原子電子云綜述

1、電子云是物理學(xué)、化學(xué)中的一項(xiàng)概念。電子云是近代對(duì)電子用統(tǒng)計(jì)的方法，在核外空間分布方式的形象描繪，它的區(qū)別在于行星軌道式模型。電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)那樣有確定的軌道，因此畫(huà)不出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。不能預(yù)言它在某一時(shí)刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個(gè)地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機(jī)會(huì)有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點(diǎn)的疏密來(lái)表示。小白點(diǎn)密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點(diǎn)疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周?chē)虼私须娮釉?。在量子化學(xué)中，用一個(gè)波函數(shù)（x，y，z）表征電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且用它的模的平方|²值表示單位體積內(nèi)電子在核外空間

2、某處出現(xiàn)的幾率，即幾率密度，所以電子云實(shí)際上就是|²在空間的分布。研究電子云的空間分布主要包括它的徑向分布和角度分布兩個(gè)方面。徑向分布探求電子出現(xiàn)的幾率大小和離核遠(yuǎn)近的關(guān)系，被看作在半徑為r，厚度為dr的薄球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率。角度分布探究電子出現(xiàn)的幾率和角度的關(guān)系。例如s態(tài)電子，角度分布呈球形對(duì)稱(chēng)，同一球面上不同角度方向上電子出現(xiàn)的幾率密度相同。p態(tài)電子呈8字形，不同角度方向上幾率密度不等。有了pz的角度分布，再有n=2時(shí)2p的徑向分布，就可以綜合兩者得到2pz的電子云圖形。由于2p和3p的徑向分布不同，2pz和3pz的電子云圖形也不同。核外電子層分K、L、M、N、O、P，

3、0;可是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在這每一層上，又有很多能量不同的區(qū)域，即電子亞層； 這種電子亞層有四種，分別用字母s,p,d,f來(lái)表示； 電子亞層，其實(shí)你就可以理解為電子軌道群， 每個(gè)亞層上都有若干個(gè)軌道， s亞層有1個(gè)軌道，p亞層有3個(gè)軌道，d亞層有5個(gè)軌道，f亞層有7個(gè)軌道， 有了這些軌道，電子才能裝進(jìn)去，每個(gè)軌道上能容納2個(gè)自旋方向相反的電子（意思就是說(shuō)，這兩個(gè)電子旋轉(zhuǎn)方向不一樣）。  那么我再給你找些實(shí)用的資料，以后對(duì)你會(huì)很有用的： K層只有s亞層，簡(jiǎn)稱(chēng)為1s；L層有s，p兩個(gè)亞層，簡(jiǎn)稱(chēng)為2s，2p；M層有s，p，d三

4、個(gè)亞層，簡(jiǎn)稱(chēng)為3s，3p，3d；等等。 由于亞層的存在，使同一個(gè)電子層中電子能量出現(xiàn)不同，甚至出現(xiàn)低電子層的高亞層能量大于高電子層的低亞層，各亞層能量由低到高排列如下：  1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s，4f，5d，6p，7s，5f. 補(bǔ)充一點(diǎn)：根據(jù)能量最低原理，電子通常總是先填充能量低的亞層（懂了這個(gè)你就知道為什么有時(shí)第三層，就是M層有時(shí)沒(méi)有填滿(mǎn)，電子就去添下一層N層了吧，如鈣，3s和3p都填滿(mǎn)了，但是沒(méi)填3d，就去填4s） 個(gè)人建議：如果你想更了解關(guān)于電子亞層的知識(shí)，可以再了解一下：能量最低原理，洪特

5、原理，保里不相容原理，洪特特例。有一個(gè)公式可以方便記憶：ns<(n-2)f<(n-1)d<np 只要記住其中d亞層從3d開(kāi)始，f亞層從4f開(kāi)始就行了。寫(xiě)能級(jí)順序時(shí)n從1開(kāi)始取，f前的n>=6,d前的n>=4。原子軌道編輯薛定諤方程薛定諤方程是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本方程，1927年奧地利物理學(xué)家薛定諤將光的波動(dòng)方程引申來(lái)描述原子中單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立起來(lái)的，是一個(gè)二階偏微分方程。即：薛定諤方程式中：x、y、z 是電子的空間直角坐標(biāo) 波函數(shù)（是三維空間坐標(biāo)x、y、z 的函數(shù)）E 系統(tǒng)的總能量V 系統(tǒng)的勢(shì)能（核對(duì)電子的吸引能）m、E、V 體現(xiàn)了微粒性， 體現(xiàn)了波動(dòng)性。氫

