高中化学/轨道构型
在主族元素的电子构型课程中，你已经了解了一些关于价电子的知识。你已经看到了价电子的数量和类型如何决定特定元素的化学性质。1A族金属非常活泼，因为它们具有强烈的倾向于失去它们唯一的价s电子。2A族金属也很活泼，但活性较低，因为它们有2个价s电子。最后，8A族元素是惰性（根本不活泼），因为它们的价层和p亚层完全填满，这意味着它们既不易失去也不易获得电子。现在你可能想知道为什么我们没有太多讨论4A-7A族元素的化学性质。事实证明，要理解这些元素的行为需要更多信息。具体来说，我们需要知道p轨道上的电子是如何填充的。例如，碳是4A族元素，所以它有2个价s电子，和2个价p电子。显然，2个价s电子在s轨道中配对，但是2个价p电子呢？价p电子是配对在一个p轨道中，还是每个都在它们自己的p轨道中（记住，总共有3个p轨道可以找到价p电子）。氮怎么样？氮是5A族元素，所以它有2个价s电子，和3个价p电子。同样地，2个价s电子必须在s轨道中配对，但是3个价p电子呢？它们中有两个在同一个p轨道中配对，还是所有三个都有它们自己的p轨道？
- 绘制轨道图。
- 定义洪特规则。
- 使用洪特规则来决定电子如何填充具有多个轨道的亚层。
在我们讨论p亚层中轨道填充的顺序和方式之前，我们必须介绍科学家用来显示轨道填充的符号表示法。科学家经常用方框来表示轨道。
下图显示了一组代表高达n = 2 能级轨道。方框描绘了n = 1 和 n = 2 能级的电子轨道。注意，对于n = 1，只有一个s轨道，而对于n = 2，有一个s轨道和三个p轨道。
当一个“自旋向上”电子出现在一个轨道中时，科学家会在该轨道的方框中画一个向上的箭头。这导致了所谓的轨道图。例如，氢在1s轨道中只有一个电子。如果这个唯一的电子是自旋向上（ms = +1/2），氢的轨道图将如下所示
当一个“自旋向下”电子出现在一个轨道中时，科学家会在该轨道的方框中画一个向下的箭头。例如，氦在1s轨道中有两个电子。我们知道，这两个电子中一个必须是“自旋向上”，另一个必须是“自旋向下”，所以氦的轨道图将如下所示
通过比较前两个轨道表示图，你应该很容易地知道哪些电子是配对的，哪些是未配对的。这是轨道图的优势之一。轨道图是清晰地显示特定原子电子构型中究竟有多少配对电子和未配对电子的方法。
现在你可能想知道关于未配对电子 - 你如何知道是否将它们绘制为“自旋向上”或“自旋向下”。从技术上讲，亚层（1s、2s、2p等）中的第一个电子可以是“自旋向上”或“自旋向下”。换句话说，对于氢（1s1），你可以在1s轨道框中绘制指向向上或向下的箭头。同样地，对于硼（1s22s22p1），你可以在2p轨道框中绘制指向向上或向下的箭头。但是，一旦你选择了一个亚层中第一个电子的自旋，该亚层中所有其他电子的自旋就取决于你为第一个选择的自旋。为了避免混淆，科学家“总是将轨道中的第一个电子绘制为‘自旋向上’”。如果你坚持这条规则，你永远不会陷入困境。
如果你执意违反这条规则，你可能会画出错误的轨道图，如下面的图所示。按照惯例，科学家通常将所有未配对电子绘制为“自旋向上”。这可以防止他们绘制像图(c)中所示的错误轨道图。在下一节中，你将了解到图(c)中的轨道图是错误的，因为它不遵守洪特规则。
请注意，通过将每个轨道中的第一个电子绘制为“自旋向上”，亚层中所有未配对电子都具有相同的自旋，即使它们在不同的轨道中！这是由于一个叫做洪特规则的原理。我们将在下一节更详细地讨论洪特规则。
