7.15: 多电子原子的电子构型

碱金属钠（原子序数11）比氖原子多一个电子。该电子必须进入可用的最低能量子壳，即3 s 轨道，并给出1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ¹ 配置。占据最外层壳层轨道（ n 的最大值）的电子称为价电子，占据内层壳层轨道的电子称为核心电子。由于核心电子壳对应于稀有气体电子构型，因此我们可以通过写与核心电子构型匹配的稀有气体以及价电子以浓缩形式来缩写电子构型。对于钠，符号[Ne]代表核心电子，（1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ ），缩写或简写配置为[Ne] 3 s ¹ 。

类似地，锂的缩写构型可以表示为[He] 2 s ¹ ，其中[He]代表氦原子的构型，这是相同的到充满锂的内壳。以这种方式编写构型强调了锂和钠构型的相似性。这两个属于碱金属族的原子在一组填充的内壳之外的化合价 s 子壳中只有一个电子。

Li: [He] 2 s ¹

Na: [Ne] 3 s ¹

碱土金属镁（原子序数为12）的12个电子为[Ne] 3 s ² 构型，类似于其铍成员， [He] 2 s ² 。两个原子在其填充的内壳外部都有一个填充的 s 子壳。铝（原子序数13），具有13个电子，电子构型为[Ne] 3 s ² 3 p ¹ ，类似于其家族成员硼[He] 2 s ² 2 p ¹ 。 >

硅（14个电子），磷（15个电子），硫（16个电子），氯（17个电子）和氩气（18个电子）的电子构型与其外壳的电子构型相似家族成员分别为碳，氮，氧，氟和氖，只是较重元素的外壳的主要量子数增加了一个，到 n = 3。

当我们进入元素周期表中的下一个元素时，即碱金属钾（原子序数为19），我们可能期望我们将向3 d 子壳中添加电子。但是，所有现有的化学和物理证据都表明钾像锂和钠一样，并且下次选举没有添加到3 d 水平，而是添加到了4 s 级。如前所述，没有径向节点的3 d 轨道的能量较高，因为与具有三个径向节点的4 s 相比，它的穿透性更小并且对原子核的屏蔽性更高节点。因此，钾具有[Ar] 4 s ¹ 的电子构型。因此，钾在其价壳构型中对应于Li和Na。添加下一个电子以完成4s子壳，钙的电子构型为[Ar] 4 s ² 。这使钙具有与铍和镁相对应的外壳电子构型。

在Cr和Cu的情况下，我们发现半填充和完全填充的子壳显然代表了较好稳定性的条件。这种稳定性使得电子从4 s 移入3 d 轨道以获得半填充3 d 子壳的额外稳定性（在Cr中）或填充的3 d 子壳（在Cu中）。其他例外情况也会发生。例如，铌（Nb，原子序数41）被预测具有电子构型[Kr] 5 s ² 4 d ³ 。通过实验，我们观察到它的基态电子构型实际上是[Kr] 5 s ¹ 4 d＆nbsp; ⁴ 。我们可以合理地认为，通过使5 s 轨道中的电子成对经历的电子-电子排斥大于5 s 和4之间的能隙。 d 轨道。没有简单的方法可以预测原子的例外情况，因为原子之间的电子排斥力大于子壳之间的能量小差异。

此文本改编自 Openstax ，化学2e，第6.4节：原子的电子结构。

包立不兼容原理，洪德 最大多重性定则，和递建原理 可以被延伸来设想任何元素 的电子结构。考虑写出钠的电子结构，钠的核心电子分布 恰好是前一个元素氖。单价电子战有3s轨域。氖属于元素周期表的第十八列，稀有气体。这些元素的电子结构 有助于其他元素的电 子结构的扼要描绘。对于任何元素，核心电子结构 与在周期表中前面的 稀有气体相同。钠的电子结构，例如，可以被写成氖的核心，3s1。钾的核心电子结构 是1s22s22p63s23p6，留下一个价电子。现在，第十九个电子是否会进入3d副壳层？回想一下，4s副壳层有显著的穿透 能力，通常导致具有比3d 副壳层更低的能量。递建原理，因此，认为4s副壳层会在3d副壳层之前填充。前面的稀有气体氩的核心，是用来写出扼要的结构。虽然这些原则提供了一个起点，实际的电子结构 必须透过实验确认。在很多过度元素中，镧系元素、锕系元素，他们的轨域能量 的相对顺序不同，而可能不会完全遵循递建原则。在过度元素中，3d和4s副壳层 有相似的能量。4s副壳层通常是完全填满的。例如，在钪中，电子结构 是氩核心，4s23d1。在锌当中，4s和3d副壳层填充 到他们的最大可容纳量。然而，有些金属的基态，像是铬和铜，有被单独占据 的4s轨域。铬是特别值得注意的，因为两个副壳层 被部分填充，这偏离了 递建原则。横跨镧系，延伸 到铈、镏，6s和4f副壳层 有相似的能量。钕的电子结构是氙核心，6s24f4。同时，铈有不寻常的氙核心电子结构，6s24f15d1，因为他的6s，4f和5d副壳层 的能量不寻常的接近。