核外電子排布排布原理

最低能量原理

電子在原子核外排布時(shí)，要盡可能使電子的能量最低。怎樣才能使電子的能量最低，例如我們站在地面上，不會(huì)覺(jué)得有什么危險(xiǎn)；如果我們站在20層樓的頂上，再往下看時(shí)我們心理感到害怕。這是因?yàn)槲矬w在越高處具有的勢(shì)能越高，物體總有從高處往低處的一種趨勢(shì)，就像自由落體一樣，我們從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)物體會(huì)自動(dòng)從地面上升到空中，物體要從地面到空中，必須要有外加力的作用。電子可看作是一種物質(zhì),也具有同樣的性質(zhì)，即它在一般情況下總想處于一種較為安全（或穩(wěn)定）的一種狀態(tài)（基態(tài)），也就是能量最低時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)有外加作用時(shí)，電子也是可以吸收能量到能量較高的狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），但是它總有要回到基態(tài)的趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來(lái)越大；同一層中，各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的。這兩種作用的總結(jié)果可以得出電子在原子核外排布時(shí)遵守下列次序：1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d<7p……（由低到高）當(dāng)然，在實(shí)際排列中，有時(shí)候因?yàn)殡娮拥拇帕孔訑?shù)和自旋量子數(shù)的原因，能級(jí)軌道的能量高低也不是絕對(duì)像上邊一樣的，比如說(shuō)Ⅷ族元素Pt，5(d9)6(s1)，6s軌道還沒(méi)有排完，下一個(gè)電子就進(jìn)駐5d軌道了……這些就要具體問(wèn)題具體分析了。（一般情況下,4s<3d,這是用薛定諤方程算出的結(jié)果,被稱作是能級(jí)交錯(cuò)。但由于H原子只有一個(gè)電子,填在1S中,所以3d與4s能量一樣）

泡利不相容原理

一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要從4個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個(gè)原子中沒(méi)有也不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子存在，這就是泡利不相容原理所告訴大家的。根據(jù)這個(gè)規(guī)則，如果兩個(gè)電子處于同一軌道，那么，這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反。也就是說(shuō)，每一個(gè)軌道中只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。這一點(diǎn)好像我們坐電梯，每個(gè)人相當(dāng)于一個(gè)電子，每一個(gè)電梯相當(dāng)于一個(gè)軌道，假設(shè)電梯足夠小，每一個(gè)電梯最多只能同時(shí)供兩個(gè)人乘坐，而且乘坐時(shí)必須一個(gè)人頭朝上，另一個(gè)人倒立著（為了充分利用空間）。根據(jù)泡利不相容原理，我們得知：s亞層只有1個(gè)軌道，可以容納兩個(gè)自旋相反的電子；p亞層有3個(gè)軌道，總共可以容納6個(gè)電子；d亞層有5個(gè)軌道，總共可以容納10個(gè)電子，f亞層有7個(gè)軌道，總共可以容納14個(gè)電子。我們還得知：第一電子層（K層）中只有1s亞層，最多容納兩個(gè)電子；第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個(gè)亞層，總共可以容納8個(gè)電子；第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個(gè)亞層，總共可以容納18個(gè)電子……第n層總共可以容納2n^2個(gè)電子。

洪特規(guī)則

從結(jié)果總結(jié)出來(lái)的洪特規(guī)則有兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時(shí)，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行；洪特規(guī)則的第二個(gè)含義是對(duì)于同一個(gè)電子亞層，當(dāng)電子排布處于∶

全滿（s2、p6、d10、f14）

半滿（s1、p3、d5、f7）

全空（s0、p0、d0、f0）時(shí)比較穩(wěn)定。這類似于我們坐電梯的情況中，要么電梯是空的，要么電梯里都有一個(gè)人，要么電梯里都擠滿了兩個(gè)人，大家都覺(jué)得比較均等，誰(shuí)也不抱怨誰(shuí)；如果有的電梯里擠滿了兩個(gè)人，而有的電梯里只有一個(gè)人，或有的電梯里有一個(gè)人，而有的電梯里沒(méi)有人，則必然有人產(chǎn)生抱怨情緒，我們稱之為不穩(wěn)定狀態(tài)。

例如，第24號(hào)元素鉻Cr，如果按照各能級(jí)填充規(guī)則，其核外電子排布式應(yīng)為1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 但是，依據(jù)洪特規(guī)則可知3d能級(jí)填充5個(gè)電子時(shí)較穩(wěn)定，所以其核外電子排布式為1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1

同理，第29號(hào)元素銅Cu的核外電子排布式應(yīng)為1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1。

對(duì)于某元素原子的核外電子排布情況，先確定該原子的核外電子數(shù)（即原子序數(shù)、質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)），如24號(hào)元素鉻，其原子核外總共有24個(gè)電子，然后將這24個(gè)電子從能量最低的1s亞層依次往能量較高的亞層上排布，只有前面的亞層填滿后，才去填充后面的亞層，每一個(gè)亞層上最多能夠排布的電子數(shù)為：s亞層2個(gè)，p亞層6個(gè)，d亞層10個(gè)，f亞層14個(gè)。最外層電子到底怎樣排布，還要參考洪特規(guī)則，如24號(hào)元素鉻的24個(gè)核外電子依次排列為

1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）4s（2）3d（4）

根據(jù)洪特規(guī)則，d亞層處于半充滿時(shí)較為穩(wěn)定，故其排布式應(yīng)為：

1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）4s（1）3d（5）最后，按照人們的習(xí)慣“每一個(gè)電子層不分隔開(kāi)來(lái)”，改寫成