6、原子體系的 和與之對(duì)應(yīng)的 E 可以通過(guò)解薛定諤方程得到，解出的每一個(gè)合理的 和E ，就代表體系中電子運(yùn)動(dòng)的一種狀態(tài)?？梢?jiàn)，在量子力學(xué)中是波函數(shù)來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了解的方便，常把直角坐標(biāo)x、y、z 換成極坐標(biāo)r 、 表示，換算關(guān)系是：在解方程時(shí)，為了使解出的函數(shù)有合理的物理意義，還必須引入一套參數(shù) n、l、m 作為限制條件。這一套參數(shù)在量子化學(xué)中稱(chēng)為量子數(shù)。其取值規(guī)則為：n = 1，2， 3， n 為自然整數(shù)l n - 1 l = 0,1,2, ( n -1)|m| l m = 0,±1,±2, , ±l每一組軌道量子數(shù)n、l、m，可以確定一個(gè)函數(shù)，即：波

7、函數(shù)(r, ):代表電子運(yùn)動(dòng)的一種穩(wěn)定狀態(tài)，俗稱(chēng)原子軌道。徑向波函數(shù)R(r):由n和l決定，它描述波函數(shù)隨電子離核遠(yuǎn)近(r)的變化情況.角度波函數(shù).Y ( ， ):由l和m決定，描述波函數(shù)隨電子在核的不同方向的變化情況，通常將l=0,1,2.3,的軌道分別稱(chēng)為s軌道、p軌道、d軌道、f軌道、角度分布圖(1) 原子軌道的角度分分布圖：Y (，) 、 作圖而成。例如： l s 至 n s 的角度部分函數(shù)為：s 的角度函數(shù)與角度無(wú)關(guān)，是以半徑為 r 的球形。p 軌道的軌道的角度分布函數(shù)與方向有關(guān)。如Y 2pz 為：Y 2pz= ( 3/4) 1/2 cos （2）電子云的角度分布圖電子云是電子在核外

8、空間各處出現(xiàn)幾率密度大小的形象化描述。幾率密度= | |2，| |2 的圖象稱(chēng)為電子云。因而用 Y 2( ， ) ， 作圖即得到電子云的角度分布圖。其圖形與原子軌道角度分布圖相似，不同之處有兩點(diǎn)： 由于Y 1，Y2 Y （更?。噪娮釉平嵌确植紙D瘦些。原子軌道角度分布有+、- 號(hào)之分，( Y 有正負(fù)號(hào)，代表波函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性并不代表電荷)，電子云的角度分布圖沒(méi)有正負(fù)號(hào)。電子云常用小圓點(diǎn)的疏密程度表示。把占9095%的幾率分布用匡線(xiàn)匡起來(lái)，形成電子云的界面圖，故也可用電子云的界面圖來(lái)表示電子出現(xiàn)的幾率分布。注意：由于微觀粒子具有波粒二象性，不僅其物理量是量子化的，而且從電子云概念可知，微觀粒子在

9、空間的分布還具有統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。即電子雖不循著有形的軌道或途徑運(yùn)動(dòng)但它在空間的分布總有一個(gè)幾率或幾率密度較大的范圍。因此，盡管電子決不像宏觀物體運(yùn)動(dòng)那樣，呈現(xiàn)某種幾何形狀的軌道或途徑。從解薛定諤方程所引進(jìn)的一套參數(shù) n, l, m（稱(chēng)為量子數(shù)）的物理意義、取值以及取值的組合形式與核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系如下：主量子數(shù)（電子層）描述電子離核的遠(yuǎn)近，確定原子的能級(jí)或確定軌道能量的高低。決定軌道或電子云的分布范圍。一般，n 值越大，電子離核越遠(yuǎn)，能量越高。主量子數(shù)所決定的電子云密集區(qū)或能量狀態(tài)稱(chēng)為電子層（或主層）。主量子數(shù)n 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, （共取n個(gè)值）電子層符號(hào) K，L，M，

