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关于复杂原子的核外电子排布式问题
时间:2024-12-23 20:32:41
答案

你好!

怎么说呢,你问得模棱两可(主要是这个语序)。因为从你的提问中我理解出好几套问题,我拿不准你到底想问什么,所以就都回答了,你看看我那个回答是针对你想问的问题的,就看那个好了。

“为什么Cl的排布式最后两位是3S23P5?”

原子核外电子排布遵循的大规则是(这是我自己总结的):原子核外电子要尽量以使整个体系能量最低的形式排布。

如果细分的话,有三个规则:

(1)pauli原理(你如果是高中生,你就先看看吧……)

“同一轨道亚层上最多只能容纳两个电子,且自旋方向相反。”

这里的“轨道”、“亚层”、“自旋”,都是装B术语,下面会解释。

(概念具体怎么来的我就不说了,要不我又得啰里啰唆一大堆,还不一定给你讲懂…

我下面尽量用不装B的语言形容一下,如果看不懂也别太为难自己。装B的世界就是发

誓不让正常人看懂!话说我好像把自己也绕进去了……)

1)原子核外的电子也是有秩序有结构的,它们先分层,就当是一栋宿舍楼中分层。

(对应量子力学中的“主量子数”,用n表示)

比如氯原子核外有三层电子,就是K层、L层、M层,这又是装B规定的

就是依次是n=1、2、3的意思(1、2、3层)

3s2、3p5前的3就表示对应的电子”住“在n=3这一层的意思。

跟现实中一样,到一楼容易(n=1即K层最低),电子先住进去(先进入K层)

而爬三四楼累(能量高),电子等一二层都满了再住进去(就是内层满了再到外层)

2)每一层中又有更细的结构,就是“轨道",就当是宿舍楼里一层中的某个房间。

(对应量子力学中的“角量子数”,用l表示)

规定l=0时,用s表示;l=1时,用p表示;l=2时,用d表示;类推,往后依次为f、g、h...

比如3s2中的s就表示对应的电子住在s亚层,即是l=0这种标准的“房间”(亚层)中。

但是这些房间标准(能量)不一样,有的贵一点(能量高),有的便宜一点(能量低)

电子估摸自己身上的钱先紧着便宜的住(先进入能量低的轨道,spd...的顺序)

3)而在每一轨道中还有更精细的结构,叫“亚层",就当是宿舍里有上下铺的床。

(对应量子力学中的“磁量子数”,用m表示)

通常相同轨道里亚层的能量是大致相等的。学科学的人爱装B,就用“简并”表达“能量大

致相同”这个意思意思。

就当是一间宿舍里有好几张床,普通的时候这些床铺的费用是一样的(能量简并)

4)每个亚层最多只能容纳两个电子,为了区分它们,用“自旋量子数”区分,用ms表示

就是每张床分上下铺,不许把妹不许搅基,每铺最多一个电子每张床最多住两个电子

pauli原理比较装B的描述就是“在同一个原子中不允许两个电子的四个量子数完全相同”

就是你想去一个原子宿舍楼里找住的电子,每个电子只拥有一个床铺。

(2)能量最低原理

我就继续打比方了,不用装B术语了。就是像上面说的,每层的不同标准房间价钱不同,

但在相邻楼层的不同种房间中,电子怎么取舍“爬楼”跟“价钱”,选择不同房间,就有特殊

的“规定”了。电子根据“爬楼”和“房屋价钱”取舍的房间选择顺序是:

1s;2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;

就是比如4s和3d相比,可能是虽然3d在三楼,但是4s比3d更便宜(能量低),抵消了

“爬楼”的影响,就先选择住进了4s,后选择住进3d。其他类似。

(3)Hund规则,你第二句说的“p、d、f能级全满、半满或全空是稳定”,反映的是Hund规则

即“电子在等价轨道上分布时,将尽可能分占不同亚层,且自旋相同”

