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7.15: 多电子原子的电子构型
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Electron Configuration of Multielectron Atoms
 
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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  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。

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