普通化學/填充電子層

填充電子層

當原子或離子在其軌道中接收電子時，軌道和電子層會以特定方式填充。

泡利不相容原理

您可以將原子視為從裸核開始，逐漸新增一個電子，直到添加了所有它將容納的電子。就像用液體從底部向上填充容器一樣，原子的軌道也從最低能量軌道填充到最高能量軌道。

具有最低主量子數 ($n$) 的軌道具有最低能量，並將首先填充，在較小的原子中。具有更多亞層的較大原子將似乎“無序”地填充，因為影響軌道能量的其他因素變得重要。在一個電子層中，可能會有多個軌道具有相同的能量。在這種情況下，必須應用更具體的規則。例如，給定電子層的三個 p 軌道都發生在相同的能級上。那麼，它們是如何填充的呢？答案：所有三個 p 軌道都具有相同的能量，因此在填充 p 軌道時，我們可以首先填充 Px、Py 或 Pz 中的任何一個。這是一個約定，我們選擇首先填充 Px，然後是 Py，然後是 Pz，為了我們的簡單起見。因此，您也可以選擇從右到左填充這三個軌道。泡利不相容原理指出“原子軌道按能量級遞增的順序填充電子”。

洪特規則

根據洪特規則，相同能量的軌道每個填充一個電子，然後才填充任何一個電子。此外，這些第一個電子具有相同的自旋。

這條規則有時被稱為“公交座位規則”。當人們上公交車時，每個人都坐自己的座位，獨自坐著。只有當所有座位都坐滿後，人們才會開始成雙成對地坐。

泡利不相容原理

沒有兩個電子可以具有完全相同的四個量子數。這在我們的軌道圖中意味著每個軌道只能容納兩個電子，一個“自旋向上”(+½) 和一個“自旋向下”(-½)。

此動畫演示了泡利不相容原理、洪特規則和泡利不相容原理。

軌道順序

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

雖然這看起來很混亂，但有一個簡單的方法可以記住。按照從上到下、從每行的右上角到左下角的線的順序。

瞭解上述規則和圖將使您能夠確定幾乎所有原子或離子的電子構型。

如何寫出孤立原子的電子構型

電子構型表示法相對簡單。例如，一個孤立的鈣原子 ²⁰Ca，在它的基態將具有 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² 的構型。其他構型如 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹4p¹ 是可能的，但這些激發態具有更高的能量。它們不穩定，通常只存在短暫的時間。

Ca 的基態構型可以透過使用前面的惰性氣體（週期表最右側的元素）來簡化，例如 [Ar]4s²，其中 Ar 是氬氣。

惰性氣體具有非常穩定的構型，並且極不情願地失去或獲得電子。惰性氣體原子也是唯一在基態下經常以孤立原子形式存在的原子。其他元素的原子在我們所處的條件下都會發生鍵合，這會影響最外層電子所在的軌道。從這個意義上說，其他元素的電子構型有點假設：要遇到一個孤立的原子，例如，鎢（W），我們必須首先蒸發一個沸點為 5800K 的金屬。然而，瞭解原子構型是有用的，因為它確實幫助我們理解它們如何以及為什麼鍵合，即它們為什麼以及如何改變其外層價電子的構型。

穩定性規則

如果一個亞層是半滿或滿的，它就特別穩定。給定兩種構型，原子將“選擇”更穩定的一個。

**示例:** 在以下構型中，Cu: [Ar]4s²3d⁹，銅的d層離穩定狀態只差一個電子，因此，s層的一個電子跳入d層: [Ar]4s¹3d¹⁰。這樣，d層就滿了，因此是穩定的，而s層是半滿的，也因此是穩定的。

另一個示例: 鉻的構型為[Ar]4s¹3d⁵，雖然你可能預期看到四個d電子而不是五個。這是因為一個s電子跳入了d軌道，使原子具有兩個半滿的層 - 比只有四個電子的d軌道更穩定。

穩定性規則適用於與鉻和銅同一族的原子。

如果這些原子中的一個被電離，即失去一個電子，這個電子將來自s軌道而不是d軌道。例如，Cu⁺ 的構型為[Ar]4s⁰3d¹⁰。如果更多電子被移除，它們將來自d軌道。

磁性

電子的自旋產生磁場（儘管非常弱），因此未成對電子會產生一個小的磁場。成對電子具有相反的自旋，因此磁場相互抵消，導致反磁性。

磁性是一種眾所周知的效果。你很可能在你的冰箱上安裝了磁鐵。正如你已經知道的，只有某些元素具有磁性。電子構型有助於解釋原因。

**反磁性**實際上是對磁場的非常弱的排斥。所有元素都或多或少地具有反磁性。它發生在存在成對電子的時候。

**順磁性**是對外部磁場的吸引。它也很弱。它發生在軌道中存在未成對電子時。

反磁性和順磁性都是自旋相互 *獨立* 作用的響應。這分別導致相當弱的排斥和吸引。然而，當它們位於固體中時，它們也可能相互作用並 *集體* 響應，這可能導致相當不同的性質。

**鐵磁性**是我們日常生活中遇到的永久磁性。它發生在固體中所有未成對自旋耦合並傾向於沿相同方向排列時，導致暴露在磁場中時產生強烈的吸引。這僅在室溫下發生在三種元素中：鐵 (Fe)、鎳 (Ni) 和鈷 (Co)。釓 (Gd) 是一個臨界情況。它在 20^oC 以上失去其鐵磁性；高於該溫度，自旋開始單獨作用。然而，許多合金和化合物表現出強烈的鐵磁耦合。最強的是 Nd₂Fe₁₄B。

**反鐵磁性**也是一種永久磁性，其中未成對自旋排列，但它們以相反的方向排列。結果是該材料對磁場幾乎沒有反應。鉻 (Cr) 就是一個例子。

**亞鐵磁性**是鐵磁性和反鐵磁性的組合。未成對自旋部分以相反的方向排列，但補償不完全。這就是為什麼該材料仍然強烈地被磁場吸引。磁鐵礦 Fe₃O₄ 就是這樣的物質。它是第一個被研究磁性的物質，很可能就在你的冰箱上。