猫也能明白的有机化学

本系列专栏主要内容翻译并转载自nikukyu-的《猫でもわかる有機化学——有機化学について基礎から解説します》，翻译为：《即使是猫也能明白的有机化学——从基础开始解说有机化学》（简称猫也能明白的有机化学），已获得nikukyu-的授权并同意加入注解（用红字表示）：（本系列专栏更新频率随缘）

这次更新基础篇1：原子轨道。

原栏目链接：http://xn--u8jvc1drbs0514cvfm43vv1giwx.net/atomic-orbital/

序言部分请移步：CV7564560

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原子轨道，笼统地说就是围绕原子核运转的电子的运动范围。

众所周知，电子在原子核周围运动，但是我们无法确认某一时刻电子具体的位置。

这是因为电子比原子核小得多（质量轻很多，电子的质量约为质子的1/1833），运动是随机的，没有固定的轨道。（没有固定轨道主要原因还是因为量子力学中的测不准原理，电子、原子核这些微观的物质都无法同时较为准确地测量其位置和动量，只不过在处理原子、分子问题的时候，由于原子核质量相比电子质量是很大的，就可以近似当作原子核固定不动，即Born-Oppenheimer近似）

（任何的物质都具有“波粒二象性”，这种波指的是物质波，又称德布罗意波，即函数为概率波，它的模方指空间中某点某时刻可能出现的几率密度，其中概率密度的大小受波动规律的支配。物体越宏观，波长越小可忽略不计，测不准原理产生的偏差就越小）

虽然“运动随机”这一词很难说明，但是通常用下图来表示。

（因为相位之分说p轨道有六种其实是不对的，通常一般还是说，在某一主量子数（或说是某一电子壳层）下有三种p轨道）

其他具有代表性的轨道还有s轨道、d轨道等

这些轨道的性质和形状都互不相同，感兴趣的可以去搜索一下。

s轨道最多能占据2个电子。

p轨道最多共能占据6个电子（三种p轨道，每一种能占据两个电子3*2=6，d、f轨道同理）。

d轨道最多共能占据10个电子。

每一电子壳层里包含的轨道如下

这就是高中所学的知识

K壳层（第一个壳层）：有一个(1s)轨道，最多能填入2个电子

L壳层（第二个壳层）：有(2s)轨道和(2p)轨道，最多能填入2+6=8个电子

M壳层（第三个壳层）：有(3s)轨道、(3p)轨道和(3d)轨道，最多能填入2+6+10=18个电子。

（第n个壳层可以填入2*(n^2)个电子)

※括号包围的部分称为轨道名，开头的数值越大能量越高。

有了前文所讲解的内容，接下来开始讲解最重要的一点：关于电子如何填入原子轨道

这种思想 是有机化学从摇篮到墓场（笑）一生都会跟随的重要想法，所以请在理解了这一点之后再继续学习。

接下来开始解说规则：

电子从最低能量的轨道开始填入

这并不需要特别的说明。

如果不明白的话，请再读一遍上面的内容。

（参考）1s→2s→2p→3s→…的顺序

电子依次被轨道容纳

每个轨道最多能填两个电子，这两个电子自旋方向相反，

相反的自旋方向是什么意思呢？

其实电子就像行星一样在原子核（太阳）的周围公转并且自转（地球[暂定]）呢。

※这种自转叫做自旋。

如果说得太细的话，就会变成量子的话题，会写得很长，所以省略。

（首先，正如之前讲过的，电子在原子核周围是随机运动的，并不是像公转那样有轨道，而且实际上自旋也并非像自转一样的物理意义）

总之，我觉得大家可以这么想，通过反转旋转来平衡力量来达到稳定状态。

当具有多个相同能量的轨道时，电子优先进入不会导致成对电子出现的轨道。

“当具有多个相同能量的轨道” 简单地说就是某一电子壳层除了s轨道以外地轨道

比如p轨道，还记得之前说过每一个电子壳层有三个p轨道吗？（px py pz）

就是类似这样的情况

“电子优先进入不会导致成对电子出现的轨道。”

如下图所示

如果存在多个相同的能量，则每个轨道上将依次容纳一个电子。

而且，以相同的能量存在多个轨道（图所示的2p的情况）时，电子优先以同一种自旋方式填入轨道。

那么为什么会是这样子呢？解释起来很复杂，但是简单来说，就是因为这种情况电子的排布会更加稳定。

怎么样？看出规律性了吗？

我认为这是神为了方便让我们记住才设置的法则，非常感谢神明大人！

今天到这里差不多就可以了

那么下回再见！

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                                                                      Posted by nikukyu-

---------------------------------------------补充-------------------------------------

s、p、d等原子轨道实际上是通过严格求解氢原子的薛定谔方程得到的，将得到的不同的波函数分为几类，称为轨道,，其中电子壳层代表相同的“主量子数”，同一主量子数下的轨道或波函数对应的能量相等，然后再主量子数下分为角动量量子数，以角动量的值此来区分相同能量轨道下不同的波函数，然后角动量量子数下再分为磁量子数，以角动量在z轴的分量来区分相同角动量量子数的波函数轨道（其实是破除简并的一种方式）

px py pz虽然是p轨道，但是其中px和py并非是角动量在z轴的分量（以下简写为mz）的本征函数。如果想得到mz函数，解出来的轨道应该是p0和p-1和p1 p0和pz的波函数相同，而px和py是由p-1和p1波函数线性组合得到（为了得到实函数，同时符合化学直观的概念）。

注意，氢原子和类氢离子（只有一个电子），具有相同主量子数（其实就是在同一电子壳层内）的波函数（轨道）的能量是相同的。

但是当电子数量大于1的时候，先填入的电子会降低轨道的能量（即屏蔽效应，相当于减少了原子核所带的正电荷），使得s、p轨道能量出现高低之分。

自旋即是由粒子内禀角动量引起的内禀运动。在量子力学中，自旋是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转相类比，但实际上本质是迥异的。

具体的推导和其他知识可以参考：《量子力学》（曾谨言）或《量子化学》（Levine)

上述的补充，如有错误欢迎在评论区或私信我指出。

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                                                            tranlsated and explained by 律涼