高中化學/軌道構型
在主族元素的電子構型課程中，你已經瞭解了一些關於價電子的知識。你已經看到了價電子的數量和型別如何決定特定元素的化學性質。1A族金屬非常活潑，因為它們具有強烈的傾向於失去它們唯一的價s電子。2A族金屬也很活潑，但活性較低，因為它們有2個價s電子。最後，8A族元素是惰性（根本不活潑），因為它們的價層和p亞層完全填滿，這意味著它們既不易失去也不易獲得電子。現在你可能想知道為什麼我們沒有太多討論4A-7A族元素的化學性質。事實證明，要理解這些元素的行為需要更多資訊。具體來說，我們需要知道p軌道上的電子是如何填充的。例如，碳是4A族元素，所以它有2個價s電子，和2個價p電子。顯然，2個價s電子在s軌道中配對，但是2個價p電子呢？價p電子是配對在一個p軌道中，還是每個都在它們自己的p軌道中（記住，總共有3個p軌道可以找到價p電子）。氮怎麼樣？氮是5A族元素，所以它有2個價s電子，和3個價p電子。同樣地，2個價s電子必須在s軌道中配對，但是3個價p電子呢？它們中有兩個在同一個p軌道中配對，還是所有三個都有它們自己的p軌道？
- 繪製軌道圖。
- 定義洪特規則。
- 使用洪特規則來決定電子如何填充具有多個軌道的亞層。
在我們討論p亞層中軌道填充的順序和方式之前，我們必須介紹科學家用來顯示軌道填充的符號表示法。科學家經常用方框來表示軌道。
下圖顯示了一組代表高達n = 2 能級軌道。方框描繪了n = 1 和 n = 2 能級的電子軌道。注意，對於n = 1，只有一個s軌道，而對於n = 2，有一個s軌道和三個p軌道。
當一個“自旋向上”電子出現在一個軌道中時，科學家會在該軌道的方框中畫一個向上的箭頭。這導致了所謂的軌道圖。例如，氫在1s軌道中只有一個電子。如果這個唯一的電子是自旋向上（ms = +1/2），氫的軌道圖將如下所示
當一個“自旋向下”電子出現在一個軌道中時，科學家會在該軌道的方框中畫一個向下的箭頭。例如，氦在1s軌道中有兩個電子。我們知道，這兩個電子中一個必須是“自旋向上”，另一個必須是“自旋向下”，所以氦的軌道圖將如下所示
透過比較前兩個軌道表示圖，你應該很容易地知道哪些電子是配對的，哪些是未配對的。這是軌道圖的優勢之一。軌道圖是清晰地顯示特定原子電子構型中究竟有多少配對電子和未配對電子的方法。
現在你可能想知道關於未配對電子 - 你如何知道是否將它們繪製為“自旋向上”或“自旋向下”。從技術上講，亞層（1s、2s、2p等）中的第一個電子可以是“自旋向上”或“自旋向下”。換句話說，對於氫（1s1），你可以在1s軌道框中繪製指向向上或向下的箭頭。同樣地，對於硼（1s22s22p1），你可以在2p軌道框中繪製指向向上或向下的箭頭。但是，一旦你選擇了一個亞層中第一個電子的自旋，該亞層中所有其他電子的自旋就取決於你為第一個選擇的自旋。為了避免混淆，科學家“總是將軌道中的第一個電子繪製為‘自旋向上’”。如果你堅持這條規則，你永遠不會陷入困境。
如果你執意違反這條規則，你可能會畫出錯誤的軌道圖，如下面的圖所示。按照慣例，科學家通常將所有未配對電子繪製為“自旋向上”。這可以防止他們繪製像圖(c)中所示的錯誤軌道圖。在下一節中，你將瞭解到圖(c)中的軌道圖是錯誤的，因為它不遵守洪特規則。
請注意，透過將每個軌道中的第一個電子繪製為“自旋向上”，亞層中所有未配對電子都具有相同的自旋，即使它們在不同的軌道中！這是由於一個叫做洪特規則的原理。我們將在下一節更詳細地討論洪特規則。
