还会有不同的相应的变化
有关这部分内容呢
同学们
可以参照
我们给大家提供的
这样一个规律性的数据
来了解不同的原子
它的价电子的排列的状态
为我们后续学习
了解和应用
这部分结构的知识呢
提供良好的帮助
有关核外电子排布的规律呢
我们这节课就介绍到这儿
下节课我们将学习
元素周期律
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
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-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
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-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
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-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
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-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
