普通化学/填充电子层

填充电子层

当原子或离子在其轨道中接收电子时，轨道和电子层会以特定方式填充。

泡利不相容原理

您可以将原子视为从裸核开始，逐渐添加一个电子，直到添加了所有它将容纳的电子。就像用液体从底部向上填充容器一样，原子的轨道也从最低能量轨道填充到最高能量轨道。

具有最低主量子数 ($n$) 的轨道具有最低能量，并将首先填充，在较小的原子中。具有更多亚层的较大原子将似乎“无序”地填充，因为影响轨道能量的其他因素变得重要。在一个电子层中，可能会有多个轨道具有相同的能量。在这种情况下，必须应用更具体的规则。例如，给定电子层的三个 p 轨道都发生在相同的能级上。那么，它们是如何填充的呢？答案：所有三个 p 轨道都具有相同的能量，因此在填充 p 轨道时，我们可以首先填充 Px、Py 或 Pz 中的任何一个。这是一个约定，我们选择首先填充 Px，然后是 Py，然后是 Pz，为了我们的简单起见。因此，您也可以选择从右到左填充这三个轨道。泡利不相容原理指出“原子轨道按能量级递增的顺序填充电子”。

洪特规则

根据洪特规则，相同能量的轨道每个填充一个电子，然后才填充任何一个电子。此外，这些第一个电子具有相同的自旋。

这条规则有时被称为“公交座位规则”。当人们上公交车时，每个人都坐自己的座位，独自坐着。只有当所有座位都坐满后，人们才会开始成双成对地坐。

泡利不相容原理

没有两个电子可以具有完全相同的四个量子数。这在我们的轨道图中意味着每个轨道只能容纳两个电子，一个“自旋向上”(+½) 和一个“自旋向下”(-½)。

此动画演示了泡利不相容原理、洪特规则和泡利不相容原理。

轨道顺序

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s.

虽然这看起来很混乱，但有一个简单的方法可以记住。按照从上到下、从每行的右上角到左下角的线的顺序。

了解上述规则和图将使您能够确定几乎所有原子或离子的电子构型。

如何写出孤立原子的电子构型

电子构型表示法相对简单。例如，一个孤立的钙原子 ²⁰Ca，在它的基态将具有 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² 的构型。其他构型如 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹4p¹ 是可能的，但这些激发态具有更高的能量。它们不稳定，通常只存在短暂的时间。

Ca 的基态构型可以通过使用前面的惰性气体（周期表最右侧的元素）来简化，例如 [Ar]4s²，其中 Ar 是氩气。

惰性气体具有非常稳定的构型，并且极不情愿地失去或获得电子。惰性气体原子也是唯一在基态下经常以孤立原子形式存在的原子。其他元素的原子在我们所处的条件下都会发生键合，这会影响最外层电子所在的轨道。从这个意义上说，其他元素的电子构型有点假设：要遇到一个孤立的原子，例如，钨（W），我们必须首先蒸发一个沸点为 5800K 的金属。然而，了解原子构型是有用的，因为它确实帮助我们理解它们如何以及为什么键合，即它们为什么以及如何改变其外层价电子的构型。

稳定性规则

如果一个亚层是半满或满的，它就特别稳定。给定两种构型，原子将“选择”更稳定的一个。

**示例:** 在以下构型中，Cu: [Ar]4s²3d⁹，铜的d层离稳定状态只差一个电子，因此，s层的一个电子跳入d层: [Ar]4s¹3d¹⁰。这样，d层就满了，因此是稳定的，而s层是半满的，也因此是稳定的。

另一个示例: 铬的构型为[Ar]4s¹3d⁵，虽然你可能预期看到四个d电子而不是五个。这是因为一个s电子跳入了d轨道，使原子具有两个半满的层 - 比只有四个电子的d轨道更稳定。

稳定性规则适用于与铬和铜同一族的原子。

如果这些原子中的一个被电离，即失去一个电子，这个电子将来自s轨道而不是d轨道。例如，Cu⁺ 的构型为[Ar]4s⁰3d¹⁰。如果更多电子被移除，它们将来自d轨道。

磁性

电子的自旋产生磁场（尽管非常弱），因此未成对电子会产生一个小的磁场。成对电子具有相反的自旋，因此磁场相互抵消，导致反磁性。

磁性是一种众所周知的效果。你很可能在你的冰箱上安装了磁铁。正如你已经知道的，只有某些元素具有磁性。电子构型有助于解释原因。

**反磁性**实际上是对磁场的非常弱的排斥。所有元素都或多或少地具有反磁性。它发生在存在成对电子的时候。

**顺磁性**是对外部磁场的吸引。它也很弱。它发生在轨道中存在未成对电子时。

反磁性和顺磁性都是自旋相互 *独立* 作用的响应。这分别导致相当弱的排斥和吸引。然而，当它们位于固体中时，它们也可能相互作用并 *集体* 响应，这可能导致相当不同的性质。

**铁磁性**是我们日常生活中遇到的永久磁性。它发生在固体中所有未成对自旋耦合并倾向于沿相同方向排列时，导致暴露在磁场中时产生强烈的吸引。这仅在室温下发生在三种元素中：铁 (Fe)、镍 (Ni) 和钴 (Co)。钆 (Gd) 是一个临界情况。它在 20^oC 以上失去其铁磁性；高于该温度，自旋开始单独作用。然而，许多合金和化合物表现出强烈的铁磁耦合。最强的是 Nd₂Fe₁₄B。

**反铁磁性**也是一种永久磁性，其中未成对自旋排列，但它们以相反的方向排列。结果是该材料对磁场几乎没有反应。铬 (Cr) 就是一个例子。

**亚铁磁性**是铁磁性和反铁磁性的组合。未成对自旋部分以相反的方向排列，但补偿不完全。这就是为什么该材料仍然强烈地被磁场吸引。磁铁矿 Fe₃O₄ 就是这样的物质。它是第一个被研究磁性的物质，很可能就在你的冰箱上。