电子排布计算器

结果

如何使用电子排布计算器

1. 1. 选择元素。 输入元素符号(Fe)、名称(iron)或原子序数(26)。大小写不影响结果。
2. 2. 为离子添加电荷。 可像 Fe3+、Cl- 或 O2- 那样写在符号之后,也可使用单独的电荷输入框。
3. 3. 查看电子排布。 完整式与稀有气体简写式均以真正的上标显示,并列出电子数、未成对电子数、磁性与最外层。勾选选项即可按填充顺序书写亚层,或只显示轨道图中稀有气体原子实之外的部分。
4. 4. 阅读轨道图。 每个方框代表一个轨道,箭头表示电子,并按洪特规则填充。有未成对电子的原子是顺磁性的;没有未成对电子的则是抗磁性的。

填充规则

电子占据轨道遵循三条原理。能量最低原理指电子依次填入可用的最低能量亚层。泡利不相容原理指一个轨道最多容纳两个自旋方向相反的电子。洪特规则指在一个亚层中,电子先各占一个轨道且自旋平行,然后才会有轨道容纳第二个电子。

马德隆规则给出通常的填充顺序:亚层按 n + l 增大的次序填充,n + l 相同时 n 较小者先填。由此得到下面这一熟悉的序列。s、p、d、f 亚层分别最多容纳 2、6、10、14 个电子。

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

s 2, p 6, d 10, f 14

示例:铁及其离子

铁有 26 个电子。按填充顺序得到 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶,按电子层书写则为 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²。用氩的原子实 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 代替为 [Ar],即得稀有气体简写式 [Ar] 3d⁶ 4s²。在 3d 亚层中,五个轨道各占一个电子,第六个电子与其中一个配对,留下 4 个未成对电子,因此铁是顺磁性的。其最外层为 n = 4,含 2 个电子。

阳离子先从最外层失去电子,因此 Fe²⁺ 为 [Ar] 3d⁶,Fe³⁺ 为 [Ar] 3d⁵,即半充满的 d 亚层,含 5 个未成对电子。这与填充顺序相反:填充时 4s 先于 3d 填充,但一旦 3d 有了电子,4s 能级就成为较高的那一个。

填充顺序的例外

对于这二十种元素,实测基态与马德隆规则的预测不同。计算器对每种中性原子的电子排布都取自 NIST 的基态能级表,因此结果是正确的;该表会将预测值与实测值并列列出。

在铬和铜中,3d 与 4s 能级非常接近,半充满或全充满的 3d 亚层占优。钯根本没有 5s 电子。镧系与锕系的情形源于 4f 与 5d(或 5f 与 6d)的能量几乎相等。这些都不是仅凭轨道表就能预测的规则,因此数据来自实测。

常见问题

如何写出一种元素的电子排布?

求出电子数(中性原子即原子序数),然后按 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d 等顺序填充各亚层,直到每个亚层达到其容量。例如,硫有 16 个电子,为 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴。对于过渡金属,在依赖这一规律之前,请先查看例外表。

电子排布的稀有气体简写是什么?

用括号中前一个稀有气体的元素符号代替内层电子。硫写作 [Ne] 3s² 3p⁴,铁写作 [Ar] 3d⁶ 4s²。括号中的部分必须是一个完整的稀有气体电子排布,因此计算器会选取能够匹配的最大者。

过渡金属为什么先失去 4s 电子,后失去 3d 电子?

一旦 3d 亚层有了电子,它的能量就低于 4s,因此 4s 电子是最外层的、最容易移除的。这就是为什么 Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶,而不是 [Ar] 3d⁴ 4s²。

为什么铬和铜是例外?

它们的 3d 与 4s 亚层能量非常接近,以致半充满(Cr,3d⁵ 4s¹)或全充满(Cu,3d¹⁰ 4s¹)的 d 亚层比预测的排布稍稳定。同样的效应也造成了 4d、5d、镧系与锕系中的例外。

什么是洪特规则?

电子在一个亚层的各轨道中先以平行自旋各占一个轨道,然后才会有轨道被占据两次。这就是为什么氮的三个 2p 电子分占三个不同轨道、具有 3 个未成对电子,也是轨道图中先画单箭头、后画成对箭头的原因。

未成对电子与磁性有什么关系?

含有一个或多个未成对电子的原子或离子是顺磁性的,即会被吸引进入磁场。所有电子都已成对的则是抗磁性的,会被微弱排斥。Fe³⁺ 有 5 个未成对电子,是强顺磁性的;Zn²⁺ 为 [Ar] 3d¹⁰,是抗磁性的。

阴离子的电子排布是什么?

将多出的电子加入填充顺序中的下一个亚层。氯离子 Cl⁻ 有 18 个电子,为 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶,与氩相同,因此写作 [Ar]。氧离子 O²⁻ 则为 [Ne]。