之前我們瞭解到，任何給定軌道中電子的能量取決於該軌道的能級（由主量子數n決定）和該軌道的亞層（s、p、d等，由角量子數ℓ決定）。我們還了解到，根據泡利不相容原理，電子將首先填充最低能量的軌道，然後僅在較低能量的軌道填滿後才會移動到較高能量的軌道。但是，如果你仔細考慮，你會意識到仍然存在問題。當然，1s軌道應該在2s軌道之前填充，因為1s軌道的n值較低，因此能量較低。同樣地，2s軌道應該在2p軌道之前填充，因為2s軌道的ℓ值較低（ℓ = 0），因此能量較低。那麼三個不同的2p軌道呢？電子以什麼順序填充2p軌道？要回答這個問題，我們需要轉向一個叫做洪特規則的原理。洪特規則指出：（1）亞層中的每個軌道都將在任何軌道被雙重佔據之前被單獨佔據。（2）所有在單獨佔據軌道中的電子都具有相同的自旋。
根據第一條規則，電子總是會在配對之前佔據空軌道。考慮到你對電子的瞭解，這應該是合理的。電子帶負電荷，因此它們會互相排斥。由於電子-電子排斥會提高參與電子的能量，電子傾向於透過佔據它們自己的軌道而不是與另一個電子共享軌道來最小化排斥（從而最小化它們的能量）。請看下圖。
請注意，左側軌道圖中的兩個2p電子處於單獨的軌道中，而右側軌道圖中的兩個2p電子共享一個軌道。左側的軌道圖是正確的軌道圖，因為它遵循洪特規則，這意味著電子-電子排斥較小，因此電子具有較低的能量（記住，電子總是最小化它們的能量）。
下圖說明了氮的軌道圖，類似於第一個圖中碳的軌道圖。請注意，左側軌道圖中的所有三個2p電子都處於單獨的軌道中，而右側圖中的三個2p電子中有兩個共享一個軌道。左側的軌道圖是正確的軌道圖，因為它遵循洪特規則。同樣，這意味著電子-電子排斥較小，因此電子具有較低的能量。
下圖顯示了具有四個2p電子的原子可能的電子構型。這一次，兩個電子別無選擇 - 它們必須配對。但是，另外兩個電子可以配對，如右側的軌道圖所示，或者佔據它們自己的軌道，如左側的軌道圖所示。你認為哪個是正確的？顯然，左側的軌道圖，因為它最小化了電子-電子排斥。左側的軌道圖也是遵循洪特規則的軌道圖，因為所有軌道都在任何軌道被雙重佔據之前被單獨佔據。右側的軌道圖不遵循洪特規則，因為前兩個軌道在第三個被單獨佔據之前被雙重佔據。
雖然很容易理解為什麼電子會在配對之前佔據空軌道，但要理解為什麼不同軌道中的未配對電子必須具有相同的自旋，則要困難得多。不同軌道中的電子自旋會對齊（全部指向同一方向），因為對齊的自旋比不對齊的自旋具有更低的能量。請注意，只要您始終將軌道中的第一個電子繪製為“自旋向上”，您將始終繪製對齊的自旋。回顧一下說明未配對電子為“自旋向上”的圖。現在您已經瞭解了洪特規則，為什麼軌道圖 (c) 不正確應該很明顯——單佔據的 2p 軌道中的兩個電子具有不同的自旋，因此該軌道圖不符合洪特規則。將軌道圖 (c) 與軌道圖 (d) 進行比較。4.d 中的軌道圖符合洪特規則，因為單佔據的 2p 軌道中的兩個電子具有相同的自旋。
現在我們已經瞭解了軌道圖和洪特規則，我們可以開始解釋 4A 族到 7A 族元素的化學性質。讓我們以氮為例。
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示例 1 繪製氮的軌道圖。 解決方案: 首先，我們需要像之前一樣寫出氮的電子構型，得到 1s22s22p3。為了繪製軌道圖，我們將寫下以下內容：前兩個電子將在 1s 軌道中配對；接下來的兩個電子將在 2s 軌道中配對。剩下 3 個電子，它們必須放在 2p 軌道中。根據洪特規則，在任何軌道被雙佔據之前，所有軌道都將被單佔據。因此，我們知道每個p 軌道都得到一個電子。洪特規則還告訴我們，所有未配對電子必須具有相同的自旋。按照慣例，我們將所有這些電子繪製為“自旋向上”，得到