10、N, O, P, Q , 角量子數(shù)（亞層）同一電子層（n)中因副量子數(shù)（l)不同又分成若干電子亞層（簡(jiǎn)稱(chēng)亞層，有時(shí)也稱(chēng)能級(jí)）。 l確定同一電子層中不同原子軌道的形狀。在多電子原子中，與 n 一起決定軌道的能量。副量子數(shù)l = 0, 1, 2, 3, 4, , n -1 （共可取 n 個(gè)值）亞層符號(hào) s， p、 d、 f、 g軌道形狀 圓球 雙球 花瓣 八瓣磁量子數(shù)（軌道）確定原子軌道在空間的伸展方向。m = 0, ±1, ±2, ±3, , ±l 共可取值( 2l +1)個(gè)值s p d f軌道空間伸展方向數(shù)： 1 3 5 7 ( m的取值個(gè)數(shù))n, l

11、相同，m不同的軌道能量相同。也即同一亞層中因m不同所代表的軌道具有相同的能量。通常將能量相同的軌道互稱(chēng)為等價(jià)軌道或簡(jiǎn)并軌道。三個(gè)量子數(shù)的取值關(guān)系：L 受 n 的限制：n =1 l = 0 m = 0n =2 l = 0, 1 m = 0, ±1n =3 l = 0, 1, 2 m = 0, ±1, ±2m 的取值受l 的限制：如l = 0 m = 0l = 1 m = -1, 0, +1l = 2 m = -2, -1, 0, +1, +2三個(gè)量子數(shù)的一種組合形式?jīng)Q定一個(gè) ，而每一個(gè)又代表一個(gè)原子軌道，所以三個(gè)量子數(shù)都有確定值時(shí)，即確定核外電子的一種電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

12、原子能級(jí)在多電子原子中，原子的能級(jí)除受主量子數(shù)（n)影響外，還與副量子數(shù)（l）有關(guān)，其間關(guān)系復(fù)雜。下圖表示了若干元素原子中能級(jí)的相對(duì)高低。由圖可以看出：（1）單電子原子（Z=1)中，能量只與n有關(guān)，且n，E（2）多電子原子（Z 2）中,能量與n、l有關(guān)。 n 相同，l 不同，則 l，E如：Ens<Enp<End<Enf l 相同，n 不同，則n，E如：E1s<E2s<E3sE2p<E3p<E4pE3d<E4d<E5d（3）能級(jí)交錯(cuò)若n和l都不同，雖然能量高低基本上由n的大小決定，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高電子層中低亞層（如4s）的能量反而低于某些低電

13、子層中高亞層（如3d）的能量這種現(xiàn)象稱(chēng)為能級(jí)交錯(cuò)。能級(jí)交錯(cuò)是由于核電荷增加，核對(duì)電子的引力增強(qiáng)，各亞層的能量均降低，但各自降低的幅度不同所致。能級(jí)交錯(cuò)對(duì)原子中電子的分布有影響。最大容量編輯自旋量子數(shù)（ms）自旋量子數(shù)是描寫(xiě)電子自旋運(yùn)動(dòng)的量子數(shù)。是電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的第四個(gè)量子數(shù)。用分辨能力很強(qiáng)的光譜儀來(lái)觀察氫原子光譜，發(fā)現(xiàn)一條譜線(xiàn)是由靠得非常近的兩條線(xiàn)組成，為氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，1921年，德國(guó)施特恩（Otto Stern，18881969）和格拉赫（Walter Gerlach，18891979）在實(shí)驗(yàn)中將堿金屬原子束經(jīng)過(guò)一不均勻磁場(chǎng)射到屏幕上時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線(xiàn)束分裂成兩束，并向不同方向偏轉(zhuǎn)。這暗示人們，

14、電子除了有軌道運(yùn)動(dòng)外，還有自旋運(yùn)動(dòng)，是自旋磁矩順著或逆著磁場(chǎng)方向取向的結(jié)果。于是1925年荷蘭物理學(xué)家烏侖貝克（George Uhlenbeck，1900）和哥希密特（Goudsmit，19021978）提出電子有不依賴(lài)于軌道運(yùn)動(dòng)的、固有磁矩（即自旋磁矩）的假設(shè)。自旋量子數(shù)s1/2，它是表征自旋角動(dòng)量的量子數(shù)，相應(yīng)于軌道角動(dòng)量量子數(shù)。自旋磁量子數(shù)ms才是描述自旋方向的量子數(shù)。ms= 1/2，表示電子順著磁場(chǎng)方向取向，用表示，說(shuō)成逆時(shí)針自旋；ms=-1/2表示逆著磁場(chǎng)方向取向，用表示，說(shuō)成順時(shí)針自旋。當(dāng)兩個(gè)電子處于相同自旋狀態(tài)時(shí)叫做自旋平行，用符號(hào)或表示。當(dāng)兩個(gè)電子處于不同自旋狀態(tài)時(shí)，叫做自旋反

