根據(jù)原子光譜實驗的結(jié)果,總結(jié)出原子在基態(tài)時,核外電子排布遵循以下三個原則:
(1)泡利(W.Pauli)不相容原理。在一個原子中,不可能存在4個量子數(shù)完全相同的兩個電子,或者說,一個原子軌道最多只能容納兩個自旋相反的電子。
(2)能量最低原理。在不違背泡利不相容原理的前提下,電子優(yōu)先占據(jù)能量較低的原子軌道,即電子按照原子軌道的能量由低到高的順序依次填充,使整個原子體系處于最低能量狀態(tài)。
(3)洪特(Hund)規(guī)則。在等價軌道(n和l相同的軌道,如3個p軌道,5個d軌道,7個f軌道)上分布的電子,將盡可能分占不同的軌道,且自旋狀態(tài)相同(自旋平行)。而且對于同一電子亞層,當(dāng)電子分布為全充滿(p6或d10或f14)、半充滿(p3或d5或f7)和全空(p0或d0或f0)時,原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
根據(jù)上述三條原則以及原子軌道能級順序,可以寫出各元素基態(tài)原子的電子結(jié)構(gòu)。例如Fe原子,原子序數(shù)Z=26,原子核外26個電子的排布為:1s22s22p63s23p63d64s2。注意,在書寫電子排布式時,要將3d軌道放在4s前面,與同層3s、3p軌道寫在一起。又如,24Cr的電子排布:1s22s22p63s23p63d54s1;29Cu的電子排布:1s22s22p63s23p63d104s1。根據(jù)洪特規(guī)則,半充滿d5,全充滿d10電子排布比較穩(wěn)定,所以Cr和Cu原子的4s軌道只占有一個電子,這也被光譜實驗的數(shù)據(jù)所證實。元素周期表中各元素基態(tài)原子的核外電子排布,有如下規(guī)律:
(1)原子的最外電子層最多只能容納8個電子(第一電子層為最外層只能容納2個電子)。
(2)次外電子層最多只能容納18個電子(若次外層n=1或2,最多只能有2或8個電子)。
(3)原子的外數(shù)第三層最多只有32個電子(若該層n=1,2,3,則最多只能有2、8、18個電子)。
在化學(xué)反應(yīng)中,參與反應(yīng)的只是原子的外層電子,其內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)通常是不變的,不參與反應(yīng)的內(nèi)層電子稱為原子實,可以用相應(yīng)的稀有氣體加方括號代表原子實。例如:26Fe的電子排布可以表示為:[Ar]3d64s2;47Ag的電子排布為[Kr]4d105s1。參與化學(xué)反應(yīng)的原子的外層電子,即填充在最高能級組有關(guān)軌道上的電子,稱為價電子。
值得注意,根據(jù)(n+0.7l)規(guī)則,基態(tài)原子的電子填充順序是:→ns→(n-2)f→(n-1)d→np。當(dāng)原子電離成為離子時,失電子的順序滿足(n+0.4l)規(guī)則,因此價電子的電離順序為:→np→ns→(n-1)d→(n-2)f。例如:Fe2+的電子分布式為:[Ar]3d64s0。
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