怎样确定原子的电子层排布

怎样确定原子的电子层排布【1】
一、电子层容量原理
在原子核外电子排布中，每个电子层最多容纳的电子数为2n2，这个规律在一些无机化学教材中叫做最大容量原理。

我认为，该原理并不能全面反映原子核外电子排布的真实情况，其一，它只适合于离核近的内电子层，且不是最大，而是等于2n2；其二，离核远的外电子层，实际排布的电子数则远远小于2n2，根本不能用此原理来描述。

离核近的内电子层与离核远的外电子层，各有其电子容量的规律，原子的电子层排布，就是这两种规律结合而成的。

为此，我总结出内电子层和外电子层的各自的容量规律，并将两者结合起来，称为“电子层容量原理”，其内容如下：
设ω为原子的电子层数，n为从原子核往外数的电子层数，m为由原子最外层往里数的电子层数。

当n＜22
+
ω
时，为内电子层，每个电子层容纳的电子数＝2n2。

当n≥22
+
ω
时，为外电子层，每个电子层最多容纳的电子数＝2(m＋1)2。

核外只有k层时，最多容纳2个电子。

由上述两个关系组成的电子层排布如下：
从以上图示可知，原子的电子排布是两头少，中间多。

应用电子层容量原理，可使外电子层不用2n2，避免出现太大偏差。

应用外电子层的公式，可以取代中学教材中的如下规律：
(1)最外层电子数不超过8个(最外层为K层，则不超过2个)。

(2)次外层电子数不超过18个。

(3)外数第三层电子数不超过32个。

……
因为这些规律可直接从外电子层的公式推出。

稀有气体原子的电子层排布则是很规整的相等关系，其内电子层电子数为2n2，外电子层电子数为2(m＋1)2，因此，稀有气体元素原子的电子层结构是一种稳定结构。

主族元素的原子，最外层未达到2(m＋1)2个电子(即8个电子)，一般副族元素的原子，最外层和次外层的电子数均小于2(m＋1)2。

原子的电子层数越多，出现未填满电子数2(m＋
1)2的外电子层数就越多。

它可用下式计算：未排满2(m＋1)2个电子的电子层数最多为2
ω
(当为偶数)或21
-
ω
(为奇数)。

例如：核外有6个电子层的元素，没有排满2(m＋1)2个电子的外电子层数最多为6/2＝3。

镧系元素的原子，一般就有4、5、6三个电子层的电子数未达到2(m＋1)2。

2n2是由电子运动状态的四个量子数及泡利不相容原理所得出的关系，而2(m＋1)2却是由能级交错现象所得出的关系。

对于多电子原子，由于电子的屏蔽作用和穿透作用，出现了原子轨道的交错现象，
产生了与元素周期表中周期相对应的能级分组，能级组的通式为ns、(n-2)f、(n-1)d、np。

从第3电子层起，出现E nd＞E(n+1)s，从第4电子层起，出现E nf＞E(n+2)s。

因此，在次外层电子数未达到最大容量时，已出现了最外层电子的填充，而最外层电子数未达到最大容量时，又进行次外层电子的填充；并且在更高的电子层出现之前，最外层中只可能出现s 轨道和p轨道排有电子，因而最多容纳的电子数为8个；次外层中只能出现s轨道、p轨道和d轨道排有电子，其容纳的电子数不超过18个；余类推。

例如，铅(Pb)原子最外层为6s26p2，共4个电子；次外层为5s25p65d10，共18个电子；外数第3层为4s24p64d104f14，共32个电子。

如果某原子的6d轨道上占有电子，那末，它就不是最外层，按照能级高低的顺序，7s轨道将会排上2个电子。

若第7层是最外层，则第6层就是次外层了。

利用电子层容量原理，可以根据元素的原子序数确定原子的电子层排布，写出原子结构示意图，推断元素在周期表里的位置。

二、饱和结构和稳定结构
饱和结构是指原子的每个电子层的电子数都达到2n2的电子层结构，能够达到饱和结构的原子是不多的，只有氦原子(2)、氖原子(2、8)。

稳定结构则是指符合电子层容量原理的电子层排布，即内电子层的电子数都达到2n2，而外电子层的电子数都达到2(m＋1)2。

稀有气体原子的电子层结构是这种稳定结构。

由上述叙述可知，原子的电子层结构中所谓的饱和结构和稳定结构是两个不同的概念，并且只能出现在稀有气体原子的电子层结构中，其它元素原子的电子层结构都不是稳定结构，更不可能是饱和结构，因为它们的电子层结构至少有一个外层电子数未达到2(m＋1)2。

