物质的结构和材料的性质(化学中物质的结构是什么意思)

导语：工科化学（一九）：物质结构和材料性质

3.2多电子原子的电子排布式和元素周期律

3.2.1多电子原子轨道的能级

多电子原子轨道的能级取决于主量子数n和角量子数l ：

n和l是决定能级的量子数，m不是

多电子原子轨道的能级概括起来就是：主量子数n为根本，角量子数l来微调，磁量子数m不算数，偶尔还有几个不安分的（能级交错是极少的，只有少量的几个）。

另外：自旋量子数的能级是相同的，因为他们距离原子核的远近是相同的。

核外电子分布原理与方式

各元素原子核外电子的分布要服从三个原理：

泡利( Pauli)不相容原理：同一个原子的核外电子不可能四个量子数完全相同。各电子层最多可容纳电子数为2n2。

最低能量原理：核外电子应尽可能优先占据能级较低的轨道，使系统能量处于最低。鲍林(Pauling)的近似能级顺序： 1s; 2s, 2p; 3s, ; 4s, 3d, 4p; 5s, 4d, 5p; 6s, 4f, 5d, 6p; 7s, 5f, 6d,7p;（由于能级交错，4s在3d的前面）（本章的封面人物就是Pauling，获得过2次诺贝尔奖）

洪特（Hund）规则：在 n 和 l 相同的等价轨道上分布的电子,将尽可能分占 m 值不同的轨道, 且ms相同，即自旋平行。

洪特规则的补充：当轨道处于全充满、半充满或全空状态时，原子比较稳定。

多电子原子的核外电子分布式写法：先用阿拉伯数字写出主层（主量子数n），再用s、d、p、f标出亚层（角量子数n），由于磁量子数m不涉及到原子轨道能级，所以在电子分布式里，不同磁量子数的电子简并在在一起（如下例中的6），电子数目写在亚层符号的右上角。

红色字体部分是正确的电子分布式

这里容易出错的是洪特规则的补充规则。解释一下，什么叫做全满全空和半满。

全满：这个就不详细解释，就是八隅规则，最外层为2个电子或者8个电子最稳定，比如H原子主量子数n=1，那么它的角量子数l只能是0，而磁量子数m也只有一个值m=0.所以，其实H原子就只有1个轨道即为1s轨道，其最外层1s最多有2个电子（自旋量子数分别为+1/2和-1/2），所以氢气是双原子分子（电子对被两个氢原子共用）

半满：比如N原子，主量子数最大可以为n=2，角量子数最多有2个（l=0、+1）,磁量子数m最多是3个(-1、0、+1)，所以N原子的核外电子(n,l,m)分别为:1s层(1,0,0),2s层(2,0,0),2px层(2,1,-1）,2py层(2,1,0）,2pz层（2,1,1）。N原子有7个电子，1s层排满2个，2s层排满2个，2p层有3个轨道，最多能排6个电子，现在只有3个，所以N原子是比较稳定的，比N原子前面的C原子和后面的O原子都稳定。

（n=2的2s轨道最多2个电子，2p轨道最多6个电子，所以n=2层最多2+6=8个电子，那么n=3最多有多少个电子呢，答案见本章文后的评论）

全空：举例，为什么Na+离子比Na原子稳定？钠原子的的核外电子排布式是1s22s22p63s1（上标打不出来，以红字标明），失去一个电子后成为钠离子，电子排布式为1s22s22p6，3s层全空，钠离子比钠原子稳定。

由于化学反应中通常只涉及外层电子的改变，因此一般只需要写出外层电子的分布式。外层电子的分布式也称为特征电子构型或外层电子构型。

价电子层就是涉及到化合价的电子层

这里要重点讲两点容易发生错误的地方：1）虽然4s轨道原子能级弱于3d,但是写电子分布式时，还是要写完主量子数n=3的电子层电子再写主量子数n=3的电子层电子。2）铁原子与铁离子的特征电子构型中，铁原子的只写3d和4s层，而铁离子的特征电子构型中，铁离子写的是3s3d（比起铁原子，4s层的两个电子已经失去），而不是只有3d.

下一节讲元素周期律和元素周期表

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