多电子原子核外电子排布原则

6.4.3　多电子原子核外电子排布原则

电子在核外的排布应遵循以下三个原则，即能量最低原理、保利(Pauli)原理和洪特(Hund)规则。

1.能量最低原理　系统的能量越低就越稳定，这是自然界的一个普遍规律。原子中的电子在原子轨道上的排布，总是尽可能使整个原子的能量处于最低状态，这样的体系最稳定，这就是能量最低原理。

2.保利原理　保利原理也称为保利不相容原理，是在1925年由奥地利物理学家保利提出的。该原理指出，在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，或者说在同一个原子中没有运动状态完全相同的电子。

3.洪特规则　德国物理学家洪特根据大量光谱实验数据总结出一个规律：在简并轨道上排布的电子，优先占据不同的轨道，而且以自旋相同(或自旋平行)的方式分布。“分占轨道，自旋平行”就是洪特规则的核心思想，因为这样的排布方式可以避免同一轨道内2个电子的相互排斥作用，利于体系保持总能量最低，体系较稳定。

例如，N原子核外有7个电子，根据能量最低原理和保利原理，电子在1s轨道排布2个，在2s轨道排布2个，另外3个电子将排布在三个能量简并的2p轨道。所以N原子中电子的填充顺序和个数为1s²2s²2p³形式，这种表示原子或离子中电子排布的形式叫做该原子或离子的核外电子排布式、电子组态、电子结构式或电子构型。根据洪特规则，这三个电子以相同的自旋方式占三个2p轨道，如图6.18所示。

洪特规则还有一些特例，即能量简并的等价轨道全充满(p⁶，d¹⁰，f¹⁴)、半充满(p³，d⁵,f⁷)或全空(p⁰，d⁰，f⁰)的状态是比较稳定的，简并度高的轨道更是如此。例如：24号元素Cr的外层电子组态不是3d⁴4s²，而是按照3d⁵4s¹方式排布，体系能量最低。类似情况还有29号元素铜(Cu)、42号元素钼(Mo)、47号元素银(Ag)和79号元素金(Au)。

根据上述电子排布的三原则，基本可以解决核外电子排布问题，可写出电子结构式。比如：

Al原子(Z=13),其电子组态为1s²2s²2p⁶3s²3p¹;

Ca原子(Z=19),其电子组态为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

为了避免电子结构式过长，通常把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成稀有气体的元素符号外加方括号的形式来表示，这部分称为“原子实”。例如Ca的电子组态也可以表示为[Ar]4s²。

需要注意的是，由钻穿效应得到的结果是E_4s＜E_3d，但是在写电子排布式的时候还是先写3d轨道，再写4s轨道。

核外电子排布的三原则只是一般的规律，对于某一元素原子的电子排布情况要以光谱实验结果为准。表6.3列出了元素原子的电子排布情况。

表6.3　元素原子的电子排布情况

续表