核外电子的排布规律

核外电子的排布规律
一、能量最低原理
所谓能量最低原理是，原子核外的电子，总是尽先占有能量最低的原子轨道，只有当能量较低的原子轨道被占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，以使原子处于能量最低的稳定状态。

原子轨道能量的高低为：
1．当n相同，l不同时，轨道的能量次序为s＜p＜d＜f。

例如，E3S＜E3P＜E3d。

2．当n不同，l相同时，n愈大，各相应的轨道能量愈高。

例如，E2S＜E3S＜E4S。

3．当n和l都不相同时，轨道能量有交错现象。

即（n－1）d轨道能量大于ns轨道的能量，（n-1）f轨道的能量大于np轨道的能量。

在同一周期中，各元素随着原子序数递增核外电子的填充次序为ns，（n－2）f，（n－1）d，np。

核外电子填充次序如图1所示。

图1 电子填充的次序
图2 多电子原子电子所处的能级示意图
最外层最多能容纳8电子,次外层最多能容纳18电子。

每个电子层最多容纳的电子数为2n2个(n为电子层数的数值)如: 各个电子层中电子的最大
容纳量
电子层(n) K(1) L(2) M(3) N(4)
电子亚层s s p s p d s p d f 亚层中的轨道数 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 亚层中的电子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 每个电子层中电子
2 8 18 32
的最大容纳量(2n2)
从表可以看出，每个电子层可能有的最多轨道数为n2，而每个轨道又只能容纳2个电子，因此，各电子层可能容纳的电子总数就是2n2。

二、鲍利（Pauli）不相容原理
鲍利不相容原理的内容是：在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，或者说在同一原子中没有运动状态完全相同的电子。

例如，氦原子的1s轨道中有两个电子，描述其中一个原子中没有运动状态的一组量子数（n，l，m，ms）为1，0，0，+1/2，另一个电子的一组量子数必然是1，0，0，－1/2，即两个电子的其他状态相同但自旋方向相反。

根据鲍利不相容原理可以得出这样的结论，在每一个原子轨道中，最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。

于是，不难推算出各电子层最多容纳的电子数为2n2个。

例如，n=2时，电子可以处于四个量子数不同组合的8种状态，即n=2时，最多可容纳8个电子，见下表。

n 2 2 2 2 2 2 2 2
l 0 0 1 1 1 1 1 1
m 0 0 0 0 +1 +1 －1 －1
ms +1/2 －1/2 +1/2 －1/2 +1/2 －1/2 +1/2 －1/2 在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同，这就叫洪特规则。

洪特规则实际上是最低能量原理的补充。

因为两个电子同占一个轨道时，电子间的排斥作用会使体系能量升高，只有分占等价轨道，才有利于降低体系的能量。

例如，碳原子核外有6个电子，除了有2个电子分布在1s轨道，2个电子分布在2s轨道外，另外2个电子不是占1个2p轨道，而是以自旋相同的方向分占能量相同，但伸展方向不同的两个2p轨道。

碳原子核外6个电子的排布情况如下：
作为洪特规则的特例，等价轨道全充满，半充满或全空的状态是比较稳定的。

全充满、半充满和全空的结构分别表示如下：
全充满：；半充满：；全空：。

用洪特规则可以解释为什么Cr原子的外层电子排布式为3d54s1而不是3d44s2，Cu原子的外层电子排布为3d104s1而不是3d94s2。

应该指出，核外电子排布的原理是从大量事实中概括出来的一般规律，绝大多数原子核外电子的实际排布与这些原理是一致的。

但是随着原子序数的增大，核外电子排布变得复杂，用核外电子排布的原理不能满意地解释某些实验的事实。

在学习中，我们首先应该尊重事实，不要拿原理去适应事实。

也不能因为原理不完善而全盘否定原理。

科学的任务是承认矛盾，不断地发展这些原理，使之更加趋于完善。

原子的最外层电子数为什么不超过8个?次外层电子数为什么不超过18个? 。

由于能级交错的原因，E nd＞E(n+1)s。

当ns和np充满时(共4个轨道，最多容纳8个电子)，多余电子不是填入nd，而是首先形成新电子层，填入(n＋1)s轨道中，因此最外层电子数不可能超过8个. 。

同理可以解释为什么次外层电子数不超过18个。

若最外层是第n层，次外层就是第(n－1)层。

由于E(n-1)f＞E(n+1)s＞E np，在第(n＋1)层出现前，次外层只有(n－1)s、(n－1)p、(n－1)d上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，因此次外层电子数不超过18个。

例如，原子最外层是第五层，次外层就是第四层，由于E4f＞E6s＞E5p，当第六层出现之前，次外层(第四层)只有在4s、4p和4d轨道上有电子，这三个亚层共有9个轨道，最多可容纳18个电子，也就是次外层不超过18个电子. 。

原子电子层结构及与元素基本性质的关系
1、随元素核电荷数递增，元素原子外层电子结构呈周期性变化，导致元素性质呈周期性的变化。

这就是元素周期律。

周期与能级组的关系
周期能级组能级组内各原子轨道能级组内轨道所能容纳的电子数各周期中元素
1 一1s
2 2
2 二2s 2p8 8
3 三3s 3p8 8
4 四4s3d4p18 18
5 五5s4d5p18 18
6 六6s4f5d6p32 32
7 七7s5f6d7p32 32
(1) 周期数==电子层数==最外电子层的主量子数=相应能级组数n。

