高中化學/電子構型寫作
- 弄清楚在任何給定的子能級上可以存在多少個電子。
- 弄清楚在任何給定的能級上可以存在多少個不同的子能級。
- 能夠根據元素中電子的總數寫出任何元素的電子構型。
- 能夠寫出軌道表示或電子構型程式碼。
電子是如何填充不同的能級、子能級和軌道的？為了理解這個問題，看看圖 7.3 會很有幫助。圖 7.3 顯示了前三個能級（用不同顏色的塊標記），以及任何原子中存在的子能級（用虛線分隔）。在圖 7.3 中，每個圓圈代表一個軌道，當然，每個軌道最多可以容納兩個電子。注意紅色的 n = 1 塊只包含一個 s 軌道。該軌道將容納原子中的前兩個電子。一旦紅色的 n = 1 塊完全填充，電子將開始填充橙色的 n = 2 塊。在橙色的 n = 2 塊中，有四個不同的軌道。第一個軌道是 s 軌道，另外三個是 p 軌道。一旦橙色 n = 2 塊中的所有四個軌道都被填充，電子將開始填充黃色的 n = 3 塊。在黃色的 n = 3 塊中，有九個不同的軌道。第一個軌道是 s 軌道，接下來的三個是 p 軌道，最後五個是 d 軌道。在填充 n = 3 塊時，s 子能級將始終首先被填充，因為它能量最低。同樣，它最多可以容納 2 個電子。之後，接下來的六個將填充三個 p 軌道。
到目前為止，我們已經討論瞭如何填充圖 7.3 中的軌道，一直到 3p 軌道。這總共是 18 個電子。前 18 個電子“非常簡單”，因為它們按順序填充軌道。首先，所有 n = 1 軌道都被填充，然後所有 n = 2 軌道都被填充，然後 n = 3 軌道被填充。但是，從第 19 個電子開始，事情就變得有點瘋狂了！在我們繼續討論 18 個電子以外的區域之前，讓我們簡要了解一下科學家用來表示給定原子的電子軌道填充的簡寫符號。
由於軌道按 n 增加的順序填充，並且在每個能級內按 ℓ 增加的順序填充，科學家可以使用一種稱為電子構型程式碼的簡寫符號來表示填充的軌道。要寫出原子的電子構型程式碼，你需要寫出特定子能級上存在的軌道型別的符號（1s、2s、2p 等），然後用上標表示你所描述的原子中該子能級中實際存在的電子數。讓我們看幾個例子。
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例 1 氮有 7 個電子。寫出氮的電子構型。 解答: 仔細觀察圖 7.3，並用它來弄清楚每個子能級中有多少個電子，以及不同的子能級填充的順序。 1. 從填充 1s 子能級開始。這得到 1s2。現在紅色的 n = 1 塊中的所有軌道都被填充了。
2. 接下來，填充 2s 子能級。這得到 1s22s2。現在橙色 n = 2 塊中 s 子能級中的所有軌道都被填充了。
3. 注意，我們還沒有填充整個 n = 2 塊…… 仍然有 p 軌道！
總的電子構型是：1s22s22p3。 |
如果你要猜，你認為在 3p 軌道之後會填充哪個軌道？你很可能會猜到 3d 軌道會排在下一位——這個猜想很有道理。不幸的是，這個猜想也是錯誤的！事實證明，4s 軌道是在 3d 軌道之前填充的，即使 4s 軌道有 n = 4，而 3d 軌道只有 n = 3。
這怎麼可能呢？這是否意味著電子會進入能量更高的軌道，而不是完全填充能量更低的軌道？這些電子出了什麼問題？是否有某些電子被阻止進入低能軌道？究竟發生了什麼？
事實證明，那些 4s 電子根本沒有問題。它們的行為仍然像正常的電子，並且仍然進入可用的最低能量軌道。唯一的區別是4s 軌道的能量低於 3d 軌道。有時，我們會誤以為主量子數決定了哪個軌道會首先被填充。然而，當談到軌道的填充順序時，主量子數並不是唯一的因素——軌道的能量也很重要。通常，主量子數較低的軌道具有較低的能量，但在比較 3d 軌道和 4s 軌道的能量時，情況並非如此。在這種情況下，4s 軌道的能量低於 3d 軌道，儘管它們的能量更高。圖 7.4 顯示了圖 7.3 的修改版本，其中顯示了 n = 4 軌道的 位置。讓我們看一個例子，在這個例子中，一些 n = 4 軌道被填充。
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例 2 鉀有 19 個電子。寫出鉀的電子構型程式碼。 解答: 這次，仔細觀察圖 7.4。 1. 從填充 1s 子能級開始。這得到 1s2。現在 n = 1 能級已填充。
2. 接下來，填充 2s 子能級。這得到 1s22s2
3. 接下來，填充 2p 子能級。這得到 1s22s22p6。現在 n = 2 能級已填充。
4. 接下來，填充 3s 子能級。這得到 1s22s22p63s2
