电子排布
原子轨道的种类
作为薛定谔方程的解,原子轨道的种类取决于主量子数(n)、角量子数(l)和磁量子数(ml)。其中,主量子数就相当于电子层,角量子数相当于亚层,而磁量子数决定了原子轨道的伸展方向。另外,每个原子轨道里都可以填充两个电子,所以对于电子,需要再加一个自旋量子数(ms),一共四个量子数。
n可以取任意正整数。在n取一定值时,l可以取小于n的自然数,ml可以取±l。不论什么轨道,ms都只能取±1/2,两个电子自旋相反。因此,s轨道(l=0)上只能填充2个电子,p轨道(l=1)上能填充6个,一个轨道填充的电子数为4l+2。
具有角量子数0、1、2、3的轨道分别叫做s轨道、p轨道、d轨道、f轨道。之后的轨道名称,按字母顺序排列,如角量子数l=4时叫g轨道。
排布的规则
电子的排布遵循以下规则:
构筑原理:整个体系的能量越低越好。一般来说,新填入的电子都是填在能量最低的空轨道上的。
洪德规则:电子尽可能的占据不同轨道,自旋方向相同。
包利不相容原理:在同一体系中,没有两个电子的四个量子数是完全相同的。
能级交错:同一亚层中的各个轨道是简并的,能级交错是电子随核电荷递增填充电子次序上的交错,并非先填能级的能量一定比后填能级的能量低。各亚层之间有能级交错现象:
有些原子的排布不完全遵守上面的规则,如:
Cr:[Ar]3d4s
Cu:[Ar]3d4s
这是因为同一亚层中,全充满、半充满、全空的状态是最稳定的。这种方式的整体能量比3d4s要低,因为所有亚层均处于稳定状态。
以铬为例:
铬原子核外有24个电子,可以填满至4s所有的轨道,还剩余4个填入3d轨道:
由于半充满更稳定,排布发生变化:
除了6个价电子之外,其余的电子一般不发生化学反应,于是简写为:
这里,具有氩的电子构型的那18个电子称为“原子实”。一般把主量子数小的写在前面:
电子构型对性质的影响
电子的排布情况,即“电子构型”,是元素性质的决定性因素。为了达到全充满、半充满、全空的稳定状态,不同的原子选择不同的方式。具有同样价电子构型的原子,理论上得或失电子的趋势是相同的,这就是同一族元素性质相近的原因;同一族元素中,由于周期越高,价电子的能量就越高,就越容易失去。
元素周期表中的区块是根据价电子构型的显著区别划分的。不同区的元素性质差别同样显著:如s区元素只能形成简单的离子,而d区的过渡金属可以形成配合物。
参见
基态原子电子组态列表
元素的电子组态列表
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