之前我们了解到，任何给定轨道中电子的能量取决于该轨道的能级（由主量子数n决定）和该轨道的亚层（s、p、d等，由角量子数ℓ决定）。我们还了解到，根据泡利不相容原理，电子将首先填充最低能量的轨道，然后仅在较低能量的轨道填满后才会移动到较高能量的轨道。但是，如果你仔细考虑，你会意识到仍然存在问题。当然，1s轨道应该在2s轨道之前填充，因为1s轨道的n值较低，因此能量较低。同样地，2s轨道应该在2p轨道之前填充，因为2s轨道的ℓ值较低（ℓ = 0），因此能量较低。那么三个不同的2p轨道呢？电子以什么顺序填充2p轨道？要回答这个问题，我们需要转向一个叫做洪特规则的原理。洪特规则指出：（1）亚层中的每个轨道都将在任何轨道被双重占据之前被单独占据。（2）所有在单独占据轨道中的电子都具有相同的自旋。
根据第一条规则，电子总是会在配对之前占据空轨道。考虑到你对电子的了解，这应该是合理的。电子带负电荷，因此它们会互相排斥。由于电子-电子排斥会提高参与电子的能量，电子倾向于通过占据它们自己的轨道而不是与另一个电子共享轨道来最小化排斥（从而最小化它们的能量）。请看下图。
请注意，左侧轨道图中的两个2p电子处于单独的轨道中，而右侧轨道图中的两个2p电子共享一个轨道。左侧的轨道图是正确的轨道图，因为它遵循洪特规则，这意味着电子-电子排斥较小，因此电子具有较低的能量（记住，电子总是最小化它们的能量）。
下图说明了氮的轨道图，类似于第一个图中碳的轨道图。请注意，左侧轨道图中的所有三个2p电子都处于单独的轨道中，而右侧图中的三个2p电子中有两个共享一个轨道。左侧的轨道图是正确的轨道图，因为它遵循洪特规则。同样，这意味着电子-电子排斥较小，因此电子具有较低的能量。
下图显示了具有四个2p电子的原子可能的电子构型。这一次，两个电子别无选择 - 它们必须配对。但是，另外两个电子可以配对，如右侧的轨道图所示，或者占据它们自己的轨道，如左侧的轨道图所示。你认为哪个是正确的？显然，左侧的轨道图，因为它最小化了电子-电子排斥。左侧的轨道图也是遵循洪特规则的轨道图，因为所有轨道都在任何轨道被双重占据之前被单独占据。右侧的轨道图不遵循洪特规则，因为前两个轨道在第三个被单独占据之前被双重占据。
虽然很容易理解为什么电子会在配对之前占据空轨道，但要理解为什么不同轨道中的未配对电子必须具有相同的自旋，则要困难得多。不同轨道中的电子自旋会对齐（全部指向同一方向），因为对齐的自旋比不对齐的自旋具有更低的能量。请注意，只要您始终将轨道中的第一个电子绘制为“自旋向上”，您将始终绘制对齐的自旋。回顾一下说明未配对电子为“自旋向上”的图。现在您已经了解了洪特规则，为什么轨道图 (c) 不正确应该很明显——单占据的 2p 轨道中的两个电子具有不同的自旋，因此该轨道图不符合洪特规则。将轨道图 (c) 与轨道图 (d) 进行比较。4.d 中的轨道图符合洪特规则，因为单占据的 2p 轨道中的两个电子具有相同的自旋。
现在我们已经了解了轨道图和洪特规则，我们可以开始解释 4A 族到 7A 族元素的化学性质。让我们以氮为例。
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示例 1 绘制氮的轨道图。 解决方案: 首先，我们需要像之前一样写出氮的电子构型，得到 1s22s22p3。为了绘制轨道图，我们将写下以下内容：前两个电子将在 1s 轨道中配对；接下来的两个电子将在 2s 轨道中配对。剩下 3 个电子，它们必须放在 2p 轨道中。根据洪特规则，在任何轨道被双占据之前，所有轨道都将被单占据。因此，我们知道每个p 轨道都得到一个电子。洪特规则还告诉我们，所有未配对电子必须具有相同的自旋。按照惯例，我们将所有这些电子绘制为“自旋向上”，得到
