一、能层与能级

1.1 能层与能级

  1. 能层：按照核外电子能量的差异，将核外电子分成不同的能层。总共有K、L、M、N、O、P、Q 七个能层
  2. 能级 ：同一能层中，不同能量的电子，分成不同的能级
  3. 能层与能级的关系 ：
能层与能级的关系.png
能层与能级的关系

1.2 能层与能级有关的规律

  1. 能级数=能层序数，（所有能级：s、p、d、f、g、h、i），实际上最多只占据4个能级但并不代表这个规律不正确，而是因为能级数是是能层数(主量子数)根据薛定谔方程计算出来的，存在不代表要占据。
  2. 不同能级分别占据的轨道数s(1)、p(3)、d(5)、f(7)；每个轨道数最多都只能占据2个电子。

每个轨道最多能容纳的电子数（2\(\ce{\times}\) 轨道数）；

  1. 不同能层最多能容纳的电子数：\(\ce{2n^{2}}\)
  2. 不同能层与能级的能量对比：
    1. 同一能层不同能级的能量对比：\(\ce{s
    2. 不同能层同一能级的能量对比：\(\ce{1s<2S<3s<4s}\)
    3. 不同能层不同能级的能量对比没有统一规律，并非能层大能量就大，比如\(\ce{3d>4s}\)
    4. 能层能级相同，不同轨道的能量相等，如\(\ce{2p_x=2p_y=2p_z}\)

二、基态与激发态 原子光谱

2.1 基态原子与激发态原子

  1. 基态原子：处于最低能量状态的原子叫做基态原子
  2. 激发态原子：基态原子吸收能量后，它的电子跃迁到较高能级，变为激发态原子
  3. 电子跃迁：电子跃迁可以从低能级跃迁到高能级，这个过程叫做吸收/激发；从高能级跃迁到低能级，这个过程叫做发射/退激。
  4. 能量量子化：
    1. 原子跃迁吸收或放出的能量不是线性的，而是量子化的，需要吸收特定个数的特定光子的能量
    2. 同一原子的不同能级的跃迁吸收的能量不同，比如某原子从\(\ce{2s->3p}\) ,\(\ce{3s->3p}\) 吸收的能量不同。不同体现在吸收光子的频率（种类）不同，吸收光子的量数不同（能量不同）
    3. 不同原子的相同能级的跃迁路径，吸收或放出的能量也不同
  5. 应用：焰火（焰色反应）、激光、LED灯

2.2 原子光谱与光谱分析

  1. 光谱分析 ：现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析
  2. 光谱的成因 ：以基态\(\ce{S}\)元素的跃迁为例
    1. 某一能级跃迁的规则是确定的，\(\ce{\Delta l= \pm 1}\) ,也就是说s能级只能跃迁到p能级，跃迁到其他能级都是不可能的。p能级可以跃迁到s能级和d能级
    2. 从宏观上来讲能层之间是可以随意跃迁的，但对于确定的原子，跃迁的路径是固定的
    3. 综上原子跃迁的路径是相对固定的，所以在发生跃迁时，吸收或放出的光子也是确定的，那么光谱也就确定，所以就形成了特征谱线，可以反过来鉴定元素
    4. 光谱分为：发射光谱（暗背景中的）亮线与吸收光谱（彩色背景的）暗线对应的位置相同。因为某个确定的原子从2s能级激发到3p能级吸收的能量，与从3p退激到2s的能量从数值上是相同的，吸收的光子的频率和量数都是相同的

三、构造原理与电子排布式

3.1 构造原理

  1. 定义 ：以光谱学事实为基础，从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序
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构造原理
  1. 注意事项 ：
    1. 构造原理是基于光谱学事实得出的思维模型，是经验的，而非理论推导。绝大多数基态原子核外电子排布都遵循
    2. 电子按照构造原理排布，会使整个原子的能量处于较低状态，原子较稳定
    3. 原子并不是严格按照能层排布的，从第三层开始就出现了能级交错的现象（3d>4s）
    4. 排布的时候按照构造原理来排布，但是书写基态原子的电子排布式时仍按照能层顺序来写

3.2 电子排布式

  1. 以\(\ce{Al}\) 为例：\(\ce{Al:1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{1}}\)
  2. 书写 ：先按照构造原理书写填充电子\(\ce{->}\) 调整位置，将同意能层的能级放到一起，最后一号元素的排列：\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{10} 4s^{2} 4p^{6} 4d^{10} 4f^{14} 5s^{2} 5p^{6} 5d^{10} 5f^{14} 6s^{2} 6p^{6} 6d^{10} 7s^{2} 7p^{6}}\)
  3. 简化电子排布式：避免电子排布式过于复杂，常把内层电子达到稀有气体的部分，以相应的稀有气体符号外加方括号来表示，eg：\(\ce{Al:1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{1}}\) ，即 \(\ce{[Ne] 3s^{2} 3p^{1}}\)
稀有气体元素代表电子排布式
\(\ce{[He]}\)\(\ce{1s^{2}}\)
\(\ce{[Ne]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6}}\)
\(\ce{[Ar]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6}}\)
\(\ce{[Kr]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{10} 4s^{2} 4p^{6}}\)
\(\ce{[Xe]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{10} 4s^{2} 4p^{6} 4d^{10} 5s^{2} 5p^{6} }\)
\(\ce{[Rn]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{10} 4s^{2} 4p^{6} 4d^{10} 4f^{14} 5s^{2} 5p^{6} 5d^{10} 6s^{2} 6p^{6}}\)
\(\ce{[Og]}\)\(\ce{1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{10} 4s^{2} 4p^{6} 4d^{10} 4f^{14} 5s^{2} 5p^{6} 5d^{10} 5f^{14} 6s^{2} 6p^{6} 6d^{10} 7s^{2} 7p^{6}}\)

