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电子排布

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“电子排布”的各地常用名称
中国大陆电子排布、电子构型
台湾电子组态[1]
港澳电子排布
电子原子轨道分子轨道
玻尔图

电子排布(英语:electron configuration),或称电子排序电子构型,指电子原子分子或其他物理结构中的原子轨道分子轨道上的排序及排列形态[2]

与其他基本粒子相同,电子遵从量子物理学而非经典物理学,因此具有波粒二象性。而且,根据量子物理学中的哥本哈根诠释,任一特定电子在被侦测到前,它的确实位置是不确定的(轨道及轨迹放到一旁不计)。在空间中,该测量将会检测的电子在某一特定点的概率,和在这一点上的波函数绝对值平方正比

电子能够由发射或吸收一个量子的能量从一个能级跃迁到另一个能级,其能量传输的形式为吸收或释放光子。由于泡利不相容原理,没有两个以上的电子可以存在于某个原子轨道(轨道不等于电子层);因而一个电子只可跨越到另有空缺位置的轨道。

原子的电子构型可以反映出元素周期表中的元素的结构。这一概念有时用于也描述约束原子的多个化学键。在块体材料的研究中这一理念可以说明激光器半导体的奇特性能。

原子轨道的种类

根据薛定谔方程,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,需要再加一个自旋磁量子数(ms),一共四个量子数

n 可以取任意正整数。在 n 取一定值后,l 可以取小于 n自然数ml 可以取 -l 到 +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轨域l=0)上只能填充2个电子,p轨域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(跳过j),如角量子数l=4时叫g轨道

排布规则

电子的排布遵循以下规则:

  • 构造原理:原子会选择能量最低的构建方式。一般而言,新填入的电子都填在能量最低的空轨道上。
  • 洪特规则:电子尽可能的占据不同轨道,且自旋方向相同。整个原子的能量才处于最低。
  • 泡利不相容原理:在同一体系中,不存在四个量子数完全相同的电子。
  • 能级交错:电子层数较大的某些轨道的能量反低于电子层数较小的某些轨道能量的现象。
1s
2s 2p
3s 3p
4s 3d 4p
5s 4d 5p
6s 4f 5d 6p
7s 5f 6d 7p
8s 5g 6f 7d 8p

有些原子的排布不完全遵守上面的规则,如:

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3d44s2要低,因为所有亚层均处于稳定状态。

排布示例

为例:

  1. 铬原子核外有24个电子,可以填满1s至4s所有的轨道,还剩余4个填入3d轨道:
    • 1s22s22p63s23p64s23d4
  2. 由于半充满更稳定,排布发生变化:
    • 1s22s22p63s23p64s13d5
  3. 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:
    • [Ar]4s13d5
  4. 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:
    • [Ar]3d54s1

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区过渡金属可以形成配合物

参见

参考资料

  1. ^ 電子組態. 乐词网. 国家教育研究院.  (繁体中文)
  2. ^ 国际纯化学和应用化学联合会化学术语概略,第二版。(金皮书)(1997)。在线校正版: (2006–) "configuration (electronic)"。doi:10.1351/goldbook.C01248

外部链接