1.2.6 原子核外电子排布

• 思考1：为什么元素周期表中，同一族的元素的化学性质相同？元素的化学性质究竟与什么有关？

元素的化学性质，本质上由原子的核外电子排布决定。

在原子内，电子的排布方式由奥夫鲍原则（Aufbau principle）决定，即，电子由低到高地填充进原子轨道中，每个轨道最多可以填2个电子，这两个电子的自旋反平行（即一个向上，一个向下）。

当电子在几个相同能量的轨道中排布时，总是尽可能分占在不同的轨道上，且自旋方向同向（洪特规则，Hund's rule）。

Na原子的电子排布过程如下所示：

Na原子有11个质子，所以应该有11个电子。电子会优先占据低能级的轨道，2个电子先填充1s轨道，然后另外2个电子填充2s轨道。2p轨道有3个，需要6个电子填满。最后剩下的1个电子填充进3s轨道中。

1s轨道有2个电子，2s轨道有2个电子，2p轨道有6个电子，3s轨道有1个电子，记作：1s²2s²2p⁶3s¹，即Na原子的核外电子排布式。

• 思考2：请写出Ar原子的核外电子排布式。

• 注：在书写电子排布式时，会将所有原子轨道按主量子数顺序而不是能量顺序排列。即1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶会写作1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶

除此之外，电子排布还有一些特例：电子排布时倾向于将轨道填充至全空，半满，或全满。比如，d轨道可以容纳10个电子，在其容纳0个，5个，或者10个的时候比较稳定。如果d轨道有4个或9个电子，则原子倾向于从s轨道中拿走一个电子排在d轨道上。

比如Cr原子含有24个电子，理应排布成1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s²。但是因为洪特规则，其最终排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹。

• 注：前4周期中只有Cr元素和Cu元素的电子排布受此特例影响。

• 思考3：请写出Cu原子的核外电子排布式。

对于一些原子序数更高的原子，同族的元素的电子排布可能会稍有区别。比如镍原子和钯（ba1）原子。

可以用自旋量子数（m_s）（Spin quantum number）表示电子的自旋状态，自旋向上记为m_s=+1/2，自旋向下记为m_s=-1/2。

给定4个量子数（即主量子数，角量子数，磁量子数，自选量子数），每个核外电子的状态被唯一确定。同一原子内，不存在2个电子，其量子数完全相同（泡利不相容原理（Pauli exclusion principle））。

如果原子受到了外界能量（比如光，电，热）的激发，其电子可能会被暂时激发到能量更高的轨道上，这种状态称作原子的激发态（Excited state），与激发态相对应，所有电子都处于能量最低轨道（即未受激发）的状态称为基态（Ground state）。激发态的原子不稳定，经过很短的时间就会落回基态。上文中所有的电子排布均为基态电子排布。

• 注，在化学中，通常来说，是否“稳定”，与物质所处状态的能量高低相关。相对而言，物质所处的状态的能量越低，物质越稳定，越不容易转变成其他物质，反之亦然。

• “稳定”与“处于低能量状态”这两个词在本指南中是等价的。本指南将在物理化学的化学热力学部分中详细讨论其原因。

处在能量最高的层上的电子（最外层电子）又称作价电子（Valence electron）。通常来说，能量高的轨道上的电子，尤其是价电子对元素的化学性质的影响较大，而内层电子对化学性质的影响较小。元素周期表中位于同一族的元素价电子的数量相同。

价电子数量相同往往意味着化学性质相似，但也有反例。

• 思考4：请写出Li，K原子的核外电子排布式，并与Na原子比较。你认为它们的性质会相似吗？

为了突出价电子，有时将原子电子排布的非最外层电子简化，仍以Na元素为例。由于Ne元素（Na元素前的最后一个18族元素）的电子排布为1s²2s²2p⁶，即Na元素的电子排布的前3项，所以可以将钠元素的电子排布简化为[Ne]3s¹。“[Ne]”被称为原子实。

18族元素的原子序号分别为2（He），10（Ne），18（Ar），36（Kr）......，所有原子序号处于10-18之间的元素都需要Ne做原子实。

• 思考5：请写出Cr原子的简化电子排布式。

对本节内容有贡献的科学家包括：

泡利：提出泡利不相容原理（1945年诺贝尔物理学奖）

洪特：提出洪特规则