轨道图（电子排布图）生成器
为任意元素或离子绘制轨道图，从氮、氧到铁、铬和 Fe³⁺，方框按填充顺序排列，箭头遵循洪特规则，下方附电子排布式。适合化学课堂和练习。
轨道图示例
2p 有两个未成对电子的氧、3d 有四个未成对电子的铁、上下对比预期与实际排布的铬，以及体现洪特规则的简版氮。每张图都由旁边的提示词生成，选中即可把提示词填入上方输入框。
怎么画轨道图：以硫为例分步讲解
带标注的图是有 16 个电子的硫，能量从下往上升高。同样四步可以画出任何原子的轨道图。
- 1
数电子
硫的原子序数是 16，所以画 16 个箭头；离子则按电荷加减。
- 2
按构造原理填方框
从下往上依次 1s、2s、2p、3s、3p，每个方框最多两个方向相反的箭头（泡利原理）。
- 3
先把 3p 电子分开放
3p 的三个方框各放一个箭头，第四个电子再与第一个方框配对（洪特规则）。
- 4
写出电子排布式
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴，即 [Ne] 3s² 3p⁴，有 2 个未成对电子。
![铬轨道图的例外：预期 [Ar] 4s2 3d4 有四个未成对电子，实际 [Ar] 4s1 3d5 有六个](/imgs/examples/topic-diagrams/orbital-diagram-3.webp)
为什么铬的轨道图不按填充顺序
按填充顺序，铬应为 [Ar] 4s² 3d⁴。实测基态中有一个电子移到 3d，使两个能级都处于半充满。
- 1
预期：4 个未成对
4s 有一对电子，3d 五个方框中四个各有一个箭头，第五个为空。
- 2
实际：6 个未成对
一个 4s 电子进入 3d：[Ar] 4s¹ 3d⁵，六个箭头都单独且方向相同。
- 3
铜同理
是 [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ 而不是 4s² 3d⁹：全充满的 3d 比充满的 4s 更占优势。
逐个元素的轨道图，附构造原理图
最常被搜索的各元素轨道图，按箭头规律相同的归为一组。每项给出电子数、方框、箭头的位置和未成对电子数。
氢、氦、锂、铍的轨道图
最小的轨道图，也是讲泡利原理的地方。氢（1）：1s¹，一个方框里一个向上的箭头。氦（2）：1s²，同一方框里一上一下两个箭头。锂（3）：1s² 2s¹，第一个有第二能层的原子，1 个未成对电子。铍（4）：1s² 2s²，所有箭头都成对。
氮的轨道图
7 个电子：1s² 2s² 2p³。1s 和 2s 成对，2p 三个方框各一个向上的箭头，不配对，因为洪特规则要求同一组的方框先各填一个。3 个未成对电子：2p 半充满，这正是氮的第一电离能高于氧的原因。
氧的轨道图
8 个电子：1s² 2s² 2p⁴。第四个 2p 电子只能配对，所以第一个 2p 方框是 ↑↓，另外两个各一个箭头：2 个未成对电子。这一对电子在同一方框里的排斥，使氧比氮更容易失去一个电子。
碳的轨道图
6 个电子：1s² 2s² 2p²。两个 2p 电子分占两个方框且自旋平行，2 个未成对，绝不挤在同一个方框里。把一个 2s 电子提升到 2p、得到四个单箭头的图，是为解释 sp³ 杂化而画的碳的激发态，不是基态轨道图。
硼、铝、硅的轨道图
硼（5）：1s² 2s² 2p¹，第一个 2p 方框一个箭头，另两个 2p 方框为空。铝（13）：[Ne] 3s² 3p¹，下一周期的同样规律。硅（14）：[Ne] 3s² 3p²，两个单独的 3p 箭头，和碳一样。空的 p 方框也要画出来：不管有没有电子，p 能级都是三个方框。
硫、磷的轨道图
位于氧和氮的下一周期，氖的内层之外规律相同。磷（15）：[Ne] 3s² 3p³，三个单独的 3p 箭头，3 个未成对。硫（16）：[Ne] 3s² 3p⁴，3p 一对加两个单箭头，2 个未成对。完整的图还要在下面画出 1s、2s、2p 中的十个内层电子。
氯、氟、溴的轨道图
卤素的 p 能级差一个电子填满，即 ns² np⁵。氟（9）：1s² 2s² 2p⁵。氯（17）：[Ne] 3s² 3p⁵。溴（35）：[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵，在 4s 和 4p 之间画出全充满的 3d。三者都是两个 p 方框成对、第三个一个箭头：1 个未成对电子。
钠、镁、钾、钙的轨道图
钠（11）：[Ne] 3s¹，3s 一个箭头。镁（12）：[Ne] 3s²，成对，没有未成对电子。钾（19）：[Ar] 4s¹，钙（20）：[Ar] 4s²。两者都没有 3d 方框：到钪之前 4s 的能量低于 3d，所以第 19 个电子进入 4s 而不是 3d。
