高中化学/电子构型写作

课程目标

弄清楚在任何给定的子能级上可以存在多少个电子。
弄清楚在任何给定的能级上可以存在多少个不同的子能级。
能够根据元素中电子的总数写出任何元素的电子构型。
能够写出轨道表示或电子构型代码。

电子构型

电子是如何填充不同的能级、子能级和轨道的？为了理解这个问题，看看图 7.3 会很有帮助。图 7.3 显示了前三个能级（用不同颜色的块标记），以及任何原子中存在的子能级（用虚线分隔）。在图 7.3 中，每个圆圈代表一个轨道，当然，每个轨道最多可以容纳两个电子。注意红色的 n = 1 块只包含一个 s 轨道。该轨道将容纳原子中的前两个电子。一旦红色的 n = 1 块完全填充，电子将开始填充橙色的 n = 2 块。在橙色的 n = 2 块中，有四个不同的轨道。第一个轨道是 s 轨道，另外三个是 p 轨道。一旦橙色 n = 2 块中的所有四个轨道都被填充，电子将开始填充黄色的 n = 3 块。在黄色的 n = 3 块中，有九个不同的轨道。第一个轨道是 s 轨道，接下来的三个是 p 轨道，最后五个是 d 轨道。在填充 n = 3 块时，s 子能级将始终首先被填充，因为它能量最低。同样，它最多可以容纳 2 个电子。之后，接下来的六个将填充三个 p 轨道。

到目前为止，我们已经讨论了如何填充图 7.3 中的轨道，一直到 3p 轨道。这总共是 18 个电子。前 18 个电子“非常简单”，因为它们按顺序填充轨道。首先，所有 n = 1 轨道都被填充，然后所有 n = 2 轨道都被填充，然后 n = 3 轨道被填充。但是，从第 19 个电子开始，事情就变得有点疯狂了！在我们继续讨论 18 个电子以外的区域之前，让我们简要了解一下科学家用来表示给定原子的电子轨道填充的简写符号。

由于轨道按 n 增加的顺序填充，并且在每个能级内按 ℓ 增加的顺序填充，科学家可以使用一种称为电子构型代码的简写符号来表示填充的轨道。要写出原子的电子构型代码，你需要写出特定子能级上存在的轨道类型的符号（1s、2s、2p 等），然后用上标表示你所描述的原子中该子能级中实际存在的电子数。让我们看几个例子。

例 1

氮有 7 个电子。写出氮的电子构型。

解答:

仔细观察图 7.3，并用它来弄清楚每个子能级中有多少个电子，以及不同的子能级填充的顺序。

1. 从填充 1s 子能级开始。这得到 1s²。现在红色的 n = 1 块中的所有轨道都被填充了。

由于我们使用了 2 个电子，因此还剩下 7 − 2 = 5 个电子

2. 接下来，填充 2s 子能级。这得到 1s²2s²。现在橙色 n = 2 块中 s 子能级中的所有轨道都被填充了。

由于我们又使用了 2 个电子，因此还剩下 5 − 2 = 3 个电子

3. 注意，我们还没有填充整个 n = 2 块…… 仍然有 p 轨道！

最后 3 个电子进入 2p 子能级。这得到 1s²2s²2p³

总的电子构型是：1s²2s²2p³。

重叠能级

如果你要猜，你认为在 3p 轨道之后会填充哪个轨道？你很可能会猜到 3d 轨道会排在下一位——这个猜想很有道理。不幸的是，这个猜想也是错误的！事实证明，4s 轨道是在 3d 轨道之前填充的，即使 4s 轨道有 n = 4，而 3d 轨道只有 n = 3。

这怎么可能呢？这是否意味着电子会进入能量更高的轨道，而不是完全填充能量更低的轨道？这些电子出了什么问题？是否有某些电子被阻止进入低能轨道？究竟发生了什么？

事实证明，那些 4s 电子根本没有问题。它们的行为仍然像正常的电子，并且仍然进入可用的最低能量轨道。唯一的区别是4s 轨道的能量低于 3d 轨道。有时，我们会误以为主量子数决定了哪个轨道会首先被填充。然而，当谈到轨道的填充顺序时，主量子数并不是唯一的因素——轨道的能量也很重要。通常，主量子数较低的轨道具有较低的能量，但在比较 3d 轨道和 4s 轨道的能量时，情况并非如此。在这种情况下，4s 轨道的能量低于 3d 轨道，尽管它们的能量更高。图 7.4 显示了图 7.3 的修改版本，其中显示了 n = 4 轨道的位置。让我们看一个例子，在这个例子中，一些 n = 4 轨道被填充。

例 2

钾有 19 个电子。写出钾的电子构型代码。

解答:

