电子排布规则

IB 化学 SL· Structure 2.2: Electron configuration· 40 分钟阅读

1. 泡利不相容原理★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

泡利不相容原理

同一个原子中不可能有两个电子拥有完全相同的一组四个量子数。因此每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且这两个电子必须自旋相反。

例:

单个1s轨道可以容纳0、1或2个电子，绝不可能容纳3个。

自旋是电子的内禀量子性质，分为上自旋（ $+ \frac{1}{2}$ ）和下自旋（ $- \frac{1}{2}$ ）。相反的自旋允许两个电子占据同一个轨道而不违反该原理。

📐 例题

电子排布 $1 s^{3} 2 s^{2} 2 p^{6}$ 违反了哪条规则？

1
1. 根据泡利原理，回忆每个轨道最多容纳的电子数：
2
$1 \text{ orbital} = 2 \text{ electrons maximum}$
3
1. 1s亚层只有一个轨道，因此最多容纳2个电子，而题目给出的排布中1s有3个电子。
4
1. 因此这违反了泡利不相容原理，因为三个电子必然会有两个电子拥有相同的一组量子数。

Exam tip:

在卷1要求识别规则违规的题目中，一定要先数每个轨道的电子数。

2. 构造原理★★☆☆☆⏱ 15 min

📘 定义

构造原理

电子从能量最低的可用轨道开始填充，只有低能级填满后才会填充更高能级的轨道。

例:

第四周期元素中4s先填充，再填充3d，因为空轨道时4s的能量低于3d。

轨道的能量顺序可以用 $n + l$ 规则判断： $(n + l)$ 值更小的轨道先填充。如果两个轨道的 $(n + l)$ 值相同，那么n更小的轨道先填充。

前36号元素的填充顺序：1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p
过渡金属形成离子时，4s电子先于3d电子失去

📐 例题

用 $n + l$ 规则对3s、3p、3d、4s按填充能量排序

1
1. 计算每个轨道的 $n + l$ 值（s的l=0，p的l=1，d的l=2）：
2
- 3s: $n = 3, l = 0$ → $n + l = 3$
3
- 3p: $n = 3, l = 1$ → $n + l = 4$
4
- 4s: $n = 4, l = 0$ → $n + l = 4$
5
- 3d: $n = 3, l = 2$ → $n + l = 5$
6
1. 按 $n + l$ 从小到大排序， $n + l$ 相同时按n从小到大排序：
7
$3s < 3p < 4s < 3d$

3. 洪特最大多重度规则★★★☆☆⏱ 15 min

📘 定义

洪特规则

对于简并（能量相同）轨道，电子会先分占每个轨道且自旋平行，之后才会在同一个轨道中填充第二个成对电子。

例:

2p亚层中的三个电子会分别单独占据三个p轨道，而不是在一个轨道中成对。

电子分占轨道且自旋平行可以最小化电子间排斥，得到能量更低、更稳定的排布。该规则解释了为什么很多原子存在未成对电子，进而产生顺磁性。

📐 例题

根据洪特规则，画出氮原子（Z=7）的正确轨道框示意图

1
1. 先填充低能轨道：1s容纳2个电子，2s容纳2个电子，剩余3个电子填充三个简并2p轨道。
2
1. 每个2p轨道各加入一个电子，所有电子自旋方向相同（平行）。
3
我们不会在2p轨道中配对任何电子，因为这会增加排斥力，违反洪特规则。

✓ 快速检测

测试你对三个规则的理解：

如果在三个2p轨道都各获得一个电子之前，就有两个电子在同一个2p轨道中成对，违反了哪个规则？
- 泡利不相容原理
- 构造原理
- 洪特规则
- 没有违反任何规则
显示答案
Hund's Rule —
正确！洪特规则要求所有简并轨道都先填充单个电子，之后再成对。

4. 常见陷阱

错误做法:

写出中性钾的电子排布时，把3d写在4s前面

原因:

按主量子数n排序轨道，而没有遵循构造原理的填充顺序

正确做法:

按填充顺序写出排布：钾的排布是[Ar] 4s¹，而不是[Ar] 3d¹

错误做法:

在单个p轨道中放置3个电子

原因:

忘记泡利不相容原理限制每个轨道最多只能容纳2个电子

正确做法:

将电子分布到所有可用的简并p轨道中，每个轨道最多2个电子

错误做法:

书写过渡金属离子的电子排布时，先失去3d电子再失去4s电子

原因:

混淆了填充顺序和电离顺序；4s先填充，但电离时先失去电子

正确做法:

Fe²+的排布是[Ar] 3d⁶，而不是[Ar] 4s² 3d⁴

错误做法:

将铜的电子排布写作[Ar] 4s² 3d⁹

原因:

忽略了全满d亚层的额外稳定性，这是构造原理的一个例外情况

正确做法:

正确的稳定排布是[Ar] 4s¹ 3d¹⁰

5. 速查表

规则	核心内容
泡利不相容原理	每个轨道最多2个电子，自旋相反
构造原理	先填充能量最低的轨道
洪特规则	简并轨道中先填充自旋平行的单电子
填充顺序（Z < 36）	1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p
常见例外	Cr = [Ar]4s¹3d⁵, Cu = [Ar]4s¹3d¹⁰
电离规则	先失去4s电子，再失去3d电子

6. 常见问题

为什么铬和铜是构造原理的例外？

半满（ $d^{5}$ ）和全满（ $d^{10}$ ）的d亚层具有额外的量子力学稳定性，因此会有一个电子从4s轨道跃迁到3d轨道，得到能量更低的电子排布。

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
识别洪特规则的违规情况
2023 · 2
陈述电子排布的规则

深入阅读

syllabus官方IB化学SL课程大纲结构2参考内容

下一步

现在你已经掌握了电子排布的核心规则，接下来你可以应用这些规则，写出原子序数Z=36以内任意元素的完整电子排布、简写电子排布和轨道框排布，这是IB化学SL要求掌握的内容。电子排布是IB化学所有后续主题的基础，包括周期性趋势、化学键和化学反应性，因为价电子的排布直接决定了元素的化学性质。铬和铜这类常见例外经常在卷1和卷2中考察，所以请确保你记住了这些关键特例。