电子排布和能级

原子是物质的基本构造单元。它们由原子核和绕该核旋转的电子组成。化学中的基本原理之一是理解这些电子如何围绕原子核排列。这种排列称为电子排布。理解电子排布有助于我们理解原子如何相互作用、键合和形成我们周围世界中的多种材料。

什么是电子排布？

电子排布指的是电子在原子轨道中的分布。电子在靠近原子核的区域称为轨道。这些轨道分组为不同的能级，也称为电子层。电子排布用数字和字母表示，指示能级、次能级以及每个轨道中的电子数。

电子排布通常写为：

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶...
    

这个排布展示了电子按能量递增顺序的排列。每个数字代表一个主要能级，每个字母代表一个次能级（s, p, d, f），每个字母上方的数字表示该次能级中的电子数量。

能级和次能级

电子停留在原子核周围的“壳”或能级中。 这些壳由主量子数 n 定义，n 从靠近原子核的 1 开始，并向外增加。每个能级可以有一定数量的电子：

• 第一能级 (n = 1)：最多可容纳 2 个电子
• 第二能级 (n = 2)：最多可容纳 8 个电子
• 第三能级 (n = 3)：最多可容纳 18 个电子
• 第四能级 (n = 4)：最多可容纳 32 个电子

这些能级由次能级组成，每个次能级的大小和容纳电子的能力不同：

1. s 次能级：球状形状，最多可容纳 2 个电子。
2. p 次能级：哑铃形状，最多可容纳 6 个电子。
3. d 次能级：形状更复杂，最多可容纳 10 个电子。
4. f 次能级：形状更为复杂，最多可容纳 14 个电子。

每个能级中的次能级的数量和类型由能级数决定：

• 第一能级：1s 次能级
• 第二能级：具有两个次能级，2s 和 2p
• 第三能级：具有 3 个次能级，3s，3p 和 3d
• 第四能级：具有 4 个次能级，4s，4p，4d 和 4f

次层的填充顺序

电子根据能级以特定顺序填充轨道，这不是严格的顺序（例如，1, 2, 3, 4, ...），因为次能级的能量重叠。这就是为什么一些元素有意想不到的配置。次能级的填充顺序遵循“构造原理”，该原理规定电子填充能量最低的可用轨道。

以下是一个显示填充顺序的示例：

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p
    

通过示例可视化能级

让我们考虑元素氧的电子排布，氧的原子序数为 8，这意味着它有 8 个电子。为了找到它的电子排布，我们需要根据次能级的填充顺序分配这 8 个电子：

1s² 2s² 2p⁴
    

Hund 规则和 Pauli 排除原理的应用

在将电子放入轨道时，必须考虑两个重要的量子力学原理：

• Pauli 排他原理：一个原子中的两个电子不能具有相同的量子数。因此，每个轨道最多可容纳 2 个自旋相反的电子。
• Hund 规则：一个子层中的每个轨道必须先单独占据，然后才能双重占据。此外，为了清晰和稳定，单独占据轨道的所有电子必须具有相同的自旋。

由于这些原则，元素如氮，原子序数为 7，具有电子排布 1s² 2s² 2p³，2p子层中的三个电子各自占据自己轨道。

了解价电子

价电子是原子最外层能级的电子。这些是化学反应中最活跃的电子，因为它们最易于参与键合。价电子的数量决定了元素的化学性质及其活性。

例如，考虑钠（Na），其电子排布如下：

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
    

3s轨道中最外层的电子是价电子。这是钠通常在形成 Na⁺ 离子时丢失的电子，形成类似于稀有气体的稳定填满的 2s² 2p⁶ 状态。

周期趋势和电子排布

电子排布有助于解释周期表的排列以及在周期和族中观察到的趋势。例如，同一族（按列）元素具有相似的价电子排布，使它们具有相似的化学性质。

考虑被称为碱金属的元素族，包括锂（Li）、钠（Na）和钾（K）：

- 锂：1s² 2s¹
- 钠：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
- 钾：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

每个都有一个电子在其最外层次能级，这个电子很容易失去，使得它们高度反应性。

结论

简而言之，电子排布是描述原子中电子轨道排列的方式。这一基本但重要的知识有助于我们理解原子如何键合、反应和形成分子。理解电子排布不仅是化学的基础，也是在物理学和材料科学等多个领域的基础。

这种对电子排布和能级的详细理解是化学更先进主题的基础，帮助我们理解构成宇宙的基本结构。

评论