三、核外电子的排布规律

[b](一)最低能量原理[/b] 所谓最低能量原理是,原子核外的电子,总是尽先占有能量最低的原子轨道,只有当能量较低的原子轨道被占满后,电子才依次进入能量较高的轨道,以使原子处于能量最低的稳定状态。 原子轨道能量的高低为: 1.当n相同,l不同时,轨道的能量次序不s<p<d<f。例如,E3S<E3P<E3d。 2.当n不同,l相同时,n愈大,各相应的轨道能量愈高。例如,E2S<E3S<E4S。 3.当n和l都不相同时,轨道能量有交错现象。即(n-1)d轨道能量大于ns轨道的能量,(n-1)f轨道的能量大于np轨道的能量。在同一周期中,各元素随着原子序数递增核外电子的填充次序为ns,(n-2)f,(n-1)d,np。 核外电子填充次序如图4-8所示。 [img]https://baike.zhuayao.net/Uploads/zyzy/lilunshuji/yiyonghuaxue/yiyonghuaxue111.jpg[alt]电子填充的次序[/alt][/img] 图4-8 电子填充的次序 [b](二)鲍里(Pauli)不相容原理[/b] 鲍里不相容原理的内容是:在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子,或者说在同一原子中没有运动状态完全相同的电子。例如,氦原子的1s轨道中有两个电子,描述其中一个原子中没有运动状态的一组量子数(n,l,m,ms)为1,0,0,+1/2,另一个电子的一组量子数必然是1,0,0,-1/2,即两个电子的其他状态相同但自旋方向相反。根据鲍里不相容原理可以得出这样的结论,在每一个原子轨道中,最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。于是,不难推算出各电子层最多容纳的电子数为2n2个。例如,n=2时,电子可以处于四个量子数不同组合的8种状态,即n=2时,最多可容纳8个电子,见下表。
N22222222
L00111111
M0000+1+1-1-1
ms+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/2
在等价轨道中,电子尽可能分占不同的轨道,且自旋方向相同,这就叫洪特规则。 洪特规则实际上是最低能量原理的补充。因为两个电子同占一个轨道时,电子间的排斥作用会使体系能量升高,只有分占等价轨道,才有利于降低体系的能量。例如,碳原子核外有6个电子,除了有2个电子分布在1s轨道,2个电子分布在2s轨道外,另外2个电子不是占1个2p轨道,而是以自旋相同的方向分占能量相同,但伸展方向不同的两个2p轨道。碳原子核外6个电子的排布情况如下: [img]https://baike.zhuayao.net/Uploads/zyzy/lilunshuji/yiyonghuaxue/yiyonghuaxue112.jpg[alt]碳原子核外6个电子的排布情况[/alt][/img] 作为洪特规则的特例,等价轨道全充满,半充满或全空的状态是比较稳定的。全充满、半充满和全空的结构分别表示如下: [img]https://baike.zhuayao.net/Uploads/zyzy/lilunshuji/yiyonghuaxue/yiyonghuaxue113.jpg[alt]全充满、半充满和全空的结构分别表示[/alt][/img] 用洪特规则可以解释为什么Cr原子的外层电子排布为3d54s1而不是3d44s2,Cu原子的外层电子排布为3d104s1而不是3d94s2。 应该指出,核外电子排布的原理是从大量事实中概括出来的一般规律,绝大多数原子核外电子的实际排布与这些原理是一致的。但是随着原子序数的增大,核外电子排布变得复杂,用核外电子排布的原理不能满意地解释某些实验的事实。在学习中,我们首先应该尊重事实,不要拿原理去适应事实。也不能因为原理不完善而全盘否定原理。科学的任务是承认矛盾,不断地发展这些原理,使之更加趋于完善。