这次，仔细观察图 7.4。

1. 从填充 1s 子能级开始。这得到 1s²。现在 n = 1 能级已填充。

由于我们使用了 2 个电子，因此还剩下 19 − 2 = 17 个电子

2. 接下来，填充 2s 子能级。这得到 1s²2s²

由于我们又使用了 2 个电子，因此还剩下 17 − 2 = 15 个电子

3. 接下来，填充 2p 子能级。这得到 1s²2s²2p⁶。现在 n = 2 能级已填充。

由于我们又使用了 6 个电子，因此还剩下 15 − 6 = 9 个电子

4. 接下来，填充 3s 子能级。这得到 1s²2s²2p⁶3s²

由于我们又使用了 2 个电子，因此还剩下 9 − 2 = 7 个电子

5. 接下来，填充 3p 子能级。这得到 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

由于我们又使用了 6 个电子，因此还剩下 7 − 6 = 1 个电子

这里我们需要小心——就在 3p⁶ 之后！

记住，4s 在 3d 之前！

6. 最后一个电子进入 4s 子能级。这得到 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹

总的电子构型代码是：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹。

对角线规则

不幸的是，4s 轨道并非唯一一个填充顺序早于预期主量子数的轨道。5s 轨道也表现出同样的情况。尽管 5s 轨道的主量子数比 4d 轨道高（n = 5 与 n = 4 相比），但它们的能量实际上更低。因此，5s 轨道总是先于 4d 轨道填充。同样，6s 轨道的能量低于 5d 轨道，因此 6s 轨道总是先填充。当你考虑 f 轨道时，情况变得更加奇怪。5s、5p 和 6s 轨道都比 4f 轨道更低。换句话说，在你能将电子放入 4f 轨道之前，你必须先填满 5s 轨道、5p 轨道和 6s 轨道。

对于原子核电子数少于 18 个的原子来说，填充轨道和写电子构型非常简单！但对于原子核电子数超过 18 个的原子来说，记住所有不同的规则似乎毫无希望。你如何才能确定 5s 轨道是高于还是低于 4d 轨道或 4f 轨道？值得庆幸的是，有一个简单的规则，称为 **对角线规则**。对角线规则指出：电子按 **量子数总和** (n + ℓ)递增的顺序填充轨道。当两个轨道具有相同的量子数总和时，它们将按 n 递增的顺序填充。

幸运的是，对角线规则也有一个易于记忆的图表，它可以让你轻松地确定电子轨道的填充顺序。下图显示了该图表。为了使用它，你必须从左上角的第一个箭头开始，沿着箭头从尾部到头部，一直向下到图表的右下角。为了了解它的工作原理，让我们看一个例子。

例 3

铪有 72 个电子。写出铪的电子构型。

解答:

我们可以按照图表中的箭头（如下所示）进行操作，直到我们分配了所有 72 个电子。请注意，你是如何沿着箭头前进，从最上面的箭头开始，向下移动，来填充轨道的。记住，一旦你达到 72 就停止。此时，你已经完成了写铪的电子构型的步骤。

现在我们知道了电子是如何分配到轨道的，我们就可以开始讨论不同的轨道和不同的电子构型是如何真正影响不同原子的化学性质的。换句话说，我们实际上可以开始讨论化学！有时，量子物理学和量子化学似乎与我们日常生活中看到的和使用的真实世界化学相距甚远。轨道在开发治疗癌症的新药方面是如何重要的？能量级在发明不同类型的超导体或塑料方面是如何重要的？电子驻波在检测食品中的毒素方面是如何重要的？所有这些过程都是由化学性质决定的，而化学性质本身又是电子在不同原子和分子中排列和相互作用的直接结果。有时，我们很容易忘记电子和亚原子粒子的某些奇怪的量子特性。然而，如果我们不了解化学中最小的组成部分——电子、质子、中子和，当然还有原子——我们就永远无法完全理解化学。

课程总结

对于任何原子核电子数少于 18 个的原子，轨道按 n 递增的顺序填充，并且对于任何给定的 n，按 ℓ 递增的顺序填充。
电子构型是表示给定原子中填充轨道的简写符号。它们使用能级的主量子数 n、亚能级的字母 (s、p、d 或 f) 以及该亚能级中电子数量的上标来写。
对于原子核电子数超过 18 个的原子，轨道按 n 递增的顺序填充（并且对于给定的 n，按 ℓ 递增的顺序填充），直到第 18 个电子；但是，在第 18 个电子之后，4s 轨道在 3d 轨道之前被填充。这是因为 4s 轨道的能量低于 3d 轨道。
对角线规则指出，电子按 **量子数总和** (n + ℓ)递增的顺序填充轨道。当两个轨道具有相同的 "量子数总和" 时，它们将按 n 递增的顺序填充。

复习题

写出铍的电子构型。铍有 4 个电子。
写出硅的电子构型。硅有 14 个电子。
写出氮的电子构型。氮有 7 个电子。
写出铬的电子构型。铬有 24 个电子。
写出银的电子构型。银有 47 个电子。

词汇

对角线规则: 电子按 **量子数总和** (n + ℓ)递增的顺序填充轨道。当两个轨道具有相同的 "量子数总和" 时，它们将按 n 递增的顺序填充。
电子构型: 一种简写符号，用于表示特定原子中填充的电子轨道。
量子数总和: 电子的主量子数 n 和角动量量子数 ℓ 的总和。即 n + ℓ。

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此材料改编自可在此处找到的原始 CK-12 图书。这项工作是在知识共享署名-相同方式共享 3.0 美国许可下授权的。