原子轨道总论__大学无机化学5

1、附一原子轨道1 电子层原子核外运动的电子绕核运动会受到原子核的吸引，他们运动能量上的差异可用他们运动轨道离核的远近表现出来。具有能量较大的电子在离核越远的地方运动。原子的能量是量子化的， 原子核外电子运动的轨道是不连续的，他们可以分成好几层，这样的层， 称为“电子层” ，也称能层。通常情况下， 氢原子的电子在离核最近的电子层上运动，此时的电子所处的状态称为“基态” 。当氢原子从外界获得能量，它的电子可以跃迁到离核较远的电子层上，此时的电子所处的状态称为“激发态”。当电子从离核较远的电子层跃迁到能量相对更低也离核更近的电子层时， 就会以光的形式放出能量。因为电子层是不连续的所以电子跃迁放出的能量

2、也是不连续的（量子化的） ，这种不连续的能量在光谱上的反映就是线状光谱。在现代量子力学模型中，描述电子层的量子数称为主量子数或量子数n，n 的取值为正整数 1、2、 3、4、5、6、7，对应符号为k、l、m、n、o、 p、q。一般而言： n 越大，电子层的能量越高。每个电子层所容纳的电子个数有限，为 2n2 个，但当一个电子层是原子的最外层时，它至多只能容纳8 个电子，次外层最多容纳18 个。主量子数1 2 3 4 5 6 7 电子层k l m n o p q 0 族电子数2 2,8 2,8,8 2,8,18,8 2,8,18,18,8 2,8,18,32,18,8 暂无2 能级（电子亚层）如

3、果用更加精细的光谱仪观察氢原子光谱，就会发现， 原来的整条谱线又有裂分，这意味着量子化的两电子层之间存在着更为精细的“层次”，这被称为“能级” ，每一电子层都由一个或多个能级组成，同一能级的能量相同。描述能级的量子数称为角量子数用“l”表示。对于每一个电子层对应的主量子数n，l的取值可以是0、1、2、n-1，也就是说，总共有n 个能级，因为第一电子层k的 n=1，所以它只有一个能级，而n=2 的 l 层就有两个能级，表现在光谱上就是两条非常相近的谱线。从第一到第七周期的所有元素中，人们共发现4 个能级，分别命名为s，p， d，f。主量子数n 1 2 3 4 电子层k l m n 角量子数（ l

4、）0 0,1 0,1,2 0,1,2,3 能级符号1s 2s,2p 3s,3p,3d 4s,4p,4d,4f 3 能级分裂当主量子数n 相同时， 即同一电子层之间不同的轨道角动量数l 所对应的原子轨道形状不一样， 即当价电子处于不同的轨道时，原子的能量降低的幅度也不一样，轨道贯穿的效果越明显，能量降低的幅度越大。s，p，d，f 能级的能量有大小之分，这种现象称为“能级分裂” ，屏蔽效应产生的主要原因是核外电子间静电力的相互排斥，减弱了原子核对电子的吸引： s 能级的电子排斥p 能级的电子，把p 电子“推”离原子核，p、d、f 之间也有类似情况。总的屏蔽顺序为：nsnpndnf 。能量顺序为：n

5、snpndnf 。4 能级交错同一电子层之间有电子的相互作用，不同电子层之间也有相互作用，这种相互作用称为“钻穿效应” ，其原理较为复杂，钻穿效应的直接结果就是上一电子层的d 能级的能量高于下一电子层s 的能量。 d 层和 s 层发生交错， f 层与 d 层和 s 层都会发生交错。能级计算的经验定律：能级的能量近似等于n+0.7l。5 轨道在外部磁场存在的情况下，许多原子谱线还是发生了更细的分裂，这个现象被叫做塞曼效应， 这种分裂在无磁场和电场时不存在，说明，电子在同一能级虽然能量相同，但运动方向不同，因而会受到方向不同的洛伦兹力的作用。描述轨道的量子数称为磁量子数符号“ m” ，对于每一个确