(2) 各周期元素的数目==相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。

（3）主族元素所在族数=原子最外层电子数（ns+np电子数）=最高正价数。

副族ⅢB～ⅦB 族数=（n-1）d +ns电子数；Ⅷ族（n-1）d +ns电子数为8，9，10；ⅠB、ⅡB族为（n-1）d10ns1和(n-1)d10ns2；零族的最外电子数为2或8。

（4）根据原子电子层结构特点，将周期表分为S区，P区（主族元素）；d区和ds区（过渡元素）；f区（内过渡元素）。

元素的分区
①s区元素，最外电子层结构是ns1和ns2，包括IA、IIA族元素。

②p区元素，最外电子层结构是ns2np1-6，从第ⅢA族到第0族元素。

③d区元素，电子层结构是(n-1)d1-9ns1-2, 从第ⅢB族到第Ⅷ类元素。

④ds区元素，电子层结构是(n-1)d10ns1和(n-1)d10ns2，包括第IB、IIB族。

⑤f区元素，电子层结构是(n-2)f0-14 (n-1)d0-2ns2，包括镧系和锕系元素。

2．元素基本性质变化的规律性
元素原子半径r电离能I及电负性X随原子结构呈周期性递变。

（1）同一周期从左至右，Z*逐渐增大 r逐渐减小，I、χ逐渐增大，因而元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。

长周期的过渡元素，其次外层电子数依次增多，Z*依次增加不大，性质递变较缓慢。

（2）同一族从上至下，主族元素Z*变化不大，电子层依次增多，r逐渐增大，I、和χ逐渐减小，因而元素金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱，副族元素从上到下，r增加不大，而Z*增大起了主导作用，除ⅢB族外，其它副族从上到下I逐渐增大，金属性逐渐减弱。

练习
1、画出锂、氧、钠原子的轨道表示式。

2、写出碳、氟、硫、钙、铜原子，镁离子、铁离子、Br-的电子排布式。

3、写出下列金属的元素符号、说明在表中位置、写出价电子层排布式：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、银、金、锌、汞。

铁1s22s22p63s23p63d64s2。

4．39号元素钇的电子排布应是下列各组中的哪一组？
A．1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2 B．1s22s22p63s23p63d104s24p65s25p1
C．1s22s22p63s23p63d104s24p64f15s2 D．1s22s22p63s23p63d104s24p65s25d1
A．外围电子构型为4d15s2
5．某元素位于周期表中36号元素之前，失去3个电子后，在角量子数为2的轨道上刚好半充满，该元素是什么？
A．铬 B．钌 C．砷
D．铁
D．铁。

Fe3+外围电子构型是3s23p63d5
6．下列元素中，哪一个元素外围电子构型中3d全满，4s半充满？
A．汞 B．银 C．铜
D．镍
C．3d全满为3d10，4s半满为4s1，具有外电子构型为3d104s1的元素是I B族铜。

7．外围电子构型为4f75d16s2的元素在周期表中应在什么位置？
A．第四周期ⅦB族 B．第五周期ⅢB族
C．第六周期ⅦB族 D．第六周期ⅢB族
D．第六周期ⅢB族，由于内层4f未填满，该元素必然是镧系元素钆。

8．下列四种元素的电子构型中，其电子构型的离子状态在水溶液中呈无色的是哪一种？
A．2，8，18，1 B．2，8，14，2
C．2，8，16，2 D．2，8，18，2
D．最外层具有2（s2），8（s2p6），18（s2p6d10）和18+2等稳定结构类型离子一般都没有颜色，因为在这些结构中，电子所处的状态比较稳定，一般可见光难以激发它们，因而不显颜色。

9．如果发现 114号元素，该元素应属下列的哪一周期哪一族？
A．第八周期ⅢA族 B．第六周期ⅤA族C．第七周期ⅣB族 D．第七周期ⅣA族
D．原子序数为114的元素，其电子层结构可能为（Rn）7s25f146d107p2，它属于第七周期第四主族。

10．第二周期各对元素的第一电离能大小次序如下，其错误的是哪一组？
A．Li＜Be B．B＜C C．N＜
O D．F＜Ne
C．应N＞O。

周期表中同一周期电离能有些曲折变化。

按照洪特规则，等价轨道全满（p6，d10），半满（p3，d5）和全空（p0，d0）是相对稳定的。

在第二周期中， N有较高的第一电离能是因为N原子为p3半充满之故。

11．外层电子构型为3d54s1的元素是， T1+ 离子的价电子构型是____ 。

铬（半满）、T1+ （铊）的价电子构型是6s2。

12．周期表中所有元素按原子结构的特征，可分为五大区，它们是
A．____，B．____，C．____，D．____，E．____。

A．s电子区；B．p电子区；C．d电子区；D．f电子区；（E）ds区。

13．如果第七周期是完全周期，其最终的稀有气体的电子层结构为____，其原子序数应为____。

第七周期稀有气体的电子层结构为：[Rn]7s26d107p6，原子序数为118。

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