关于复杂原子的核外电子排布式问题

Question

为什么Cl的排布式最后两位是3S23P5.不是说p.d.f级全满半满或全空是稳定的吗？像Cu的最后两位是3d10 4s1.怎么解释

Answer 1

你好！
怎么说呢，你问得模棱两可（主要是这个语序）。因为从你的提问中我理解出好几套问题，我拿不准你到底想问什么，所以就都回答了，你看看我那个回答是针对你想问的问题的，就看那个好了。

“为什么Cl的排布式最后两位是3S23P5？”
原子核外电子排布遵循的大规则是（这是我自己总结的）：原子核外电子要尽量以使整个体系能量最低的形式排布。
如果细分的话，有三个规则：
（1）pauli原理（你如果是高中生，你就先看看吧……）
“同一轨道亚层上最多只能容纳两个电子，且自旋方向相反。”
这里的“轨道”、“亚层”、“自旋”，都是装B术语，下面会解释。
（概念具体怎么来的我就不说了，要不我又得啰里啰唆一大堆，还不一定给你讲懂…
我下面尽量用不装B的语言形容一下，如果看不懂也别太为难自己。装B的世界就是发
誓不让正常人看懂！话说我好像把自己也绕进去了……）
1）原子核外的电子也是有秩序有结构的，它们先分层，就当是一栋宿舍楼中分层。
（对应量子力学中的“主量子数”，用n表示）
比如氯原子核外有三层电子，就是K层、L层、M层，这又是装B规定的
就是依次是n=1、2、3的意思（1、2、3层）
3s2、3p5前的3就表示对应的电子”住“在n=3这一层的意思。
跟现实中一样，到一楼容易（n=1即K层最低），电子先住进去（先进入K层）
而爬三四楼累（能量高），电子等一二层都满了再住进去（就是内层满了再到外层）
2）每一层中又有更细的结构，就是“轨道"，就当是宿舍楼里一层中的某个房间。
（对应量子力学中的“角量子数”，用l表示）
规定l=0时，用s表示；l=1时，用p表示；l=2时，用d表示；类推，往后依次为f、g、h...
比如3s2中的s就表示对应的电子住在s亚层，即是l=0这种标准的“房间”（亚层）中。
但是这些房间标准（能量）不一样，有的贵一点（能量高），有的便宜一点（能量低）
电子估摸自己身上的钱先紧着便宜的住（先进入能量低的轨道，spd...的顺序）
3）而在每一轨道中还有更精细的结构，叫“亚层"，就当是宿舍里有上下铺的床。
（对应量子力学中的“磁量子数”，用m表示）
通常相同轨道里亚层的能量是大致相等的。学科学的人爱装B，就用“简并”表达“能量大
致相同”这个意思意思。
就当是一间宿舍里有好几张床,普通的时候这些床铺的费用是一样的（能量简并）
4）每个亚层最多只能容纳两个电子，为了区分它们，用“自旋量子数”区分，用ms表示
就是每张床分上下铺，不许把妹不许搅基，每铺最多一个电子每张床最多住两个电子
pauli原理比较装B的描述就是“在同一个原子中不允许两个电子的四个量子数完全相同”
就是你想去一个原子宿舍楼里找住的电子，每个电子只拥有一个床铺。
（2）能量最低原理
我就继续打比方了，不用装B术语了。就是像上面说的，每层的不同标准房间价钱不同，
但在相邻楼层的不同种房间中，电子怎么取舍“爬楼”跟“价钱”，选择不同房间，就有特殊
的“规定”了。电子根据“爬楼”和“房屋价钱”取舍的房间选择顺序是：
1s；2s，2p；3s，3p；4s，3d，4p；5s，4d，5p；6s，4f，5d，6p；
就是比如4s和3d相比，可能是虽然3d在三楼，但是4s比3d更便宜（能量低），抵消了
“爬楼”的影响，就先选择住进了4s，后选择住进3d。其他类似。
（3）Hund规则，你第二句说的“p、d、f能级全满、半满或全空是稳定”，反映的是Hund规则
即“电子在等价轨道上分布时，将尽可能分占不同亚层，且自旋相同”
继续在刚才打的比方中，在相同的房间（轨道）里，电子先都是住了不同床铺的下
铺，再住上的那些床铺的上铺。
就像咱住宿舍的时候，大家图方便先紧着下铺住，下铺满了再住上铺。
（其实这个例子在解释Hund规则非常不贴切，原谅我用一下装B语言。电子都是带负
电的，挤在同一亚层里，肯定很自觉地分布在不同亚层，因为同电荷相斥，这样斥
力最小。物理里学过电磁的相互转化，电子会自旋，这是实验观察得出的结论。电
子自旋运动就会产生磁场。当自旋相同时，电子周围的磁场就相似，比如都是
NS NS NS或SN SN SN，这样磁的吸引力会抵消了部分电的排斥力，所以使整个体
系更稳定一些，即体系更稳定。当自旋不同时，电子周围的磁场相反，比如是
NS SN NS或SN NS SN，这样磁的排斥力会使电子更加排斥，使整个体系更不稳定
因此自旋相同的时候，体系能量更低，电子更倾向于进入“简并”的亚层中，等半满了
之后再进入已经填充了一个电子的亚层中。）
根据上面的原则，氯原子原子序数是17，就按上面的原则从1s轨道开始填充两个电子，剩15个电子；在2s轨道填充两个电子，剩13个电子；在2p轨道填充6个电子，剩7个电子；在3s轨道填充两个电子，剩5个电子；最后五个电子填充在3p轨道中。因此最后氯原子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p5。