3.3 价层电子排布

  1. 价层 ：在化学中可能发生电子变动的能级，称为价电子层简称价层，这些电子称为价层电子。
  2. 价层包含那些层 ：
    1. 对于主族来说，最外层电子就是价层电子
    2. 对于副族来说，价层电子除最外层电子外，还包含次外层电子，甚至倒数第三层部分电子
  3. 价层电子排布 ：直观反应基态原子的能层数，可能成键的电子数以及最外层电子数。

对于主族元素来说就是简化电子排布式去除稀有气体符号(原子实)，剩余的\(\ce{ns np}\) (属于第几层/第几周期n就是几) eg：\(\ce{Al:1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{1}}\) \(\ce{->[简易电子排布式]}\) \(\ce{[Ne] 3s^{2} 3p^{1}}\) \(\ce{->[价层电子排布式]}\) \(\ce{3s^{2} 3p^{1}}\) 对于副族元素来说也是简化电子排布式去除原子实，剩余的\(\ce{(n-1)d ns}\) eg：\(\ce{Al:1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2} 3p^{6} 3d^{6} 4s^{2} }\) \(\ce{->[简易电子排布式]}\) \(\ce{[Ar] 3d^{6} 4s^{2}}\) \(\ce{->[价层电子排布式]}\) \(\ce{3d^{6} 4s^{2}}\)

  1. 注意事项 ：原子电子排布的时候按照构造原理，而非严格按照层数来排布；但是失电子的顺序要严格按照层来失去。eg：\(\ce{Fe}\) 先失去\(\ce{4s}\) 形成\(\ce{Fe^{2+}}\) ;再失去\(\ce{3d}\) 能级的一个电子才能变成\(\ce{Fe^{3+}}\)

四、电子云与电子轨道

4.1 电子云

  1. 电子云 ：电子运动速度接近光速，无法直接观测，用薛定谔方程求出的概率分布，然后用小黑点模拟出来
  2. 电子云轮廓图 ：把电子在原子核外空间出现概率P=90%的空间圈出来形成电子云轮廓图
    1. s电子云：球形
    2. p电子云：哑铃形，有三种空间伸展方向，分别相对于x轴、y轴、z轴伸展
    3. d电子云：花瓣形，较为复杂。（高中只考s、p）

4.2 原子轨道

  1. 定义 ：量子力学中把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。各能级的一个空间伸展方向的电子云轮廓图即表示一个轨道。如 s能级只有1个轨道；p能级有3个相互垂直的哑铃形轨道即\(\ce{p_x}\) 、\(\ce{p_y}\) 、\(\ce{p_z}\) ；d能级有5个轨道；f能级有7个轨道
  2. 简并轨道 ：同一能级的不同原子轨道的能量相同，称为简并轨道，如\(\ce{2p_x=2p_y=2p_z}\)
  3. 原子轨道与能层序数（n）的关系：原子轨道数=\(\ce{n^2}\)

五、泡利原理、洪特规则、能量最低原理

5.1 电子自旋与泡利原理

  1. 电子自旋：自旋是微观粒子的一种内在属性，电子自旋在空间内有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用 \(\ce{^ 和 v}\) 表示自旋方向相反的两个电子
  2. 泡利原理 ：在一个原子轨道内，最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向相反。泡利原理又称为泡利不相容原理

5.2 洪特规则

  1. 内容 ：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行
  2. 在简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有较低的能量和较大的稳定性
    1. 全充满：\(\ce{p^{6}}\) 、\(\ce{d^{10}}\) 、\(\ce{f^{14}}\)
    2. 全空：\(\ce{p^{0}}\) 、\(\ce{d^{0}}\) 、\(\ce{f^{0}}\)
    3. 半充满：\(\ce{p^{3}}\) 、\(\ce{d^{5}}\) 、\(\ce{f^{7}}\)

5.3 能量最低原理（构造原理）

  1. 在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低

5.4 电子排布的轨道式

  1. 轨道：用方框或圆圈表示电子轨道
  2. 电子对 ：“\(\ce{^ v}\)” 表示电子对；\(\ce{^ 或 v }\) 表示单电子。箭头同向的单电子称自旋平行
  3. 两原理，一规则 ：在构造基态原子的时候，三者要同时满足，违背其一，则电子能量不处于最低状态
  4. 特例 ：\(\ce{Cr^{24}}\) 、\(\ce{Cu^{29}}\)
铬原子电子排布式.png
铬原子电子排布式
铜原子电子排布式.png
铜原子电子排布式