普通化学/电子层和轨道

电子层

每个电子层都细分为亚层，亚层由轨道组成，每个轨道上的电子具有不同的角动量。每个亚层中的轨道都有一个特征形状，并用字母命名。它们是：s、p、d 和 f。在一个单电子原子（如 H、He⁺、Li⁺² 等）中，特定电子层内每个轨道的能量是相同的。然而，当存在多个电子时，它们会相互作用并使轨道分裂成略微不同的能量。字母 s、p、d 和 f 指定了亚层（角量子数 l），轨道由磁量子数 m 指定。角量子数和磁量子数分别与电子的角动量的幅度和方向有关。在任何特定亚层中，轨道的能量取决于 s、p、d 和 f 轨道的角动量，按照从最低到最高的能量顺序排列。

此图像显示了轨道（以及用于键合的杂化轨道和一个样本电子构型，将在后面解释）。

s 亚层

原子中最简单的亚层是 1s 亚层。它没有径向或角节点：1s 亚层只是一个电子密度的球体。节点是电子位置概率为零的点。与所有亚层一样，径向节点的数量随着主量子数的增加而增加（即 2s 轨道有一个径向节点，3s 有两个，依此类推）。因为角动量量子数是 0，所以磁量子数只有一个选择 - 每个电子层只有一个 s 轨道。s 轨道可以容纳两个电子，只要它们具有不同的自旋量子数。s 轨道参与键合。

${\begin{matrix}n&=&1,2,3,...\\l&=&0\\m_{l}&=&0\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

p 亚层

从第二层开始，有一组 p 亚层。限制在 p 亚层中的电子的角动量量子数是 1，因此每个轨道都具有一个角节点。磁量子数有 3 个选择，这表明有 3 个不同方向的 p 亚层。最后，每个轨道可以容纳两个电子（自旋相反），使 p 轨道总容量为 6 个电子。

${\begin{matrix}n&=&2,3,4,...\\l&=&1\\m_{l}&=&-1,0,1\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

p 亚层的轨道都具有沿着每个轴指向的两个电子密度瓣。每个轨道沿其轴是对称的。p 亚层的轨道符号表明它指向哪个轴，例如，p_x 沿 x 轴指向，p_y 沿 y 轴指向，p_z 沿 z 轴上下指向。请注意，虽然 p_z 对应于 m_l = 0 轨道，但 p_x 和 p_y 实际上是 m_l = -1 和 m_l = 1 轨道的混合物。p 轨道是简并的 - 它们都具有相同的能量。p 轨道经常参与键合。

2px	2py	2pz

d 亚层

第一组 d 轨道是 3d 组。角动量量子数是 2，因此每个轨道都有两个角节点。磁量子数有 5 个选择，这导致 5 个不同的 d 轨道。每个轨道可以容纳两个电子（自旋相反），使 d 轨道总容量为 10 个电子。

${\begin{matrix}n&=&3,4,5,...\\l&=&2\\m_{l}&=&-2,-1,0,1,2\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

需要注意的是，除了d_z2轨道有两个相对的瓣和一个环状的电子密度外，所有d轨道都有四个电子密度瓣。d轨道可以进一步细分为两个子集。d_x2-y2和d_z2轨道都直接指向x，y和z轴，形成一个**e_g**子集。另一方面，d_xy，d_xz和d_yz轨道的瓣都排列在象限中，在轴上没有电子密度。这三个轨道形成一个**t_2g**子集。在大多数情况下，d轨道是**简并的**，但有时它们会分裂，e_g和t_2g子集会有不同的能量。**晶体场理论**预测并解释了这一现象。d轨道有时参与成键，特别是在无机化学中。

f 子层

第一组f轨道是4f子层。有7个可能的磁量子数，所以有7个f轨道。它们的形状相当复杂，在化学学习中很少出现。由于每个轨道可以容纳两个电子（自旋相反），所以有14个f电子。

${\begin{matrix}n&=&4,5,6,...\\l&=&3\\m_{l}&=&-3,-2,-1,0,1,2,3\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$