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7.14:

构造原理与洪德规则

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Chemistry
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The Aufbau Principle and Hund’s Rule

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回想一下,原子轨域有不同能量 而且每个可以容纳两个电子。递建原理决定了电子在原 子的副壳层中的分布,而最大多重性的洪德定则 解释了副壳层中轨域的填充。递建原理阐述了在基态下,电子从低到高能量填充原子轨域 以达成最低能量结构。透过能量通常性的随着壳层数增加,s轨域的穿透性越大 通常导致4s和5s轨域 有分别比3d和4d 轨域更低的能量。可以使用图表记住顺序 像这个,箭头的路径 揭示了哪个电子分 配给轨域的顺序。考虑写出碳的电子结构,碳是原子序为六的元素。当然,能量最低的1s轨域 应该在2s轨域之前填充。每个轨域可以容纳最多两个电子。第五个电子进入2p副壳层。但是它会在三个2p轨域中的哪边增添数据呢?其实!假定轨域中的任何副壳层 简并的,意思是它们会有想同的能量。因此,第五个电子可以进入三个当中的任何一个 简并2p轨域。那第六个电子呢?它会进入有一个电子的2p轨域还是 其中一个空的2p轨域?根据洪德定则的最大多重性,电子在开始配对之前会单独占有给 定能量等级的所有轨域,而没有配对的电子 不能有相反的自旋:它们的自旋必须是平行的。因此,对于碳,两个2p电子 必须占有两个不同的轨域 并有平行的自旋。这样一来,电子可以散布在更大的范围。这会降低他们的互相屏蔽,从而将原子的能量最小化。对于氮,三个2p轨域中的每个轨域 都被单独占有。对于氧,一旦简并的2p轨域 被单独填充,最后一个电子 必须与另外两个2p电子配对。原子有两个不成对的电子。氖的电子结构 揭示了最外的壳层 填充到八个电子的最大可容纳量。氖的内壳层有两个电子称为核心电子 而八个电子称为在最外壳 层的价电子。

7.14:

构造原理与洪德规则

要确定任何特定原子的电子构型,我们可以按原子序数顺序构建结构。从氢开始,一直到整个周期表的周期,我们一次向原子核添加一个质子,向适当的子壳添加一个电子,直到我们描述了所有元素的电子构型。此程序被称为构造原理,源于德语单词 aufbau (“以构建”)。根据保利排除原则(PEP),受允许的量子数所施加的限制会导致每个添加的电子占据最低可用能量的子壳。电子只有在低能子壳被充满后才进入高能子壳。图1说明了记住原子轨道填充顺序的传统方法。

“

图1 该图描述了原子轨道的能级,对推导基态电子构型很有用。

考虑编写碳的电子构图-原子序数为6的元素。四个电子充满1 s 和2 s 轨道。其余两个电子占据2 p 子壳。现在,我们可以选择填充2个 p 轨道之一,并使电子成对,或者使电子在两个不同但退化的 p 轨道中不成对。如洪德法则所述填充轨道:对于在一组简并轨道内具有电子的原子而言,最低能量构型是具有最大数量的未成对电子的构型。因此,碳2 p 轨道中的两个电子具有相同的 n l m s量子数并且它们的 m l 量子数不同(符合保利排除原理)。电子构型为1 s 2 2 s 2 1 p的碳的轨道图 2 是:

“

氮(原子序数7)填充1 s 和2 s 子壳,并且在三个2 p 轨道中的每个轨道中都有一个电子,按照洪德(Rund)的规则。这三个电子具有不成对的自旋。氧(原子序数8)在2 p 个轨道中的任何一个中都有一对电子(电子具有相反的自旋),而在其他两个中每个都有一个电子。氟(原子序数9)只有一个2 p 轨道,其中含有不成对的电子。稀有气体氖(原子序数为10)中的所有电子都配对,并且 n = 1和 n = 2壳中的所有轨道都被填充。  

此文本改编自 Openstax ,化学2e,第6.4节:原子的电子结构。