铁的轨道图
26 个电子：[Ar] 4s² 3d⁶。4s 成对；3d 五个方框中前五个电子各占一个，第六个与第一个方框配对：4 个未成对电子，因此铁原子是顺磁性的。Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶，先失去两个 4s 电子，仍有 4 个未成对；Fe³⁺ 是 [Ar] 3d⁵，每个 3d 方框一个箭头，5 个未成对。
铬、铜的轨道图
第四周期过渡元素的两个例外。铬（24）：[Ar] 4s¹ 3d⁵，而不是 4s² 3d⁴，六个单箭头。铜（29）：[Ar] 4s¹ 3d¹⁰，而不是 4s² 3d⁹，3d 全充满，1 个未成对电子。指明是例外，就按实测排布画；要求预期与实际同时画出，就得到上面铬示例那样的两行图。
钛、锰、钴、镍、锌的轨道图
4s 填满后，3d 方框先各填一个再配对。钛（22）：[Ar] 4s² 3d²，2 个未成对。锰（25）：[Ar] 4s² 3d⁵，5 个。钴（27）：[Ar] 4s² 3d⁷，3 个。镍（28）：[Ar] 4s² 3d⁸，2 个。锌（30）：[Ar] 4s² 3d¹⁰，0 个，所以锌是抗磁性的。
氖、氩的轨道图
稀有气体把所有方框都填满。氖（10）：1s² 2s² 2p⁶，五个方框、十个成对箭头。氩（18）：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶，九个方框全部成对。没有未成对电子，两者都是抗磁性的，它们的排布也成了后面元素简化排布式开头的 [Ne] 和 [Ar] 原子实。
构造原理图（填充顺序图）
不是某一个原子，而是所有原子共同的填充顺序：把能级按能层逐行写出（1s；2s 2p；3s 3p 3d；4s 4p 4d 4f …），再用斜线箭头穿过，读出 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s。它体现的是 n + l 规则（马德隆规则）：n + l 小的先填，相等时 n 小的先填，所以 4s（4 + 0）排在 3d（3 + 2）之前。
轨道能级图
同样的方框不排成一行，而是沿能量轴向上堆叠，上面的硫就是这种画法：每个能级各在自己的高度，p 的三个或 d 的五个方框因为简并而并排在同一高度。这种画法能说明为什么钾的 4s 低于 3d，以及最后填充的能级和第一个空能级相距多远。
氢到溴的轨道填充与未成对电子
按普通化学教材给出的基态电子排布，以及最后填充的能级中的箭头（□ 表示空方框）。未成对电子数是整张图中单箭头的数目。
| 元素 | 电子数 | 简化电子排布式 | 最后能级的方框 | 未成对电子 |
|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1s¹ | 1s: ↑ | 1 |
| He | 2 | 1s² | 1s: ↑↓ | 0 |
| Li | 3 | [He] 2s¹ | 2s: ↑ | 1 |
| B | 5 | [He] 2s² 2p¹ | 2p: ↑ □ □ | 1 |
| C | 6 | [He] 2s² 2p² | 2p: ↑ ↑ □ | 2 |
| N | 7 | [He] 2s² 2p³ | 2p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| O | 8 | [He] 2s² 2p⁴ | 2p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| F | 9 | [He] 2s² 2p⁵ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ne | 10 | [He] 2s² 2p⁶ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| Na | 11 | [Ne] 3s¹ | 3s: ↑ | 1 |
| Mg | 12 | [Ne] 3s² | 3s: ↑↓ | 0 |
| Al | 13 | [Ne] 3s² 3p¹ | 3p: ↑ □ □ | 1 |
| Si | 14 | [Ne] 3s² 3p² | 3p: ↑ ↑ □ | 2 |
