原子结构与元素性质 · 二 · 「构造原理、泡利原理、洪特规则」

原子轨道

对每个 $n$ 值而言：

• 有 $n$ 种能级；

• 有 $n^2$ 个原子轨道；

• 最多可容纳 $2n^2$ 个 $e^{-}$；

构造原理

构造原理（aufbau principle）：从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。

顺序 ：$1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-6s-\dots$

${\displaystyle E_{1l}<E_{2l}<E_{3l}<...<E_{nl}}$

${\displaystyle E_{ns}<E_{np}<E_{nd}<E_{nf}}$

${\displaystyle E_{ns}<E_{(n-2)f}<E_{(n-1)d}<E_{np}}$

我们把第三个不等式中涉及到的能级组成的集合称为能级组。

能级组序号	一	二	三	四	五	六	七
能级	$1s$	$2s$ $2p$	$3s$ $3p$	$4s$ $3d$ $4p$	$5s$ $4d$ $5p$	$6s$ $4f$ $5d$ $6p$	$7s$ $5f$ $6d$ $7p$
最大电子容纳量	$2$	$8$	$8$	$18$	$18$	$32$	$32$

泡利不相容原理

泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳 2 个电子，它们的自旋 相反，常用上下箭头( $\uparrow$ 和 $\downarrow$ )表示自旋相反的 电子。

${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}}\mathrm{O}$ 的轨道表示式如下：

$${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}}\mathrm{O}\frac{\uparrow \downarrow }{1s}\frac{\uparrow \downarrow }{2s}\frac{\uparrow \downarrow \uparrow \downarrow \uparrow \downarrow }{2p}$$

• 简并轨道：能量 相同的原子轨道

• 电子对：同一个原子轨道中，自旋方向 相反 的一对电子

• 单电子：一个原子轨道中若只有一个电子，则该电子称为单电子

• 自旋平行：箭头同向 的单电子称为自旋平行

• 在氧原子中，有 3 对电子对，有 2 个单电子

• 在氧原子中，有 5 种 空间运动状态，有 8 种 运动状态不同 的电子

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. 特例：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

$$\mathrm{相}\mathrm{对}\mathrm{稳}\mathrm{定}\mathrm{的}\mathrm{状}\mathrm{态}\{\begin{array}{ll}\mathrm{全}\mathrm{充}\mathrm{满}& s^2,p^6,d^{10},f^{14}\\ \mathrm{半}\mathrm{充}\mathrm{满}& s^1,p^3,d^5,f^7\\ \mathrm{全}\mathrm{空}& s^0,p^0,d^0,f^0\end{array}$$

${\phantom{A}}_{\phantom{24}}^{\phantom{}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}24}^{\phantom{2}}\mathrm{Cr}$ 的电子排布式为 $[\mathrm{Ar}]3d^{5}4s^1$，为半充满状态，易错写为 $[\mathrm{Ar}]3d^{4}4s^2$。

${\phantom{A}}_{\phantom{29}}^{\phantom{}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}29}^{\phantom{2}}\mathrm{Cu}$ 的电子排布式为 $[\mathrm{Ar}]3d^{10}4s^1$，为全充满状态，易错写为 $[\mathrm{Ar}]3d^{9}4s^2$

1. 基态原子：处于 最低能量 状态的原子。

2. 激发态原子：基态原子 吸收能量，它的电子会跃迁到 较高能级，变成 激发态原子。

能量最低原理

1. 内容：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。

2. 因素：整个原子的能量由 核电荷数 、 电子数 和 电子状态 三个因素共同决定。

原子光谱

焰色反应

物理反应，进行焰色反应应使用 铂丝（镍丝、无锈铁丝）。把嵌在玻璃棒上的金属丝在 稀盐酸 里蘸洗后，放在酒精灯的火焰里灼烧，不同金属元素会使火焰变为各种颜色，这便是焰色反应。焰色反应的形成与原子光谱有关

详见 06 元素及其化合物 - 01 钠及其化合物

光谱分析

在现代化学中，常利用原子光谱上的 特征谱线 来鉴定元素，称为光谱分析。