元素的電子構型和軌道的穩定性

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引言

原子的電子構型由其電子在軌道和殼層中的排列方式決定。從原子中移除一個e⁻所需的能量決定了軌道的穩定性。能量級別越高，軌道越穩定。

原子核中質子的數量決定了原子的電子結構。原子的原子序數基於其原子核中質子的數量。原子中的電子數量也基於其原子核中質子的數量。

電子構型的標準表示法

電子構型的表示法是按照原子序數遞增的順序列出元素，然後列出軌道中的電子，從最低能量級別到最高能量級別。例如，碳的電子構型為1s² 2s² 2p²。

電子構型表示法中的第一個數字表示元素的原子序數。第二個數字表示第一能級中的電子數。第三個數字表示第二能級中的電子數，以此類推。

原子軌道

電子的運動比看起來更復雜。它們總是遵循一組預定的路徑，稱為軌道或亞層。這些軌道有多種形狀，包括s、p、d和f軌道。第一能級只有一個s軌道，而第二能級則有一個s軌道和三個p軌道。第三能級與第二能級類似，有三個p軌道和五個d軌道。其中能量最低的是s軌道。

• 每種型別的軌道最多可以容納兩個電子。

• s軌道圍繞原子核，呈球形。p軌道有兩個葉瓣，形狀像啞鈴。d軌道是由四個葉瓣組成的軌道。

• 在原子中，電子首先佔據能量最低的軌道。原子中的電子首先佔據s軌道，然後是p軌道，最後是d軌道。s軌道有兩個電子，p軌道有六個電子。

haade, 單電子軌道, CC BY-SA 3.0

電子構型規則

原子的電子構型由其電子在外層和內層中的排列方式決定。可以使用電子構型規則來確定原子的電子構型。

四個原則支配著電子構型：

• 根據第一條規則，電子總是首先佔據能量最低的能級。

• 根據第二條規則，電子先佔據殼層，然後佔據亞層。

• 第三條規則規定，一個殼層最多隻能容納兩個電子。

• 第四條規則規定，一個亞層最多隻能容納八個電子。

可以將確定電子構型的規則應用於原子。第一步是確定有多少個殼層。原子核中質子的數量影響殼層的數量。第二步是計算亞層的數量。原子中電子的數量決定了它有多少個亞層。第三步是找出原子在每個殼層和亞層內的電子構型是如何組織的。

泡利不相容原理

泡利不相容原理指出，原子中沒有兩個電子可以具有相同的一組四個量子數。一個軌道中只能有兩個電子，並且它們必須具有相反的自旋。

• 泡利不相容原理有兩條規則：

• 同一個軌道被兩個電子佔據。

• 在同一個軌道中的兩個電子具有反平行自旋或相反的自旋。

• 除了電子外，其他具有半整數自旋的粒子也遵循泡利不相容原理。

洪特規則

洪特規則指出，在具有相同亞層的軌道中，電子的配對不會發生，直到該亞層中的每個軌道至少有一個電子。例如，當有三個p軌道、五個d軌道和七個f軌道時，電子配對從f軌道（第八個電子）、d軌道（第六個電子）和p軌道（第四個電子）開始。

當這些軌道中的電子被填滿時，首先用具有相同自旋的一個電子填充包含每個軌道中兩個電子的亞層。一旦所有亞層都已填充完畢，每個能級中的電子場就會用相反極性的電子加倍。例如，具有3個亞層的p軌道將會有三個具有相同自旋的電子，其餘三個電子將依次放置在具有相反自旋的亞層中。

構造原理

構造原理指出，電子以能量遞增的順序填充其基態。首先佔據能量級別最低的原子軌道，而不是能量級別較高的軌道。

構造原理指出，能量最低的電子首先佔據位置。

• 可以使用n+l規則計算軌道能量的增長。軌道的不同能級由主量子數和角量子數之和決定。

• 較低的軌道能量與較低的n+l值相關。如果兩個軌道的n+l值相同，則n值較低的軌道被認為能量較低。

電子的填充順序為：1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p等。

什麼是穩定的電子構型？

原子的穩定性可以透過其電子排列來預測。為了使原子最穩定和最不活潑，其所有軌道都必須被佔據。最穩定的電子形式也具有完全填充的能級。惰性氣體具有許多這樣的軌道構型，這使得它們難以與其他化學物質輕易結合。

每當兩個或多個原子相互接觸時，首先相互作用的是價層，即原子的外層電子。當原子的價層被填滿時，原子處於最穩定的狀態。價電子控制著元素的化學行為。例如，具有相同價電子的元素表現出相似的化學特性。

陰離子和陽離子的構型

離子是由於獲得或失去一個或多個電子而帶電的原子（或原子團）。當原子獲得電子時，會帶負電荷。如果失去電子，則帶正電荷。

建立中性原子的電子結構，然後新增（對於負離子）或移除（對於正離子）電子。

• 負離子

  $$\mathrm{Cl: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p_x^2 3p_y^2 3p_z^1,\: 但\: Cl^-\: 多了一個電子}$$

  $$\mathrm{ Cl^-: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p_x^2 3p_y^2 3p_z^2}$$

• 正離子

  $$\mathrm{Ca: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2,\: 但\: Ca^{2+}\: 少了兩個電子}$$

  $$\mathrm{Ca^{2+}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6}$$

結論

惰性氣體的八電子構型被稱為惰性氣體構型。化學元素獲得穩定性的傾向是所有化學反應的基礎。當一些主族元素之間形成化學鍵時，結果通常是類似於惰性氣體的標準電子構型。

每個系統都傾向於達到穩定或低能量狀態，這就是為什麼化學元素參與化學反應以達到類似於附近惰性氣體的穩定電子構型的原因。

常見問題

1. 如何判斷物質是否穩定？

如果原子核的組成部分之間的力是平衡的，則原子是穩定的。如果這些力不平衡或原子核具有過多的內能，則原子是不穩定的。過多的中子或質子會使原子的原子核不穩定。

2. 為什麼5d軌道先於4f軌道填充？

軌道按能量順序填充。因為在某些情況下，5d能級有時低於4f能級，所以5d軌道先於4f軌道填充。並非所有鑭系元素都發生這種情況。

3. 為什麼會形成具有8個電子的穩定殼層？

因為它們的電子結構與最接近的惰性氣體相似，所以價層中具有八個e^-的原子具有充滿的最外層軌道，因此是最穩定的。

4. 哪些原子可以維持少於八個價電子的數量？

原子通常遵循八隅律，但也有例外。例如，硼或鈹等元素經常形成化合物（如BF₃或BeH₂），其中中心原子周圍的電子少於八個。

5.是什麼使惰性氣體穩定？

由於這些原子的價電子層已滿，使得它們非常穩定，並且減少了它們接受或失去電子的傾向，因此惰性氣體也極難形成化學鍵。