6、定的能级（电子亚层），m 有一个确定的值，这个值与电子层无关（任何电子层内的能级的轨道数相同）。能级s p d f 磁量子数1 3 5 7 轨道数1 3 5 7 s 能级为一个简单的球形轨道。p 能级轨道为哑铃形，分别占据空间直角坐标系的x,y,z 轴，即有三个不同方向的轨道。d 的轨道较为复杂，f 能级的七个轨道更为复杂。6 自旋高分辨光谱事实揭示核外电子还存在着一种奇特的量子化运动，人们称其为自旋运动，用自旋磁量子数表示，每个轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子，记做“”。原子核也可以存在净自旋。 由于热平衡，通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是

7、可能被极化的，这个状态被叫做超极化，在核磁共振成像中有很重要的应用。7 电子排布电子在原子轨道的运动遵循三个基本定理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德定则。1 能量最低原理：能量最低原理的意思是：核外电子在运动时，总是优先占据能量更低的轨道，使整个体系处于能量最低的状态。2 泡利不相容原理：泡利不相容原理应用在电子排布上，可表述为：同一轨道上最多容纳两个自旋相反的电子。该原理有两个推论：若两电子处于同一轨道，其自旋方向一定不同；若两个电子自旋相同，它们一定不在同一轨道；每个轨道最多容纳两个电子。3,洪德规则：电子在简并轨道上排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。对于同一个电子亚层，当电

8、子排布处于全满（s2、p6、d10、f14 ） ，半满（ s1、p3、d5、f7） ，全空（ s0、 p0、d0、f0 ）时比较稳定。电子排布式的表示方法为：用能级符号前的数字表示该能级所处的电子层，能级符号后的指数表示该能级的电子数，电子依据“能级交错”后的能级顺序顺序和“能量最低原理” 、“泡利不相容原理”和“洪德规则”三个规则进行进行。另外，虽然电子先进入4s 轨道，后进入 3d 轨道（能级交错的顺序），但在书写时仍然按1s 2s,2p 3s,3p,3d 4s 的顺序进行。示例h：1s1 f：1s2 2s2,2p5 s ：1s2 2s2,2p6 3s2,3p4 cr：1s22s2,2p6

9、 3s2,3p6,3d5 4s1 为了书写方便， 通常还会将电子排布式进行简化，用稀有气体结构代替已经充满的电子层示例cr：1s22s2,2p6 3s2,3p6,3d5 4s1 简化后： ar3d5 4s1 简化后剩下的电子排布部分是价电子，会参与化学反应，在元素周期表中有标示。8 磁量子数与原子轨道磁量子数m 决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向。当l 给定时， m 的取值为从 -l到+l 之间的一切整数（包括0 在内） ，即 0， 1， 2， 3，, l，共有 2l+1 个取值。即原子轨道（或电子云）在空间有2l+1 个伸展方向。原子轨道（或电子云）在空间的每一个伸展方向称做一个轨道。

10、例如，l=0 时， s 电子云呈球形对称分布，没有方向性。m 只能有一个值，即m=0，说明 s 亚层只有一个轨道为s 轨道。当l=1 时， m 可有-1，0，+1 三个取值，说明p 电子云在空间有三种取向，即p 亚层中有三个以x,y,z轴为对称轴的px，py，pz轨道。主量子数n：电子层的编号n 以及其代表字母k（n=1）l（n=2）m（n=3）n（n=4）角量子数i：每个电子层分裂的能级的编号每个电子层分裂的能级个数是0-n-1 的正整数个0 符合，一个，用s代表1s 0,1,符合，两个，0 用 s,用 p 2s 2p 0,1,2 符合， 2 用 q 3s,3p ,3q 0，1，2，3 符合，用r代表 3 4s,4p ,4q,4r 轨道个数，即磁量子数m 每个能级有自己的轨道个数，各层的s一样，各层的p一样，各层的q 一样，各层的r 一样m 的个数取 -i 到+i 的正整数s：m=1 （0）s：m=1 p：m=3 (-1,0， 1 三个 ) s：m=1 p：m=3 q：m=5 （-2， -1,0,1,2）s：m=1 p：m=3 q：m=5