原子结构与键合

原子的电子结构

  电子运动没有固定轨道，但可根据电子能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。能量低的，通常在离核近的区域运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。

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原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来决定：

1. 主量子数 \(n\)，表示电子所处电子壳层，依次命名为 \(K, L, M, N\).
2. 轨道角动量量子数 \(l\)，给出电子在同一量子壳层内所处的能级。
3. 磁量子数 \(m\)，给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。其决定电子云的空间取向，总数为 \(2l + 1\)。
4. 自旋角动量量子数 \(s\)，反映电子不同的自旋方向。

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在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：

1. 能量最低原理，电子总是先占据能量最低的壳层，即核外电子排满了 \(K\) 层才排 \(L\) 层，排满了 \(L\) 层才排 \(M\) 层。
2. 泡利不相容原理，在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，因此主量子数为 \(n\) 的壳层，最多容纳 \(2n^2\) 个电子。
3. 洪德定则，在同一亚层的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满，半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。

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原子间的键合

  结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键即主价键，包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德瓦尔斯力。

金属键

  由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，因此这使得金属具有良好延展性。并且由于自由电子存在，金属一般具有良好的导电和导热性。

离子键

  大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。实质是金属原子将自己的价电子给予非金属原子，使它们分别变为正离子和负离子，正负离子通过它们之间的静电引力结合在一起。离子键无方向性和饱和性。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因此其熔点和硬度均较高，其次在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此它们都是良好绝缘体。在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时呈现离子导电性。

共价键

  共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。根据共用电子对在两成键原子之间是否偏离或偏近某一个原子，共价键又分成非极性键和极性键两种。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由运动，共价结合形成的材料一般都是绝缘体，其导电能力差。共价键具有方向性和饱和性。

范德瓦尔斯力

  范德瓦尔斯力属于物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。它普遍存在于各种分子之间，对物质的性质，如熔点、沸点、溶解度的影响很大，通常它的键能比化学键的小1~2个数量级，远不如化学键结合牢固。

氢键

  氢键是一种极性分子键，由于氢原子核外仅有一个电子，在这些分子中氢的唯一电子已被其他原子所共有，故结合的氢端就裸露出带正电荷的原子核。这样它将与邻近分子的负端相互吸引，即构成中间桥梁，故又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。