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軌道圖可以幫助您預測某些元素的反應方式以及不同元素將形成的化學“化合物”或“分子”。我們還沒有準備好討論化合物或分子。您現在正在學習的原理將幫助您瞭解所有化學物質的行為，從像氫和氦這樣最基本的元素，到您體內發現的最複雜的蛋白質（由成千上萬種不同的原子結合在一起形成的巨大生物化學物質）。
- 軌道圖透過將每個軌道表示為一個方框，將軌道中的每個“自旋向上”電子表示為方框中的向上箭頭，將軌道中的每個“自旋向下”電子表示為方框中的向下箭頭來繪製。每個方框中只能有兩個箭頭，並且它們必須指向相反的方向。
- 科學家使用這樣的約定，即任何軌道中的第一個電子都是“自旋向上”，因此軌道“方框”中的第一個箭頭應該指向向上。洪特規則指出
- 在任何軌道被雙佔據之前，亞能級中的每個軌道都將被單佔據。
- 所有單佔據軌道中的電子都具有相同的自旋。
- 電子將佔據獨立的軌道而不是配對，因為這將最大限度地減少電子之間的排斥，從而最大限度地減少能量。相同亞能級中不同軌道中的電子自旋會對齊，因為對齊的自旋具有更低的能量。
- 以下哪個是有效的軌道圖？
- 繪製鋰 (Li) 的軌道圖。
- 繪製碳 (C) 的軌道圖。
- 繪製氟 (F) 的軌道圖。
- 繪製氧 (O) 的軌道圖。使用它回答以下問題
- (a) 氧原子有 ___ 個未配對價電子
- (b) 氧原子有 ___ 個配對價電子
- (c) 氧原子有 ___ 個配對非價電子
- (d) 氧原子有 ___ 個未配對非價電子
- 繪製氖 (Ne) 的軌道圖。使用它回答以下問題
- (a) 氖原子有 ___ 個未配對價電子
- (b) 氖原子有 ___ 個配對價電子
- (c) 氖原子有 ___ 個配對非價電子
- (d) 氖原子有 ___ 個未配對非價電子
- 確定以下每個陳述是真還是假。
- (a) 在任何軌道被單佔據之前，亞能級中的每個軌道都將被雙佔據。
- (b) 在任何軌道被雙佔據之前，亞能級中的每個軌道都將被單佔據。
- (c) 所有單佔據軌道中的電子都具有相同的自旋。
- (d) 單個軌道中的兩個電子具有相同的自旋。
- (e) 所有單佔據軌道中的電子都具有不同的自旋。
- (f) 單個軌道中的兩個電子具有不同的自旋。
- 繪製磷 P 的軌道圖。
- 繪製矽 (Si) 的軌道圖。使用它回答以下問題
- (a) 矽原子有 ___ 個未配對價電子
- (b) 矽原子有 ___ 個配對價電子
- (c) 矽原子有 ___ 個配對非價電子
- (d) 矽原子有 ___ 個未配對非價電子
- 繪製 Mn 的軌道圖。使用它確定 Mn 原子中未配對電子的總數。
- 洪特規則
- 在任何軌道被雙佔據之前，亞能級中的每個軌道都將被單佔據。所有單佔據軌道中的電子都具有相同的自旋。
- 軌道圖
- 軌道圖透過將每個軌道表示為一個方框，將軌道中的每個“自旋向上”電子表示為方框中的向上箭頭，將軌道中的每個“自旋向下”電子表示為方框中的向下箭頭來繪製。
此材料改編自可在 此處 找到的原始 CK-12 書籍。此作品在知識共享署名-相同方式共享 3.0 美國許可下授權