电子排布规律在线视频

同学们好

这一小节

我们来学习电子排布规律

原子核外电子分布规律

是依靠光谱实验来进行测定的

在光谱实验的基础之上

形成了核外电子排布的三个基本规律

分别是泡利不相容原则

能量最低原则以及洪特规则

首先我们看第一个规则

泡利不相容原则

上一小节我们介绍自旋量子数时

已经有所涉及

所谓泡利不相容原则是指一个原子轨道

最多只能容纳两个电子

并且这两个电子自旋方向必须相反

其实质就是一个原子中

不可能出现两个电子

具有完全相同的运动状态

根据泡利不相容原则

每个原子轨道中

最多只能容纳自旋方向相反的两个电子

第二个原则

能量最低原则

在自然界中根据能量最低原则

通常某一个体系

处于能量最低时则越稳定

这一规则也适用于原子结构

因此电子优先占据能级较低的原子轨道

从而使整个原子体系能量处于最低

这就叫做电子排布的能量最低原则

为了确定原子核外电子排布顺序

首先就需要知道原子轨道能量高低的关系

在上一小节中我们学习过对于单电子原子

其电子能量完全由主量子数决定

因此对于氢原子

其各轨道的能及顺序为

1s小于2s等于2p

小于3s等于3p等于3d

小于4s等于4p

等于4d等于4f 以此类推

但是在多电子原子中

各轨道能级的大小

不仅受到主量子数的影响

也会受到角量子数的影响

可以想象的是

当两个原子轨道的主量子数相同时

角量子数越大的原子轨道

其能级也越高

同理

当两个原子轨道角量子数相同时

主量子数越大的原子轨道能级越高

但是如果两个轨道的角量子数

和主量子数各不相同时

两个轨道的能量关系是怎样的呢

为了回答这一问题

化学家鲍林通过光谱实验

测定了多电子原子的原子轨道近似能级图

如图所示 将原子轨道的能量

分为了7个能级组

相同能级组内的轨道能量比较接近

但是也并非完全相同

从图中可以看出

原子轨道能量最低的为1s轨道

并且独占第一能级组

1s轨道可以容纳两个自旋方向不同的电子

因此处于基态的氢原子和氦原子的

核外电子位于1s轨道之内

其次 2s和2p轨道为第二能级组

需要注意的是在第二能级组当中

2p轨道的能量要略高于2s轨道

这是因为2p轨道和2s轨道的主量子数相同

但是2p轨道的角量子数为1

而2s轨道的角量子数为0

因此2p轨道的能量要高于2s轨道

第三能级组为3s和3p轨道

同样的3p轨道的能量要略高于3s轨道

第四能级组为4s轨道

3d轨道和4p轨道

其中4s轨道能量最低

3d轨道其次

4p轨道能量最高

在这里就需要注意

虽然3d轨道的主量子数为3

4s轨道的主量子数为4

但是由于电子的钻穿效应和屏蔽效应

3d轨道的能量比4s轨道要高

第五能级组为5s轨道

4d轨道以及5p轨道

类似于第四能级组

5s轨道能量最低

4d轨道能量居中

5p轨道能量最高

第六能级组为6s

4f 5d以及6p轨道

其能量关系为6s最低

4f 5d 6p能量逐渐升高

根据原子轨道近似能级图

以及核外电子排布的能量最低原则

电子在原子轨道中的填充顺序

可以确定为首先填充1s轨道

然后依次填充2s 2p 3s 3p

4s 3d 4p 5s 4d 5p

6s 4f 5d 6p 7s 5f

最后填充6d轨道

在这里同学们还要注意区分

能级组和最外层电子这两个概念的区别

通常我们所说的最外层电子

是指主量子数最大轨道中的电子

这些电子距离原子核距离最远

因此被称作最外层电子

而最高能级组是指

核外电子当中能量最高的那些电子

最高能级组不意味着是最外层电子

例如在第4能级组当中

既有4s 4p轨道

也有3d轨道

当电子位于4s和4p轨道时

它既是最外层电子

也是最高能级组电子

但当电子处于3d轨道时

这些电子只是最高能级组电子

但并不是最外层电子

核外电子排布的第三个规则为洪特规则

上一节中我们已经学习过

对于主量子数和角量子数都相同的轨道

其能级是相同的

这种能级相同的轨道

称作为等价轨道

或简并轨道

那么在等价轨道中

电子又是如何分布的呢

洪特根据光谱实验数据

总结出了电子在等价轨道中的分布规律

内容如下

电子在等价轨道中分布时

应尽可能分占不同的轨道

而且自旋方式相同

例如2p轨道上有两个电子

那么这两个电子

会以相同的自旋方式分布在两个轨道中

而不会以一对自旋方向相反的电子

分布在同一轨道中

碳原子和氮原子

就是洪特规则的典型例子

碳原子和氮原子2p轨道中的电子

会以相同的自旋方式分布在不同的轨道中

而不会出现某一轨道中

有一对电子这种情况

同时还需要注意作为洪特规则的补充

当等价轨道处于全充满或半充满状态时

体系相对比较稳定

稍后我们还会举例介绍

掌握了上述三个原则和轨道能级图之后

大多数原子核外电子排布

就可以正确并简便的书写出来

例如氖原子

其核外有10个电子

电子排布顺序为

首先在1s轨道上填充两个电子

然后在2s轨道上填充两个电子

最后在三个2p轨道上填充剩余的6个电子

所以氖原子的电子排布写法为

1s²2s²2p⁶

其中1 2 2这三个数字代表了主量子数

s s p这三个字母代表了角量子数

而轨道符号右上角的数值

代表了轨道中的电子个数

再看一个稍微复杂一点的例子

26号铁原子根据上述三个规则

其电子的填充情况应该为

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

但是在书写时要重新改写

把主量子数相同的原子轨道写在一起

因此铁原子的核外电子排布正确写法为

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

我们也需要知道一些特殊的例子

根据洪特规则的补充原则

有些原子在轨道全充满或半充满的条件下

能量更为稳定

因此有时就会出现低能级轨道

向高能级组跃迁的情况

例如原子序数为29的铜原子

若按一般情况

其电子分布为

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹4s²

因为3d轨道能量比4s高

因此通常来说电子先排布在4s轨道

但对于铜原子而言

3d轨道上的9个电子距离完全填满

只差一个电子

因此虽然3d轨道的能量要比4s轨道高

但是为了满足轨道全充满的稳定条件

会发生4s电子向3d轨道的迁移

从而形成1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹º4s¹的

d轨道全填满的稳定状态

原子序数为24的铬原子

也有类似情况

正常状态的电子应该为

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s²

但为了满足低轨道半填满的稳定状态

会发生4s电子向3d轨道的转移

从而形成了

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹的

d轨道半填满稳定状态