1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）3d（5）4s（1）即可。

與軌道表示式、原子結(jié)構(gòu)示意圖的關(guān)系

原子的核外電子排布與軌道表示式、原子結(jié)構(gòu)示意圖的關(guān)系：原子的核外電子排布式與軌道表示式描述的內(nèi)容是完全相同的，相對(duì)而言，軌道表示式要更加詳細(xì)一些，它既能明確表示出原子的核外電子排布在哪些電子層、電子亞層上， 還能表示出這些電子是處于自旋相同還是自旋相反的狀態(tài)，而核外電子排布式不具備后一項(xiàng)功能。原子結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出電子在原子核外分層排布的情況，但它并沒(méi)有指明電子分布在哪些亞層上，也沒(méi)有指明每個(gè)電子的自旋情況，其優(yōu)點(diǎn)在于可以直接看出原子的核電荷數(shù)（或核外電子總數(shù)）。

原子的核外電子排布與元素周期律的關(guān)系

如第一周期中含有的元素種類數(shù)為2，是由1s1~2決定的

第二周期中含有的元素種類數(shù)為8，是由2s1~2 2p0~6決定的

第三周期中含有的元素種類數(shù)為8，是由3s1~2 3p0~6決定的

第四周期中元素的種類數(shù)為18，是由4s1~2 3d0~10 4p0~6決定的。

由此可見(jiàn)，元素原子核外電子排布的規(guī)律是元素周期表劃分的主要依據(jù)，是元素性質(zhì)周期性變化的根本所在。對(duì)于同族元素而言，從上至下，隨著電子層數(shù)增加，原子半徑越來(lái)越大，原子核對(duì)最外層電子的吸引力越來(lái)越小，最外層電子越來(lái)越容易失去，即金屬性越來(lái)越強(qiáng)；對(duì)于同周期元素而言，隨著核電荷數(shù)的增加，原子核對(duì)外層電子的吸引力越來(lái)越強(qiáng)，使原子半徑逐漸減小，金屬性越來(lái)越差，非金屬性越來(lái)越強(qiáng)。

在原子里，原子核位于整個(gè)原子的中心，電子在核外繞核作高速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)殡娮釉陔x核不同的區(qū)域中運(yùn)動(dòng)，我們可以看作電子是在核外分層排布的。按核外電子排布的3條原則將所有原子的核外電子排布在該原子核的周圍，發(fā)現(xiàn)核外電子排布遵守下列規(guī)律：原子核外的電子盡可能分布在能量較低的電子層上（離核較近）；若電子層數(shù)是n，這層的電子數(shù)目最多是2*（n^2）個(gè)；無(wú)論是第幾層，如果作為最外電子層時(shí)，那么這層的電子數(shù)不能超過(guò)8個(gè)，如果作為倒數(shù)第二層（次外層），那么這層的電子數(shù)便不能超過(guò)18個(gè)。這一結(jié)果決定了元素原子核外電子排布的周期性變化規(guī)律，按最外層電子排布相同進(jìn)行歸類，將周期表中同一列的元素劃分為一族；按核外電子排布的周期性變化來(lái)進(jìn)行劃分周期 。2100433B

處于穩(wěn)定狀態(tài)的原子，核外電子將盡可能地按能量最低原理排布，另外，由于電子不可能都擠在一起，它們還要遵守泡利不相容原理和洪特規(guī)則及其補(bǔ)充規(guī)則，一般而言，在這三條規(guī)則的指導(dǎo)下，可以推導(dǎo)出元素原子的核外電子排布情況，在中學(xué)階段要求的前36號(hào)元素里，沒(méi)有例外的情況發(fā)生。

書寫軌道表示式除須遵守上述三個(gè)原則之外，還要參考核外電子的排布方法。在此僅作簡(jiǎn)單的介紹：

對(duì)于某元素原子的核外電子排布情況，先確定該原子的核外電子數(shù)（即原子序數(shù)、質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)），如24號(hào)元素鉻，其原子核外總共有24個(gè)電子，然后將這24個(gè)電子從能量最低的1s亞層依次往能量較高的亞層上排布，只有前面的亞層填滿后，才去填充后面的亞層，每一個(gè)亞層上最多能夠排布的電子數(shù)為：s亞層2個(gè)，p亞層6個(gè)，d亞層10個(gè)，f亞層14個(gè)。最外層電子到底怎樣排布，還要參考洪特規(guī)則，如24號(hào)元素鉻的24個(gè)核外電子依次排列為

1s22s22p63s23p64s23d4

根據(jù)洪特規(guī)則，d亞層處于半充滿時(shí)較為穩(wěn)定，故其排布式應(yīng)為：

1s22s22p63s23p64s13d5

最后，按照人們的習(xí)慣“每一個(gè)電子層不分隔開(kāi)來(lái)”，改寫成

1s22s22p63s23p63d54s1

事實(shí)上，鋼筋排布并不是那么簡(jiǎn)單和輕而易舉，雖然國(guó)家已經(jīng)發(fā)布了若干有關(guān)鋼筋工程方面的規(guī)范與圖集，可是在實(shí)際操作中，還是有許多疑難問(wèn)題一直爭(zhēng)論不休，沒(méi)能徹底解決，所以國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院在2006年出臺(tái)了《06G901-1混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖》（現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、框架-剪力墻）圖集。這本圖集才是鋼筋工程關(guān)于鋼筋排布最有說(shuō)服力的法規(guī)文件。

2008年，國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院又出臺(tái)了一本《08G101-11.G101系列圖集施工常見(jiàn)問(wèn)題答疑解惑》，到此為止，鋼筋排布在框架和剪力墻方面的所有困惑、疑難均已得到圓滿的解答。2100433B