电子轨道与电子排布

CIE A-Level 化学· 第2单元：原子结构· 20 分钟阅读

1. 量子结构：电子层、亚层和轨道★★☆☆☆⏱ 4 min

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📘 定义

原子轨道

原子核周围的三维空间区域，在该区域找到特定固定能量电子的概率为95%。

例:

1s轨道是离原子核最近的球形区域。

在现代量子模型中，电子排布在由主量子数 $n = 1, 2, 3...$ 标识的主层（能级）中。n越小，能量越低，离原子核越近。每个主层分为多个亚层，每个亚层包含固定数量的轨道。

亚层符号	轨道数量	最多电子数	首次出现在n=
s	1	2	1
p	3	6	2
d	5	10	3
f	7	14	4

📐 例题

计算 $n = 3$ 主层最多可容纳的电子总数。

1
找出 $n = 3$ 主层包含的所有亚层：
2
$3s, 3p, 3d$
3
找出每个亚层最多容纳的电子数：
4
3s = 2，3p = 6，3d = 10
5
计算电子总数：
6
$2 + 6 + 10 = 18$

2. 轨道填充规则★★☆☆☆⏱ 5 min

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📘 定义

构造原理

电子按能量由低到高的顺序填充轨道：能量较低的轨道完全填满后，才会填充能量较高的轨道。

泡利不相容原理：每个轨道最多容纳2个自旋相反的电子。
洪特规则：填充简并（能量相等）轨道时（例如三个2p轨道），电子优先分占不同轨道且自旋平行，全部轨道都被单电子占据后才会成对，这样可以最小化电子间的排斥力。

对于原子序数Z≤36（氪）的元素，轨道按能量由低到高的填充顺序为：

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p

📐 例题

画出中性氮原子（Z=7）的轨道填充图。

1
总电子数 = 原子序数 = 7。
2
优先填充能量最低的轨道：1s容纳2个成对电子，2s容纳2个成对电子，剩余 $7 - 4 = 3$ 个电子填充在2p。
3
应用洪特规则：2p有3个简并轨道，每个轨道各填入1个自旋平行的未成对电子。

Exam tip:

CIE考官经常考察洪特规则的应用，因此一定要先确认轨道都被单电子占据后，再考虑电子成对。

3. 书写电子排布★★★☆☆⏱ 5 min

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电子排布可以写全排布，也可以使用稀有气体原子实的简写方式。在CIE考试中，要求你写出所有Z≤36的原子和离子的电子排布。

📐 例题

写出中性铁原子（Z=26）的全电子排布和简写电子排布。

1
总电子数 = 26，按能量顺序填充得： $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{6}$
2
按主量子数 $n$ 重新排列为常规顺序：
3
$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2$
4
简写形式中，内层电子可以用前一个稀有气体（氩，Z=18）的符号代替：
5
$[Ar] 3d^6 4s^2$

✓ 快速检测

测试你对过渡金属离子电子排布的理解：

$F e^{2 +}$ 的正确电子排布是哪一项？
- [Ar] 3d^6
- [Ar] 3d^4 4s^2
- [Ar] 3d^6 4s^2
- [Ar] 3d^8
显示答案
[Ar] 3d^6 —
过渡金属形成正离子时，总是先失去4s电子，再失去3d电子。中性铁的4s轨道有2个电子，因此形成Fe²⁺时这两个电子都会失去。

4. 构造原理的例外★★★★☆⏱ 4 min

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对于CIE 9701考试，你只需要记住第一过渡系两种常见的填充顺序例外：铬（Z=24）和铜（Z=29）。这些例外的原因是：半充满（5电子）或全充满（10电子）的3d亚层由于对称性和交换能会获得额外的稳定性。

📐 例题

写出铜（Z=29）的正确电子排布，并解释它为什么是例外。

1
按标准填充会得到排布 $[A r] 3 d^{9} 4 s^{2}$ 。
2
全充满的3d亚层（10电子）比 $3 d^{9}$ 排布更稳定。
3
一个4s电子会跃迁到3d，得到这个稳定排布。
4
正确的排布是：
5
$[Ar] 3d^{10} 4s^1$

Exam tip:

CIE几乎每次都会考察这两个例外，因此请记住：Cr = [Ar] 3d⁵ 4s¹，Cu = [Ar] 3d¹⁰ 4s¹。

5. 常见陷阱

错误做法:

认为因为4s先填充，所以书写时4s总是放在3d前面

原因:

混淆了填充顺序和按主量子数n排序的常规书写顺序

正确做法:

4s确实先填充，但3d的主量子数n更小，因此最终排布中3d写在4s前面

错误做法:

把铬的排布写成[Ar] 3d⁴ 4s²

原因:

忘记了半充满3d亚层的额外稳定性，这是CIE常考的核心例外

正确做法:

铬的正确电子排布是[Ar] 3d⁵ 4s¹

错误做法:

过渡金属形成离子时先失去3d电子

原因:

假设4s能量总是低于3d，但这仅在3d开始填充前成立

正确做法:

3d填充完成后，4s能量更高，因此电离时总是先失去4s电子

错误做法:

把轨道定义为电子运动的固定轨迹

原因:

混淆了旧的玻尔模型和现代量子模型

正确做法:

轨道是给定能量电子出现概率约为95%的空间区域

错误做法:

在所有简并轨道都填入单电子前就将电子成对

原因:

违反了洪特规则（最大多重度规则）

正确做法:

所有简并轨道都填入一个自旋平行的单电子后，再将电子成对

6. 速查表

概念	CIE考试核心要点
填充顺序	1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p
书写顺序	按n排序：1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 3d < 4s < 4p
亚层最多电子数	s=2, p=6, d=10, f=14
常见例外	Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹; Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹
离子失电子顺序	先失4s电子，再失3d电子
轨道定义	电子出现概率为95%的空间区域

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 1
离子电子排布的选择题
2023 · 2
写出过渡金属的电子排布
2021 · 1
轨道定义与形状的题目

下一步

电子排布是整个现代化学的基础，它可以解释周期趋势、成键模式、化学反应性以及过渡金属的独特性质。这个子主题几乎在每份CIE 9701试卷中都会考察，选择题和结构化题中都会出现，因此掌握规则和例外对取得高分至关重要。理解电子排布和电离能的关系，会帮助你应对课程后续的周期趋势题目。