基态原子核外电子排布

实验目的

掌握核外电子排布规律,会写常见元素的电子排布式和轨道表示式。

实验原理

能量最低原理:电子优先占据能量低的能级,填充顺序大致为 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p……泡利原理:一个原子轨道最多容纳 2 个自旋相反的电子。洪特规则:同一能级的简并轨道上,电子优先分占不同轨道且自旋平行。

实验器材

• 各能级(1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d 等)
• 原子轨道方框
• 电子(自旋箭头)
• 构造原理能级顺序图
• 元素周期表

实验步骤

1. 选择一种元素,电子总数等于原子序数。
2. 按能级顺序 1s、2s、2p、3s……依次填入电子。
3. 每个轨道最多填 2 个电子,自旋方向相反。
4. 同一能级的轨道先各填 1 个电子,再配对。
5. 写出电子排布式和轨道表示式。
6. 再选 Cr、Cu,检验 3d 与 4s 的特殊排布。

实验现象与结论

例如氧原子为 1s2 2s2 2p4,2p 的 4 个电子先分占 3 个轨道再配对。铬为 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1,铜为 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1,3d 半充满或全充满时较稳定。

常见问题

为什么先填 4s 再填 3d?

按构造原理,4s 能级能量低于 3d,电子先填 4s,再填 3d。

铬和铜的电子排布为什么特殊?

3d 半充满(d5)或全充满(d10)时体系能量较低,所以 4s 上只留 1 个电子。