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轨道图可以帮助您预测某些元素的反应方式以及不同元素将形成的化学“化合物”或“分子”。我们还没有准备好讨论化合物或分子。您现在正在学习的原理将帮助您了解所有化学物质的行为，从像氢和氦这样最基本的元素，到您体内发现的最复杂的蛋白质（由成千上万种不同的原子结合在一起形成的巨大生物化学物质）。
- 轨道图通过将每个轨道表示为一个方框，将轨道中的每个“自旋向上”电子表示为方框中的向上箭头，将轨道中的每个“自旋向下”电子表示为方框中的向下箭头来绘制。每个方框中只能有两个箭头，并且它们必须指向相反的方向。
- 科学家使用这样的约定，即任何轨道中的第一个电子都是“自旋向上”，因此轨道“方框”中的第一个箭头应该指向向上。洪特规则指出
- 在任何轨道被双占据之前，亚能级中的每个轨道都将被单占据。
- 所有单占据轨道中的电子都具有相同的自旋。
- 电子将占据独立的轨道而不是配对，因为这将最大限度地减少电子之间的排斥，从而最大限度地减少能量。相同亚能级中不同轨道中的电子自旋会对齐，因为对齐的自旋具有更低的能量。
- 以下哪个是有效的轨道图？
- 绘制锂 (Li) 的轨道图。
- 绘制碳 (C) 的轨道图。
- 绘制氟 (F) 的轨道图。
- 绘制氧 (O) 的轨道图。使用它回答以下问题
- (a) 氧原子有 ___ 个未配对价电子
- (b) 氧原子有 ___ 个配对价电子
- (c) 氧原子有 ___ 个配对非价电子
- (d) 氧原子有 ___ 个未配对非价电子
- 绘制氖 (Ne) 的轨道图。使用它回答以下问题
- (a) 氖原子有 ___ 个未配对价电子
- (b) 氖原子有 ___ 个配对价电子
- (c) 氖原子有 ___ 个配对非价电子
- (d) 氖原子有 ___ 个未配对非价电子
- 确定以下每个陈述是真还是假。
- (a) 在任何轨道被单占据之前，亚能级中的每个轨道都将被双占据。
- (b) 在任何轨道被双占据之前，亚能级中的每个轨道都将被单占据。
- (c) 所有单占据轨道中的电子都具有相同的自旋。
- (d) 单个轨道中的两个电子具有相同的自旋。
- (e) 所有单占据轨道中的电子都具有不同的自旋。
- (f) 单个轨道中的两个电子具有不同的自旋。
- 绘制磷 P 的轨道图。
- 绘制硅 (Si) 的轨道图。使用它回答以下问题
- (a) 硅原子有 ___ 个未配对价电子
- (b) 硅原子有 ___ 个配对价电子
- (c) 硅原子有 ___ 个配对非价电子
- (d) 硅原子有 ___ 个未配对非价电子
- 绘制 Mn 的轨道图。使用它确定 Mn 原子中未配对电子的总数。
- 洪特规则
- 在任何轨道被双占据之前，亚能级中的每个轨道都将被单占据。所有单占据轨道中的电子都具有相同的自旋。
- 轨道图
- 轨道图通过将每个轨道表示为一个方框，将轨道中的每个“自旋向上”电子表示为方框中的向上箭头，将轨道中的每个“自旋向下”电子表示为方框中的向下箭头来绘制。
此材料改编自可在 此处 找到的原始 CK-12 书籍。此作品在知识共享署名-相同方式共享 3.0 美国许可下授权