《物质结构与性质》——4、泡利原理、洪特规则、能量最低原理

按照构造原理，可将电子填入各能层、能级，得到电子排布式。能级中的电子在原子轨道（空间运动状态）中怎样排布，怎样运动？

1、能量最低原理

不管是宏观物质，还是微观粒子，能量越低的状态就是越稳定的状态。

能量最低原理：基态是能量最低的状态，基态原子的电子排布是能量最低的原子轨道的组合。由此，在构建基态原子时，电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道，使整个原子的能量最低。

按构造原理，会有能级交错现象。还有，24号元素铬和29号元素铜的价层电子排布是3d54s1和3d104s1，又不符合构造原理。

整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定。相邻能级能量相差很大时，电子填入能量低的能级，可使整个原子能量最低（如所有主族元素的基态原子）；而当相邻能级能量相差不大时，有1-2个电子占据能量稍高的的能级，可能反而降低了电子排斥力能使整个原子能量最低（如所有副族元素的基态原子）。

2、电子自旋与泡利原理

s、p、d、f……能级的原子轨道数分别为1、3、5、7……，而它们最多容纳电子数分别为：1×2=2、3×2=6、5×2=10、7×2=14……，也就是每个原子轨道最多容纳2个电子，这2个电子的空间运动状态相同。

电子自旋：电子除了空间运动状态外，还有一种状态——自旋。电子自旋在空间有顺时针和逆时针两种取向，简称自旋相反，常用上下箭头“”和“”表示自旋相反的电子。

泡利原理：在一个原子轨道里，最多只容纳2个电子，且自旋相反，也称泡利不相容原理。

也可表述为，一个原子里没有运动状态完全相同的两个电子，即一个原子里有多少个电子就有多少种运动状态。

注意：一个原子轨道是一个空间运动状态，一个电子就有一种运动状态。如Na原子的电子排布式为1s22s22p63s1，其原子轨道数为1+1+3+1=6，即6种空间运动状态，其电子数为11，则有11种电子运动状态。

3、电子排布的轨道表示式

综合前面的学习，我们要描述一个电子的运动状态，需要指明其所在的能层、能级、原子轨道和电子自旋四个运动函数。可用轨道表示式（又称电子排布图）更准确地表示核外电子排布。

轨道表示式：用方框(或圆圈)表示原子轨道，能量相同的原子轨道(简并轨道，即同一能级的原子轨道)的方框相连。在方框的下方或上方标记能级符号。用箭头表示一种自旋状态的电子，“”表示电子对（成对电子），“”或“”表示单电子(或未成对电子)。

如，铝原子的轨道表示式。

在铝原子中，有6个电子对，1个单电子，有7种空间运动状态，即7个原子轨道，13个电子就有13种电子运动状态。

还可以画出的能级上下错落，以表示能量的高低不同。如下面的几种原子的轨道表示式（图中没有标出能级符号）。  

4、洪特规则

洪特规则：基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占不同的原子轨道，且自旋平行（自旋方向相同）。

思考：下列轨道表示式中哪个是氧的基态原子？为什么？

A.

B.

C.

根据洪特规则，基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占不同原子轨道，C不正确。且电子自旋平行，B不正确，A正确。

洪特规则还有一种情况：在简并轨道上的电子排布处于全充满、半充满或全空状态时，能量较低，相对比较稳定。

全充满：p6、d10、f14

半充满：p3、d5、f7

全空：p0、d0、f0

正因如此，24号元素铬的价层电子排布式为3d54s1，3d能级处于半充满状态，比3d44s2更稳定。29号元素铜的价层电子排布式为3d104s1，3d能级处于全充满状态，比3d94s2更稳定。

注意：洪特规则不仅适用于基态原子，也适用于基态离子。洪特规则是针对电子填入简并轨道而言的，并不适用于电子填入能量不同的轨道。

小结：基态原子核外电子排布遵循能量最低原理，构造原理、泡利原理、洪特规则都与之保持一致。