原子由原子核和核外电子组成,核外电子的分布规律如下:
1.能级分层,容量有限
电子都是绕着原子核旋转,就像卫星轨道一样,只是转得没有卫星那么规则。根据轨道能级的相对高低(离核心越近,能级越低),可划分为若干个电子层,K、L、M、N、O、P、Q……为啥不从A开始排列呢?因为科学家担心以后会发现更底能级的轨道,给自己留个退路。
每个电子层能容纳的电子数量有限,最多2*n^2个,从内之外即2-8-18-32……
2.层内分圈,一夫一妻
每个电子层又划分成1个或者多个小层,叫做“亚层”,依次称为s、p、d、f亚层。K层只有1个亚层,L层有2个亚层、M层有3个亚层,从N层开始有4个亚层。
每个亚层内部分成若干轨道,s亚层提供1个轨道,p亚层提供3个轨道,d亚层提供5个轨道,f亚层提供7个轨道。每个轨道最多容纳2个电子,要求电子自旋方向相反,就像一个房间,只能容纳一个单身或者一对夫妻。
3.能级交错,参考构造
每个轨道的能级顺序,不仅仅取决于轨道所在的亚层,相邻轨道的能级排序可能有交错,整体符合下面的构造图 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s。
4.对号入座,能量最低
核外电子在排列的时候,遵循能量最小的原则,此时称为稳定态。结合轨道能级和数量,对25号元素进行电子排序。按照能量最小的原则,可以将前面20个电子填充至4s轨道,剩下5个电子填充3d亚层。
3d亚层有5个轨道,怎么填充呢?
5.机会均等,单人单间
当同一个亚层的轨道数量>=电子数量,电子会本着多吃多占的原则,去占据更多的轨道。上面的分配方式,就是每个电子一个轨道。
那么,电子数>轨道数的情况呢?
6.房间不够,夫妻来凑
同一个亚层必须容纳的电子数量大于轨道数量的时候,首先让每个轨道充满1个电子。然后,剩余电子将以自旋相反的方式进驻到轨道中。
比如26号元素,其电子排列将如下所示:
7.稳定压倒一切
电子排列的终极目的是使原子整体处于稳定态,能量最低不仅仅是按轨道能级排序,亚层的填充程度也会影响原子的稳定。0填充、半填充和满填充,都是稳定态。比如29号元素,按照前面的原则,其电子排序应该是这样的:
但是,如果让4s半填充、3d满填充会更稳定,所以29号元素的电子排序如下:
可以这么理解,让最后一个电子进驻到3d的一个房间,比让它进驻到4s的单独房间,代价更小一些。
8.凡事总有例外
物理规律是通过观察现象进行归纳总结推理而得到的,如果找不到普适性的规律,就用一些近似规律+特例来方便记忆。电子排布的规律就是如此,已知元素有十几个不符合上述规律,但是客观存在,只能是特事特记了。对这些元素特例,低年级不做要求。