继续在刚才打的比方中,在相同的房间(轨道)里,电子先都是住了不同床铺的下

铺,再住上的那些床铺的上铺。

就像咱住宿舍的时候,大家图方便先紧着下铺住,下铺满了再住上铺。

(其实这个例子在解释Hund规则非常不贴切,原谅我用一下装B语言。电子都是带负

电的,挤在同一亚层里,肯定很自觉地分布在不同亚层,因为同电荷相斥,这样斥

力最小。物理里学过电磁的相互转化,电子会自旋,这是实验观察得出的结论。电

子自旋运动就会产生磁场。当自旋相同时,电子周围的磁场就相似,比如都是

NS NS NS或SN SN SN,这样磁的吸引力会抵消了部分电的排斥力,所以使整个体

系更稳定一些,即体系更稳定。当自旋不同时,电子周围的磁场相反,比如是

NS SN NS或SN NS SN,这样磁的排斥力会使电子更加排斥,使整个体系更不稳定

因此自旋相同的时候,体系能量更低,电子更倾向于进入“简并”的亚层中,等半满了

之后再进入已经填充了一个电子的亚层中。)

根据上面的原则,氯原子原子序数是17,就按上面的原则从1s轨道开始填充两个电子,剩15个电子;在2s轨道填充两个电子,剩13个电子;在2p轨道填充6个电子,剩7个电子;在3s轨道填充两个电子,剩5个电子;最后五个电子填充在3p轨道中。因此最后氯原子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p5。

“p、d、f轨道全满、半满或全空是稳定”此话不假。但是请你仔细想想,自然界中各种元素是不是以比较稳定的形式存在的?那再想想氯元素是以什么形式存在于自然界的?一般是以氯离子的形式存在于世(当然还有其他形态,氯离子的不少)。那就说明氯原子不是很稳定的状态,相比之下氯离子的形式更稳定一些。氯原子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p5,它不是全满半满或全空的情况,从“结构决定性质”的角度看氯原子应该不是最稳定的,印证了自然界中的现象,自然界没有无缘无故就稳定存在的氯原子。而氯离子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p6,它是全满结构,从“结构决定性质”的角度看氯原子应该是稳定的,而自然界的现象也说印证了这一点,许多氯元素是以氯离子的形式存在。

“像Cu的最后两位是3d10 4s1.怎么解释”,我大概明白你想问什么。不过因为你这个问题的表述,我还是有点犹豫。铜有类似于氯的情况,也有不同于氯的情况。铜原子原子序数是29,就按上面的原则从1s轨道开始填充两个电子,剩27个电子;在2s轨道填充两个电子,剩25个电子;在2p轨道填充6个电子,剩19个电子;在3s轨道填充两个电子,剩17个电子;在3p轨道填充6个电子,剩11个电子。从你的表述中,我想你应该也知道我刚才提到的“1s;2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p”的顺序吧。注意我用了逗号和分号了吧。分号里面的轨道能量相近,最外层十一个电子排布中有两种方式,(1)4s2 3d9 和(2)4s1 3d10。你是考虑到这两种情况,觉得4s轨道能量更低,所以才是全满,而3d轨道上有9个电子。但实际情况上是4s1 3d10。而氯外面的3s2 3p5。同样是低能量的s轨道,同样是跟能量相近的轨道组合,为什么铜那里是s轨道是半满的,到氯却是全满的。这就是d轨道跟p轨道不同的地方了。

3d轨道的能量比4s轨道的能量高,同样3p轨道的能量也比3s轨道的能量高。但是3d轨道的能量与4s轨道的能量相差不大,而3p轨道的能量与3s轨道的能量相差较大。也就是说,(1)4s2 3d9 和(2)4s1 3d10的能量相差不大,但是(1)4s2 3d9,4s轨道是全满的,3d轨道处于一个既不是全空也是半满更不是全满的情况。而(2)4s1 3d10中4s轨道是半满的,3d轨道是全满的。(2)与(1)相比,虽然有一个电子在能量较高的4d能级中,从这点电子能量的角度看(2)能量会比(1)高一点。可是(2)中3d10的能量比(1)中3d9的能量低,这个能量比4s轨道和3d轨道能量相差的还要大,所以综合这两种情况(2)比(1)的能量大。

(如果从量子力学的角度看,电子轨道是全空、半满、全满时,这个轨道是球对称的,球对称的能量要远远小于非球对称的能量。看不懂就无视这句话吧)

希望我的回答能帮到你。

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