有機化學/有機化學基礎概念/原子結構
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| 鋰原子的簡單模型。 未按比例繪製！ |
原子由一個原子核和圍繞原子核執行的電子構成。原子核由質子和中子組成。一個處於自然狀態的未帶電原子，其電子數量與質子數量相同。
原子核由質子（帶正電）和中子（不帶電）組成。中子和質子的質量大致相同，它們共同構成了原子的大部分質量。
電子是帶負電的粒子。電子的質量大約是質子或中子的 2000 分之一，為 0.00055 amu。電子繞核高速旋轉，以至於無法確定電子在任何時刻的位置。該影像描繪了舊的玻爾原子模型，在該模型中，電子像行星繞太陽執行一樣，佔據著原子核周圍的離散“軌道”。該模型已經過時。當前的原子結構模型認為，電子佔據著原子核周圍的模糊雲狀區域，這些區域具有特定的形狀，有些是球形的，有些是啞鈴形的，有些甚至具有更復雜的形狀。
電子在原子中以不同形狀和大小的雲狀區域執行。電子雲以層狀形式一層套一層，稱為電子層，最內層佔據最簡單軌道的電子具有最低的能量狀態，最外層佔據最複雜軌道的電子具有最高的能量狀態。能量狀態越高，電子具有的能量就越多，就像山頂上的岩石比山谷底部的岩石具有更高的勢能。電子存在於較高能量軌道的主要原因是，任何軌道中只能存在兩個電子。因此，電子會填充軌道，始終佔據可用的最低能量軌道。電子也可以被推到更高的能量軌道，例如透過光子。通常情況下，這不是一個穩定的狀態，一段時間後，電子會自發地躍遷到較低的能量狀態，並釋放出光子。這些概念對於理解後面的一些概念非常重要，例如手性化合物的旋光性，以及有機化學以外許多有趣的現象（例如，雷射的工作原理）。
每個不同的電子層都被細分為一個或多個軌道，這些軌道也具有不同的能量級別，儘管軌道之間的能量差異小於電子層之間的能量差異。
較長的波長具有較低的能量；s 軌道具有繞核電子允許的最長波長，並且觀察到該軌道具有最低的能量。
每個軌道都具有其特有的形狀，表示電子最常存在的位置。軌道使用字母表中的字母來命名。按能量遞增的順序，軌道為：s、p、d 和f 軌道。
隨著人們向上穿過電子層（由主量子數n表示），更多的軌道型別變得可能。電子層用數字表示。因此，2s 軌道指的是第二電子層中的 s 軌道。
s 軌道是能量最低的軌道，形狀為球形。該軌道中的電子處於基頻狀態。該軌道最多可以容納兩個電子。
下一個能量最低的軌道是p 軌道。它的形狀通常被描述為類似於啞鈴。有三個 p 軌道，分別沿著三維座標 x、y 或 z 方向排列。這三個“p”軌道中的每一個最多可以容納兩個電子。
這三個不同的 p 軌道可以分別稱為 px、py 和 pz。
s 和p 軌道對於理解大多數有機化學很重要，因為這些是存在於有機化合物中最常見的原子型別中所佔據的軌道。
還存在 d 和 f 軌道。d 軌道存在於過渡金屬中。硫和磷具有空的 d 軌道。涉及具有 d 軌道的原子的化合物確實存在，但很少是構成有機分子的一部分。f 軌道存在於鑭系元素和錒系元素中。鑭系元素和錒系元素在有機化學中大部分是不相關的。
當原子或離子在其軌道中接收電子時，軌道和電子層以特定的方式填充。
有三個原則支配著這個過程
- 泡利不相容原理,
- 泡利不相容原理，以及
- 洪特規則.
在一個原子中，沒有兩個電子的所有四個量子數都相同。這在我們對軌道的影像中意味著，每個軌道最多隻能容納兩個電子，一個“自旋向上”和一個“自旋向下”。
這表明填充和半填充的電子層往往具有額外的穩定性。因此，在某些情況下，例如，4s 軌道將在 3d 軌道之前填充。
此規則僅適用於具有 d 電子的元素，因此在有機化學中不太重要（儘管在有機金屬化學中很重要）。
八隅體規則指出，原子傾向於在其價層中具有八個電子，因此將傾向於結合以使每個原子在其價層中具有八個電子，類似於惰性氣體的電子構型。簡而言之，當構成原子的外層電子殼為空、滿或在外層電子殼中具有八個電子時，分子更穩定。
該規則的主要例外是氦，當它在其價層中具有兩個電子時，它處於最低能量狀態。
其他值得注意的例外是鋁和硼，它們可以使用六個價電子正常執行；以及週期表上第三族之後的某些原子，例如硫，它們可以具有超過八個電子。此外，一些惰性氣體在擴充套件其價層時可以形成化合物。
雜化是指兩個或多個共價鍵合原子的軌道的組合。根據給定原子有多少個自由電子以及它形成多少個鍵，s 和 p 軌道中的電子將以某種方式組合以形成鍵。
根據路易斯結構很容易確定原子的雜化。首先，您計算自由電子對的數量和σ鍵（單鍵）的數量。不要計算雙鍵，因為它們不會影響原子的雜化。一旦確定了這兩個的總和，雜化模式如下所示
Sigma Bonds + Electron Pairs Hybridization
2 sp
3 sp2
4 sp3
這裡的模式與電子軌道的模式相同，可以作為記憶指南。