5. 接下來，填充 3p 子能級。這得到 1s22s22p63s23p6
這裡我們需要小心——就在 3p6 之後！
6. 最後一個電子進入 4s 子能級。這得到 1s22s22p63s23p64s1 總的電子構型程式碼是：1s22s22p63s23p64s1。 |
不幸的是，4s 軌道並非唯一一個填充順序早於預期主量子數的軌道。5s 軌道也表現出同樣的情況。儘管 5s 軌道的 主量子數 比 4d 軌道高（n = 5 與 n = 4 相比），但它們的能量實際上更低。因此，5s 軌道總是先於 4d 軌道填充。同樣，6s 軌道的能量低於 5d 軌道，因此 6s 軌道總是先填充。當你考慮 f 軌道時，情況變得更加奇怪。5s、5p 和 6s 軌道都比 4f 軌道更低。換句話說，在你能將電子放入 4f 軌道之前，你必須先填滿 5s 軌道、5p 軌道和 6s 軌道。
對於原子核電子數少於 18 個的原子來說，填充軌道和寫電子構型非常簡單！但對於原子核電子數超過 18 個的原子來說，記住所有不同的規則似乎毫無希望。你如何才能確定 5s 軌道是高於還是低於 4d 軌道或 4f 軌道？值得慶幸的是，有一個簡單的規則，稱為 **對角線規則**。對角線規則指出：電子按 **量子數總和** (n + ℓ)遞增的順序填充軌道。當兩個軌道具有相同的量子數總和時，它們將按 n 遞增的順序填充。
幸運的是，對角線規則也有一個易於記憶的圖表，它可以讓你輕鬆地確定電子軌道的填充順序。下圖顯示了該圖表。為了使用它，你必須從左上角的第一個箭頭開始，沿著箭頭從尾部到頭部，一直向下到圖表的右下角。為了瞭解它的工作原理，讓我們看一個例子。
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例 3 鉿有 72 個電子。寫出鉿的電子構型。 解答: 我們可以按照圖表中的箭頭（如下所示）進行操作，直到我們分配了所有 72 個電子。請注意，你是如何沿著箭頭前進，從最上面的箭頭開始，向下移動，來填充軌道的。記住，一旦你達到 72 就停止。此時，你已經完成了寫鉿的電子構型的步驟。
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現在我們知道了電子是如何分配到軌道的，我們就可以開始討論不同的軌道和不同的電子構型是如何真正影響不同原子的化學性質的。換句話說，我們實際上可以開始討論化學！有時，量子物理學和量子化學似乎與我們日常生活中看到的和使用的真實世界化學相距甚遠。軌道在開發治療癌症的新藥方面是如何重要的？能量級在發明不同型別的超導體或塑膠方面是如何重要的？電子駐波在檢測食品中的毒素方面是如何重要的？所有這些過程都是由化學性質決定的，而化學性質本身又是電子在不同原子和分子中排列和相互作用的直接結果。有時，我們很容易忘記電子和亞原子粒子的某些奇怪的量子特性。然而，如果我們不瞭解化學中最小的組成部分——電子、質子、中子和，當然還有原子——我們就永遠無法完全理解化學。
- 對於任何原子核電子數少於 18 個的原子，軌道按 n 遞增的順序填充，並且對於任何給定的 n，按 ℓ 遞增的順序填充。
- 電子構型是表示給定原子中填充軌道的簡寫符號。它們使用能級的 主量子數 n、亞能級的字母 (s、p、d 或 f) 以及該亞能級中電子數量的 上標 來寫。
- 對於原子核電子數超過 18 個的原子，軌道按 n 遞增的順序填充（並且對於給定的 n，按 ℓ 遞增的順序填充），直到第 18 個電子；但是，在第 18 個電子之後，4s 軌道在 3d 軌道之前被填充。這是因為 4s 軌道的能量低於 3d 軌道。
- 對角線規則指出，電子按 **量子數總和** (n + ℓ)遞增的順序填充軌道。當兩個軌道具有相同的 "量子數總和" 時，它們將按 n 遞增的順序填充。
- 寫出鈹的電子構型。鈹有 4 個電子。
- 寫出矽的電子構型。矽有 14 個電子。
- 寫出氮的電子構型。氮有 7 個電子。
- 寫出鉻的電子構型。鉻有 24 個電子。
- 寫出銀的電子構型。銀有 47 個電子。
- 對角線規則
- 電子按 **量子數總和** (n + ℓ)遞增的順序填充軌道。當兩個軌道具有相同的 "量子數總和" 時，它們將按 n 遞增的順序填充。
- 電子構型
- 一種簡寫符號，用於表示特定原子中填充的電子軌道。
- 量子數總和
- 電子的 主量子數 n 和 角動量量子數 ℓ 的總和。即 n + ℓ。
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