有机化学/有机化学基础概念/原子结构
.png)
|
| 锂原子的简单模型。 不是按比例绘制的！ |
原子由一个原子核和绕原子核运行的电子组成。原子核由质子和中子组成。处于自然状态、未带电的原子具有与质子数量相同的电子数量。
原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。中子和质子具有几乎相同的质量，它们共同构成了原子大部分的质量。
电子是带负电的粒子。电子的质量约为质子或中子的 2000 分之一，为 0.00055 amu。电子绕原子核高速旋转，无法确定电子在任何时间点的具体位置。图示描绘了旧的玻尔原子模型，在该模型中，电子像行星围绕太阳运行一样，占据原子核周围的离散的“轨道”。这个模型已经过时了。目前的原子结构模型认为电子占据原子核周围的模糊云，形状各异，有的呈球形，有的呈哑铃形，有的则更复杂。
电子在原子周围以不同形状和大小的云层中运行。电子云层一层层地叠加，形成被称为电子层的单元，最内层电子层中的电子占据最简单的轨道，具有最低的能态，而最外层电子层中的电子占据最复杂的轨道，具有最高的能态。能态越高，电子具有的能量就越高，就像山顶上的石头比山谷底部的石头具有更高的势能一样。电子存在于更高能态轨道的主要原因是任何轨道只能容纳两个电子。因此，电子会填充轨道，总是占据可用的最低能态轨道。电子也可以被推到更高能态轨道，例如，通过光子。通常，这不是一个稳定的状态，一段时间后，电子会通过自发发射光子而下降到较低的能态。这些概念对于理解后来的概念至关重要，例如手性化合物的旋光性，以及有机化学之外的许多有趣现象（例如，激光的工作原理）。
每个不同的电子层都细分为一个或多个轨道，它们也具有不同的能级，尽管轨道之间的能级差小于电子层之间的能级差。
波长越长，能量越低；s 轨道具有围绕原子核运行的电子允许的最长波长，观察到该轨道具有最低的能量。
每个轨道都具有一个特征形状，该形状显示了电子最常存在的位置。轨道用字母命名。按照能量递增的顺序，轨道是：s、p、d 和f 轨道。
随着人们向上穿过电子层（用主量子数n表示），更多的轨道类型成为可能。电子层用数字表示。因此，2s 轨道指的是第二电子层中的 s 轨道。
s 轨道是能量最低的轨道，呈球形。该轨道中的电子处于其基频状态。该轨道最多可以容纳两个电子。
下一个能量最低的轨道是p 轨道。它的形状通常被描述为类似于哑铃。有三个 p 轨道，分别沿三维坐标 x、y 或 z 方向排列。这三个“p”轨道中的每一个最多可以容纳两个电子。
这三个不同的 p 轨道可以分别称为 px、py 和 pz。
s 和 p 轨道对于理解大部分有机化学至关重要，因为这些轨道在有机化合物中最常见的原子类型中被占据。
也存在 d 和 f 轨道。d 轨道存在于过渡金属中。硫和磷具有空的 d 轨道。包含具有 d 轨道的原子的化合物确实会发挥作用，但很少是构成有机分子的部分。f 轨道存在于镧系元素和锕系元素中。镧系元素和锕系元素与有机化学大多无关。
当一个原子或离子接收到电子进入其轨道时，轨道和电子层会以特定的方式填充。
有三个原则支配着这一过程
- 泡利不相容原理,
- 鲍林（aufbau，逐步构建）原理，以及
- 洪特规则.
原子中的任何两个电子不可能具有相同的四个量子数。就我们对轨道的理解而言，这意味着每个轨道只能容纳两个电子，一个“自旋向上”，另一个“自旋向下”。
这表明填充和半填充的电子层往往具有额外的稳定性。因此，在某些情况下，例如，4s 轨道将在 3d 轨道之前被填充。
此规则仅适用于具有 d 电子的元素，因此在有机化学中不太重要（尽管在有机金属化学中很重要）。
八隅体规则指出，原子倾向于在其价层中有八个电子，因此它们倾向于结合以使每个原子在其价层中有八个电子，类似于惰性气体的电子构型。简单来说，当组成原子的外层电子壳层为空、满或在外层电子壳层中有八个电子时，分子更稳定。
该规则的主要例外是氦，当它在其价层中有两个电子时，能量最低。
其他值得注意的例外是铝和硼，它们可以很好地使用六个价电子；并且周期表上第三族之后的某些原子可以有超过八个电子，例如硫。此外，一些惰性气体在扩展其价层时可以形成化合物。
杂化是指两个或多个共价键合原子轨道的组合。根据给定原子有多少个自由电子以及它形成多少个键，s 轨道和 p 轨道的电子将以某种方式组合形成键。
给定路易斯结构，很容易确定原子的杂化。首先，计算自由电子对的数量和σ键（单键）的数量。不要计算双键，因为它们不会影响原子的杂化。一旦确定了这两个的总和，杂化模式如下所示
Sigma Bonds + Electron Pairs Hybridization
2 sp
3 sp2
4 sp3
这里的模式与电子轨道的模式相同，可以作为记忆指南。