| P | 15 | [Ne] 3s² 3p³ | 3p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| S | 16 | [Ne] 3s² 3p⁴ | 3p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cl | 17 | [Ne] 3s² 3p⁵ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ar | 18 | [Ne] 3s² 3p⁶ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| K | 19 | [Ar] 4s¹ | 4s: ↑ | 1 |
| Ca | 20 | [Ar] 4s² | 4s: ↑↓ | 0 |
| Ti | 22 | [Ar] 4s² 3d² | 3d: ↑ ↑ □ □ □ | 2 |
| Cr | 24 | [Ar] 4s¹ 3d⁵（例外） | 4s: ↑，3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 6 |
| Mn | 25 | [Ar] 4s² 3d⁵ | 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 |
| Fe | 26 | [Ar] 4s² 3d⁶ | 3d: ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ | 4 |
| Co | 27 | [Ar] 4s² 3d⁷ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ | 3 |
| Ni | 28 | [Ar] 4s² 3d⁸ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cu | 29 | [Ar] 4s¹ 3d¹⁰（例外） | 4s: ↑，3d: 五对 | 1 |
| Zn | 30 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ | 3d: 五对 | 0 |
| Br | 35 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ | 4p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
从钪到锌都是先 4s 后 3d，只有铬和铜例外。 钪（[Ar] 4s² 3d¹，1 个未成对）和钒（[Ar] 4s² 3d³，3 个未成对）都符合规律。阳离子先从 n 最大的轨道失去电子：Cu⁺ 和 Zn²⁺ 都是 [Ar] 3d¹⁰。
轨道图、电子排布式与玻尔模型的区别
三者描述的是同一批电子。电子排布式写成一行文字（1s² 2s² 2p⁴），轨道图把每个轨道连同箭头画出来，玻尔模型只把能层画成圆环，没有能级，也没有自旋。 国内教材所说的轨道表示式就是这种方框加箭头的形式，与轨道图是同一个东西。
| 轨道图 | 电子排布式 | 玻尔模型 | |
|---|---|---|---|
| 表示什么 | 每个轨道一个方框，每个电子一个箭头 | 能级加上标电子数 | 能层画成圆环，电子画成圆点 |
| 氧 | 1s ↑↓，2s ↑↓，2p ↑↓ ↑ ↑ | 1s² 2s² 2p⁴，或 [He] 2s² 2p⁴ | 第一圈 2 个点，第二圈 6 个 |
| 自旋 | 用向上和向下的箭头表示 | 不表示 | 不表示 |
| 未成对电子 | 数单箭头 | 用洪特规则推出 | 无法读出 |
| 能级（s、p、d） | 1、3、5 个方框一组 | 写作 1s、2p、3d … | 没有，只有能层 |
| 与分子轨道图比较 | 只是一个原子；分子轨道图把两个原子的轨道放在两侧列中再组合 | 分子改用分子轨道排布式，写作 σ2s² σ*2s² … | 没有分子对应形式 |
问到自旋或磁性时就画轨道图。 “铁有几个未成对电子？”需要把五个 3d 方框画出来；“铁的电子排布式是什么？”只需要 [Ar] 4s² 3d⁶。
什么是轨道图？
轨道图（又称电子排布图、轨道表示式或轨道方框图）表示原子中电子的位置：每个原子轨道画一个方框或一条短线，按能级（1s、2s、2p、3s …）和填充顺序分组，每个电子画成一个半箭头，箭头方向代表自旋。 它的电子数和电子排布式相同，比如氧是 1s² 2s² 2p⁴，但还表示出排布式没有的信息：哪些轨道是一对电子，哪些只有一个未成对电子。
要点
- 每个箭头的位置由三条规则决定。 构造原理：先填能量最低的能级。泡利原理：每个轨道最多两个电子，且自旋相反。洪特规则：在能量相同的一组轨道中，电子先以相同自旋分占各轨道，再配对。