15、平行，用符號(hào)或表示。 1925年琴倫貝克和高斯米特，根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)提出了電子自旋的概念，用以描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)。自旋量子數(shù)ms 有兩個(gè)值(+1/2，-1/2)，可用向上和向下的箭頭(“”“”)來(lái)表示電子的兩種所謂自旋狀態(tài)。結(jié)論：描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要用四個(gè)量子數(shù)（ n， l，m ， ms ），同一原子中，沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。電子排布規(guī)律（1）泡利不相容原理在同一原子中，一個(gè)原子軌道上最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。（2）能量最低原理電子總是最先排布（占據(jù)）在能量最低的軌道。（3）洪特規(guī)則在等價(jià)軌道上，電子總是盡先占據(jù)不同的軌道 ，而且自旋方向相同（平行）。當(dāng)?shù)葍r(jià)軌道上

16、全充滿(mǎn)時(shí)( p6, d10, f 14 )，半充滿(mǎn)( p3, d 5, f 7 )和全空( p0, d0, f 0 )時(shí)，能量最低，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。最大容量根據(jù)以上的排布規(guī)則，可以推算各電子層、電子亞層和軌道中最多能容納多少電子。由于每一個(gè)電子層（n)中有n個(gè)電子亞層（每一個(gè)電子亞層又可以有（2l+1）個(gè)軌道），則每一電子層可能有的軌道數(shù)為n2，即：又由于每一個(gè)軌道上最多容納兩個(gè)電子，所以每一電子層的最大容量為2n2，每一電子亞層中的電子數(shù)不超過(guò)2（2l1）個(gè)。電子層的最大容量（n=14）原子核外的電子總是有規(guī)律的排布在各自的軌道上。分子電子云及共價(jià)鍵按成鍵方式鍵鍵（sigma bond）由兩個(gè)原

17、子軌道沿軌道對(duì)稱(chēng)軸方向相互重疊導(dǎo)致電子在核間出現(xiàn)概率增大而形成的共價(jià)鍵，叫做鍵，可以簡(jiǎn)記為“頭碰頭”（見(jiàn)右圖）。11  鍵屬于定域鍵，它可以是一般共價(jià)鍵，也可以是配位共價(jià)鍵。一般的單鍵都是鍵。原子軌道發(fā)生雜化后形成的共價(jià)鍵也是鍵。由于鍵是沿軌道對(duì)稱(chēng)軸方向形成的，軌道間重疊程度大，所以，通常鍵的鍵能比較大，不易斷裂，而且，由于有效重疊只有一次，所以?xún)蓚€(gè)原子間至多只能形成一條鍵。鍵（pi bond）鍵成鍵原子的未雜化p軌道，通過(guò)平行、側(cè)面重疊而形成的共價(jià)鍵，叫做鍵，可簡(jiǎn)記為“肩并肩”（見(jiàn)右圖）。11  鍵與鍵不同，它的成鍵軌道必須是未成對(duì)的p軌道。鍵性質(zhì)各異，有兩中心，兩電子的定域鍵，也可以是共軛鍵和反饋鍵。兩個(gè)原子間可以形成最多2條鍵，例如，碳碳雙鍵中，存在一條鍵，一條鍵，而碳碳三鍵中，存在一條鍵，兩條鍵。鍵中的電子可以吸收紫外線(xiàn)并被激發(fā)，所以，含有鍵的化合物有抵御紫外線(xiàn)的功能，防曬霜正是利用了這個(gè)原理防護(hù)紫外線(xiàn)對(duì)人的傷害。11  苯分子中的大鍵共軛鍵具有特殊的穩(wěn)定性，例如苯環(huán)中存在6中心6電子的大鍵，顯現(xiàn)出芳香性，不易發(fā)生加成和氧化反應(yīng)，而易發(fā)生親電取代，與苯環(huán)有類(lèi)似鍵型的化合物包括部分雜環(huán)化合物、稠環(huán)烴和其他烴類(lèi)，化學(xué)家埃里希·休克