“p、d、f轨道全满、半满或全空是稳定”此话不假。但是请你仔细想想，自然界中各种元素是不是以比较稳定的形式存在的？那再想想氯元素是以什么形式存在于自然界的？一般是以氯离子的形式存在于世（当然还有其他形态，氯离子的不少）。那就说明氯原子不是很稳定的状态，相比之下氯离子的形式更稳定一些。氯原子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p5，它不是全满半满或全空的情况，从“结构决定性质”的角度看氯原子应该不是最稳定的，印证了自然界中的现象，自然界没有无缘无故就稳定存在的氯原子。而氯离子的原子核外电子排布是1s2 2s2 2p6 3s2 3p6，它是全满结构，从“结构决定性质”的角度看氯原子应该是稳定的，而自然界的现象也说印证了这一点，许多氯元素是以氯离子的形式存在。

“像Cu的最后两位是3d10 4s1.怎么解释”，我大概明白你想问什么。不过因为你这个问题的表述，我还是有点犹豫。铜有类似于氯的情况，也有不同于氯的情况。铜原子原子序数是29，就按上面的原则从1s轨道开始填充两个电子，剩27个电子；在2s轨道填充两个电子，剩25个电子；在2p轨道填充6个电子，剩19个电子；在3s轨道填充两个电子，剩17个电子；在3p轨道填充6个电子，剩11个电子。从你的表述中，我想你应该也知道我刚才提到的“1s；2s，2p；3s，3p；4s，3d，4p；5s，4d，5p；6s，4f，5d，6p”的顺序吧。注意我用了逗号和分号了吧。分号里面的轨道能量相近，最外层十一个电子排布中有两种方式，（1）4s2 3d9 和（2）4s1 3d10。你是考虑到这两种情况，觉得4s轨道能量更低，所以才是全满，而3d轨道上有9个电子。但实际情况上是4s1 3d10。而氯外面的3s2 3p5。同样是低能量的s轨道，同样是跟能量相近的轨道组合，为什么铜那里是s轨道是半满的，到氯却是全满的。这就是d轨道跟p轨道不同的地方了。
3d轨道的能量比4s轨道的能量高，同样3p轨道的能量也比3s轨道的能量高。但是3d轨道的能量与4s轨道的能量相差不大，而3p轨道的能量与3s轨道的能量相差较大。也就是说，（1）4s2 3d9 和（2）4s1 3d10的能量相差不大，但是（1）4s2 3d9，4s轨道是全满的，3d轨道处于一个既不是全空也是半满更不是全满的情况。而（2）4s1 3d10中4s轨道是半满的，3d轨道是全满的。（2）与（1）相比，虽然有一个电子在能量较高的4d能级中，从这点电子能量的角度看（2）能量会比（1）高一点。可是（2）中3d10的能量比（1）中3d9的能量低，这个能量比4s轨道和3d轨道能量相差的还要大，所以综合这两种情况（2）比（1）的能量大。
（如果从量子力学的角度看，电子轨道是全空、半满、全满时，这个轨道是球对称的，球对称的能量要远远小于非球对称的能量。看不懂就无视这句话吧）
希望我的回答能帮到你。

Answer 2

Cl只有3个电子层,不可能4s会有电子,能量3s<3p<3d,不是3s2 3p5是什麽?
Cu有4个电子层,电子可以排3d9 4s2和3d10 4s1
但是後者能量更低