- 4s 先于 3d 填充，也先于 3d 失去。 钾和钙的最外层电子在 4s，从钪开始填 3d。过渡金属形成阳离子时先失去 4s 电子：Fe 是 [Ar] 4s² 3d⁶，Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶。
- s、p、d、f 能级分别有 1、3、5、7 个轨道。 所以 s 能级容纳 2 个电子，p 为 6 个，d 为 10 个，f 为 14 个，这也是元素周期表各区宽 2、6、10、14 个元素的原因。
- 有未成对电子的原子是顺磁性的。 数单箭头：氮 3 个，氧 2 个，铁 4 个，铬 6 个。像氖或锌这样所有箭头都成对的原子是抗磁性的。
- 铬和铜不遵循简单顺序。 Cr 是 [Ar] 4s¹ 3d⁵，Cu 是 [Ar] 4s¹ 3d¹⁰：半充满或全充满的 3d 能量低于按填充顺序预期的排布。正下方的钼和银在 5s 与 4d 上也是如此。
轨道图常见问题
轨道图怎么画？
先数电子，把能级按填充顺序（1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d …）画成每个轨道一个方框，再从最低处往上填：每个方框两个方向相反的箭头，p 或 d 组里先每个方框各放一个再配对。 箭头数等于原子序数时停止，在下面写出电子排布式，数一数单箭头就是未成对电子数。
什么是轨道表示式？
轨道表示式是用方框或短线画出的电子排布，每个轨道一个，并标出所属能级，每个电子画成向上或向下的箭头。 氧的轨道表示式是 1s ↑↓，2s ↑↓，2p ↑↓ ↑ ↑。使用这个术语的教材把 1s² 2s² 2p⁴ 这种写法称为“电子排布式”。
轨道图和电子排布式有什么区别？
电子排布式说明每个能级有几个电子，轨道图还画出它们在能级内部怎么分布。 两者对氧都是 2p⁴，但只有轨道图能看出一个 2p 轨道成对、两个各有一个电子，也就是氧那 2 个未成对电子的来源。
什么是构造原理图？
构造原理图是能级填充顺序的示意图：把能级按能层逐行写出，用斜线箭头穿过，依次读出 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s 等。 它遵循 n + l 规则，是画轨道图的工具，而不是某一个原子的图。
为什么 4s 先于 3d 填充？
因为对钾和钙来说，4s 的能量低于 3d：4s 的 n + l 是 4，3d 是 5。 从钪开始填 3d 之后，3d 轨道的能量降到 4s 之下，所以过渡金属阳离子先失去 4s 电子：Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶，而不是 [Ar] 4s² 3d⁴。
为什么铬和铜是例外？
半充满或全充满的 3d 比按填充顺序预期的排布更稳定，所以有一个 4s 电子移入 3d。 铬是 [Ar] 4s¹ 3d⁵ 而不是 4s² 3d⁴，铜是 [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ 而不是 4s² 3d⁹。这里 4s 和 3d 的能量非常接近，3d 自旋平行带来的额外稳定性就起了决定作用。
铁有几个未成对电子？
4 个。 铁是 [Ar] 4s² 3d⁶：4s 成对，六个 3d 电子中前五个分占五个方框，第六个与其中一个配对，剩下四个单箭头。Fe³⁺（[Ar] 3d⁵）有 5 个，每个 3d 方框一个。
离子的轨道图怎么画？
从中性原子的轨道图出发，按电荷加上或去掉箭头。 阴离子把多出的电子放进下一个空位：Cl⁻ 是 [Ne] 3s² 3p⁶。阳离子先从 n 最大的轨道失去电子，所以过渡金属先失 4s 再失 3d：Fe³⁺ 是 [Ar] 3d⁵，五个单箭头，没有 4s 方框。
价电子轨道图表示什么？
只表示最外层：n 最大的 s 和 p 方框，内层用稀有气体符号表示。 硫的价电子轨道图是 [Ne] 后接 3s ↑↓ 和 3p ↑↓ ↑ ↑，即 6 个价电子和 2 个未成对电子。过渡金属通常也画出 3d 方框，因为这些电子参与成键。
为什么同一方框里的两个箭头方向相反？
泡利原理：同一轨道中的两个电子自旋必须相反，即 +½ 和 −½，画成一个向上、一个向下的箭头。 任何轨道都不能容纳第三个电子，所以一个方框里最多两个箭头。
参考资料
- 5.17: Hund's Rule and Orbital Filling Diagrams, Introductory Chemistry (CK-12) — LibreTexts
- Orbital Diagrams, General Chemistry — Chemistry Steps
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