原子结构与元素性质 · 二 · 「构造原理、泡利原理、洪特规则」

原子轨道

对每个 $n$ 值而言：

• 有 $n$ 种能级；

• 有 $n^2$ 个原子轨道；

• 最多可容纳 $2n^2$ 个 $e^-$；

构造原理

构造原理（aufbau principle）：从氢开始，随核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序称为构造原理。

顺序 ：$1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - 6s - \dots$

${\displaystyle E_{1l}<E_{2l}<E_{3l}<...<E_{nl}}$

${\displaystyle E_{ns}<E_{np}<E_{nd}<E_{nf}}$

${\displaystyle E_{ns}<E_{(n-2)f}<E_{(n-1)d}<E_{np}}$

我们把第三个不等式中涉及到的能级组成的集合称为能级组。

能级组序号	一	二	三	四	五	六	七
能级	$1s$	$2s$ $2p$	$3s$ $3p$	$4s$ $3d$ $4p$	$5s$ $4d$ $5p$	$6s$ $4f$ $5d$ $6p$	$7s$ $5f$ $6d$ $7p$
最大电子容纳量	$2$	$8$	$8$	$18$	$18$	$32$	$32$

泡利不相容原理

泡利原理：在一个原子轨道里，最多只能容纳 2 个电子，它们的自旋 相反，常用上下箭头( $\uparrow$ 和 $\downarrow$ )表示自旋相反的 电子。

$\ce{ _8O}$ 的轨道表示式如下：

\ce{_8O} \qquad \frac{↑↓}{1s} \quad \frac{↑↓}{2s} \quad \frac{↑↓\!\quad ↑↓\!\quad ↑↓\!}{2p}

• 简并轨道：能量 相同的原子轨道

• 电子对：同一个原子轨道中，自旋方向 相反 的一对电子

• 单电子：一个原子轨道中若只有一个电子，则该电子称为单电子

• 自旋平行：箭头同向 的单电子称为自旋平行

• 在氧原子中，有 3 对电子对，有 2 个单电子

• 在氧原子中，有 5 种 空间运动状态，有 8 种 运动状态不同 的电子

洪特规则

1. 内容：基态原子中，填入 简并轨道 的电子总是先单独分占，且自旋平行

2. 特例：在简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满和全空状态时，具有 较低 的能量和 较大 的稳定性

$$相对稳定的状态 \begin{cases} 全充满& s^2, p^6, d^{10}, f^{14} \\ 半充满& s^1, p^3, d^{5}, f^{7}\\ 全空& s^0, p^0, d^{0}, f^{0} \\ \end{cases}$$

$\ce{\ _{24}Cr}$ 的电子排布式为 $[\ce{Ar}]3d^54s^1$，为半充满状态，易错写为 $[\ce{Ar}]3d^44s^2$。

$\ce{\ _{29}Cu}$ 的电子排布式为 $[\ce{Ar}]3d^{10}4s^1$，为全充满状态，易错写为 $[\ce{Ar}]3d^94s^2$

1. 基态原子：处于 最低能量 状态的原子。

2. 激发态原子：基态原子 吸收能量，它的电子会跃迁到 较高能级，变成 激发态原子。

能量最低原理

1. 内容：在构建基态原子时，电子将尽可能地占据 能量最低 的原子轨道，使整个原子的能量最 低。

2. 因素：整个原子的能量由 核电荷数 、 电子数 和 电子状态 三个因素共同决定。

原子光谱

焰色反应

物理反应，进行焰色反应应使用 铂丝（镍丝、无锈铁丝）。把嵌在玻璃棒上的金属丝在 稀盐酸 里蘸洗后，放在酒精灯的火焰里灼烧，不同金属元素会使火焰变为各种颜色，这便是焰色反应。焰色反应的形成与原子光谱有关

详见 06 元素及其化合物 - 01 钠及其化合物

光谱分析

在现代化学中，常利用原子光谱上的 特征谱线 来鉴定元素，称为光谱分析。