但是这些原子有失去或得到电子形成稀有气体原子的电子层结构，这是是引起化学反应的根本原因。

这种具有稀有气体原子电子层结构的离子，我们把它简称为稀型离子(稀型离子在元素周期的推断题中往往是很重要的条件和解题的关键)。

因此，稀型离子的电子层结构是符合电子层容量原理的。

我们一般把这种稳定结构叫做2电子结构和8电子结构，这是常见的一种稳定结构。

除此以外，离子的电子层结构还有最外层为18电子的，不足18电子的，以及外电子层为(18＋2)电子等的稳定结构。

三、能级交错的规律
对于核外电子排布的能级交错现象，我总结出以下规律。

不同电子层上的能级发生交错的条件是：
亚层差＝电子层差＋1
即：ns＜(n－1)d，ns＜(n－2)f，np＜(n－1)f，……
由此可以得出核外电子排布的能级高低顺序图：
1s2s2p3s3p3d4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s
也可以从上关系中得出：从L层才会出现能级交错现象，即s和d的能级交错；而从P层才会出现s和f的能级交错；从O层才会出现p和f的能级交错。

由到组成一个能级组，目前周期表中含有七个能级组，对应周期表里的七个周期。

每一能级组中所所包含的电子数，就是对应周期的元素个数。

如第6能级组为6s4f5d6p，共有32个电子，对应周期表里的第六周期的32个元素。

四、推断元素
已知元素的原子序数推断元素，确定其在元素周期表中的位置，一般有三种方法。

1．利用元素周期表的结构。

用该元素的原子序数，从第一周期元素数目减起，直到减不够为止。

如55号元素，55―2―8―8―18―18＝1，故该元素为第六周期、第ⅠA族元素，为铯(Cs)。

此方法可以确定每一个元素，但必须熟悉元素周期表的结构，记住每一周期的元素个数。

2．利用电子排布式确定元素。

如55号元素，其电子排布式为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s1，得出该元素为第六周期、第ⅠA族元素，为铯(Cs)。

此方法可以确定每一个元素，但必须熟悉能级高低顺序，能正确地写出它的电子排布式。

3．利用原子结构示意图。

周期序数＝电子层数，主族序数＝最外层电子数，由此确定元素在周期表里位置，并知道是什么元素。

利用电子层容量原理，根据元素的原子序数，可以确定稀有气体元素和Ⅳ—Ⅶ族元
素原子的电子层排布，写出原子结构示意图。

例如，Rn原子核外有86个电子，有6个电子层。

22
+
ω
＝22
4+
＝4。

当n＜4时，每个电子层的电子数用2n2计算，这样，可得出K、L、M层的电子数依次为2，8，18。

当n≥4时，每个电子层的电子数用2(m＋1)2计算：
N层，即外数第3层，m＝3，电子数＝2(3＋1)2＝32。

O层，即次外层，m＝2，电子数＝2(2＋1)2＝18。

P层，即最外层，m＝1，电子数＝2(1＋1)2＝8。

故Rn原子的电子层结构为：2，8，18，32，18，8。

又如，52号元素，原子核外有5个电子层。

这是一个主族元素，最外层没有达到8个电子。

22
+
ω
＝22
5+
＝3.5。

即n＜3.5的K、L、M层的电子数用2n2计算，分别为2，8，18。

n＞3.5的N层为次外层，用2(m＋1)2计算电子数，为18，余下的电子数就应排在最外层(O层)，其电子数为52－(2＋8＋18＋18)＝6。

故该元素原子的电子层排布为：2，8，18，18，6。

如果只知道原子序数，不知道电子层数，则可按下述方法确定原子电子层排布。

稀有气体元素的电子层结构为：①从内层往外数，每个电子层电子数为2n2；②从外层往里数，每个电子层电子数为2(m＋1)2；③以上两种关系，相交而止。

例如，54号元素Xe，有54个电子，按2n2确定K、L、M层的电子数，分别为2，8，18。

(N层电子数为32，前4层的总电子数将大于54，不可能)前3层的总电子数为2＋8＋18＝28，剩余电子数为54－28＝26。

按照2(m＋1)2，最外层8个电子，次外层18个电子，共26个电子，故Xe原子的电子层结构为2，8，18，18，8。

又如主族元素114号元素的原子，按2n2可排出：
K L M N
2 8 18 32
60
还剩114－60＝54个电子。

按2(m＋1)2得出：
外数第3层次外层最外层
32 18 x
50
因此，最外层电子数应为x＝54－50＝4。

该原子的电子层排布是2，8，18，32，32，18，。