化学自习室移动版

核外电子排布是非常有意思的。在开始的时候，人类发现电子之后不知道电子在原子里面怎么样存在。于是人们提出了各种各样的模型来解释。比较出名的就是J. J. 汤姆逊(电子的发现者)提出的葡萄干面包模型：电子像是葡萄干嵌在面包里一样嵌在原子里。但是这个模型被一个著名的实验否决了。在做完α粒子散射实验后，卢瑟福提出了新的原子模型。他认为原子核在中心固定，而电子在原子核周围转动。但按照经典力学，电子一定会坠入原子核中。也就是说，这个模型是不稳定的，原子不可以稳定存在。为了解决这个问题，玻尔提出了颠覆性的模型。原子核就像太阳，电子就像行星一样在分立的轨道上转。而这些轨道是固定的，电子不可能出现在两个轨道中间的地方。这便是不连续的行星模型。当然这个模型并不完全正确，但却是人类踏入量子世界的第一步。

好了扯完了历史，咱们来扯一扯核外电子排布。咱们在初中化学学过，而且还画过原子结构示意图是吧。你看到电子分层存在，这个层便是“能层”(有些地方叫能级，但我将会采用《无机化学 第四版》的叫法)。能层就是你看到的一圈一圈的东西，每一圈就是一个能层。之所以叫能层是因为电子能量不同，而且离原子核距离也不同，就好像一层一层的。能层里面还有能级(有的书叫亚层)。就好像一层一层的抽屉里有小格子一样，一个能层里有不同的能级。你看到的s、p那样的小写字母表示的就是能级。那我们要表示一个能级，就要先说出它在哪个能层，然后再具体说出它是那个能层的哪个能级。

举个 ，能级的命名就像是2s，4f这样的。然后能级里面有轨道(有的书上叫“轨函”，但是我从未见过这样的书)。现在我们终于可以锁定一个电子了吗？也就是说，给定一个能层、能级、轨道，电子就唯一确定下来了吗？还差一点。一个轨道上能装俩电子，那到底是哪个电子呢？随着电子的自旋被发现，人们发现了确定一个电子最后的一个需要的参数：自旋。自此我们终于可以确定一个原子里的电子了。比如我们可以说，在第二个能层里面的p能级的－1轨道上上旋(自旋向上)的电子，它就是唯一确定的了。但是这样还是太麻烦，我们不如用数字来表示电子好了。描述电子的第一个数是它所在的能层，用数字n来表示。n就是主量子数。n = 1的电子就在你画的原子结构示意图上最靠近原子核的那一层里。这里你可能发现了，描述电子的数叫量子数。为什么叫量子数呢？因为量子数是不连续的，前三个量子数只能取整数，最后一个量子数可以是半整数，所谓“量子的”就是“不连续的”。第二个量子数就是表示能级的量子数，名曰“角量子数”，字母是l(小写的l)。这个l并不是可以随意取值的。它的取值范围是l = 0， 1， 2， ...， n － 1。也就是说，对于第二能层(主量子数为2)，l只能取0和1。换句话说，第一个能层只有一个能级，第二个能层就有两个能级，第三层就可以装三个能级了。能级是有名字的，l = 0叫s能级，l = 1叫p能级，l = 2叫d能级，l = 3叫f能级，再往后就按字母表顺序g、h、i、j……等等，但是人类目前还没有发现那些能级里面有电子的。

最后总结一下，第一能层(主量子数n为1)有一个能级，是l = 0的s能级；第二能层(主量子数n为2)有两个能级，分别是l = 0的s能级和l = 1的p能级，以此类推。第三个量子数便是表示这个电子在哪个轨道上的量子数，名字叫“磁量子数”，字母是m。它的取值是m = 0， ±1， ±2...， ±l(角量子数l，小写的l)。也就是说，s能级只有1个轨道，因为l = 0，所以m只能取一个值0。p能级有三个轨道，m分别取0， －1， ＋1，以此类推。最后一个量子数是自旋量子数，符号是ms。对于电子来说，它只有两个取值，分别是±1/2，也就是自旋向上的电子和自旋向下的电子，简称上旋和下旋。这意味着，一个轨道里只能容纳两个电子，因为自旋量子数没有第三个值可以取了。

现在我们来看一个例子。氧原子的核外电子排布是怎么弄的呢？首先氧原子有8个电子，原子结构示意图是2，6。为什么是2，6不是3，5呢？因为第一能层只有s能级，再看s能级只能有一个轨道，而一个轨道最多能装俩电子，所以第一能层只能装俩电子。第二能层最多装8个电子对吧。怎么来的？就是第二能层有两个能级，一个s一个p，s能级只有一个轨道俩电子，而p能级有仨轨道6个电子，加起来就是8个。所以现在咱们写出氧原子的核外电子排布，就是1s²2s²2p⁴。拆开了看，1s²代表第一能层，s能级有两个电子。2s²代表第二能层s能级有俩电子。还剩下几个电子？已经填了4个，所以还剩下四个。p能级最多能装几个？6个，所以全都填到2p能级就好了，也就是2p⁴。电子填入能级的目标是使整个原子能量越低越好。现在有两个能级，x能级和y能级，如果x能级能量比y能级低，那么电子就会首先填入x能级。因为能量越低越稳定。当然x和y表示随便两个能级，并没有字母是x的能级和字母是y的能级。要是对于更加复杂的原子，比如26号元素铁1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²会发生能级交错现象。你看3d轨道(能装5 × 2 = 10个电子)只装了6个电子，没满，这是因为4s轨道的能量反而要低于3d轨道，所以会先去填4s轨道，填满之后再填3d轨道。所以铁之后的27号元素钴就是1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²，区别仅在于3d轨道。那能级交错怎么记呢？这里有一张图

能级交错至于“半满规则”和“全满规则”最好的例子就是24号元素铬和29号元素铜咱们先说铬，1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹，这里没有先填满能量更低的4s轨道，而是先把4s填了一个电子，然后就去填3d了，这是因为3d能级半满的时候更稳定，你看3d最多装10个，现在装了5个刚好半满，这个时候更稳定。同理，铜的情况类似，1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，3d全满更稳定。

其实化学很好玩，但是学习一定要看兴趣。学习能学好，当且仅当有兴趣。