Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А
Таблица 1
Квантовые состояния электронов, емкость четырех энергетических уровней и подуровней
Энерге- |
Энер- |
Возможные |
Число ор- |
Максималь- |
||
тический |
гетиче- |
значения, m |
биталей |
ное число |
||
уровень, |
ский |
|
|
|
электронов |
|
n |
подуро- |
|
в |
в уров- |
на |
на уров- |
|
вень, l |
|
под- |
не |
под- |
не |
|
|
|
уров |
|
уров- |
|
|
|
|
не |
|
не |
|
|
|
|
|
|
|
|
K(n = 1) |
s(l = 0) |
0 |
1 |
1 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
L(n = 2) |
s(l = 0) |
0 |
1 |
4 |
2 |
8 |
|
|
|
|
|
||
|
p(l = 1) |
-1,0,+1 |
3 |
6 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
M(n =3) |
s(l = 0) |
0 |
1 |
|
2 |
|
|
p(l = 1) |
-1,0,+1 |
3 |
9 |
6 |
18 |
|
|
|||||
|
d(l = 2) |
-2,-1,0,+1,+2 |
5 |
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N(n = 4) |
s(l = 0) |
0 |
1 |
|
2 |
|
|
p(l = 1) |
-1,0,+1 |
3 |
|
6 |
|
|
d(l = 2) |
-2,-1,0,+1,+2 |
5 |
16 |
10 |
32 |
|
|
|||||
|
f(l = 3) |
-3,-2,-1,0, |
7 |
|
14 |
|
|
|
+1,+2,+3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из принципа Паули вытекают два следствия:
1) число квантовых ячеек при данном значении l равно 2l + 1 (нечетные числа 1, 3, 5, 7 …). Так как максимальное число электронов в два раза больше числа квантовых ячеек, то максимальное число электронов на подуровне:
Xl = 2 (2l + 1)
38
2) максимально возможное число электронов на каждом энергетическом уровне равно удвоенному значению
квадрата главного квантового числа:
Xn = 2n 2
Энергетические уровни и подуровни, которые содержат максимально допустимое число электронов, называются замкнутыми. Замкнутый s – подуровень (l = 0) содержит два электрона, замкнутый p – подуровень (l = 1) содержит шесть электронов и т. д.
При заполнении электронами подуровней соблюдается правило Гунда: в данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Такая особенность распределения электронов по атомным орбиталям с одним и тем же значением l объясняется межэлектронным отталкиванием. Например, заселение вакантных d- AO пятью электронами возможно в соответствии с правилом Гунда только одним способом, отвечающим наименьшей энергии основного состояния
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
При заполнении АО электронами, как это видно из энергетического ряда, при n 4 происходит как бы нарушение закономерной последовательности. Например, вначале заполняется 4s подуровень, а затем 3d. Объяснение последовательности заполнения электронами АО дают два правила Клечковского или правило ''n + l''.
В соответствии с первым правилом Клечковского при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы.
Сумма n + l для 4s подуровня равна 4, а для 3d она равна 5, поэтому раньше будет заполняться 4s подуровень.
Если сумма n + l одинакова, то по второму правилу Клечковского заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа
39
n. Например сумма n + l для 3d и 4p подуровней одинакова и равна 5, то в первую очередь будет заполняться 3d – подуровень, т.к. для него n меньше.
2.6. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням у элементов малых периодов
Малыми периодами в Периодической системе Д.И Менделеева являются первые три, при этом первый период – короткий и состоит из двух элементов: водорода и гелия. Для обоих l = 0, так как n = 1 и формы их орбиталей сферические. Их электронные формулы соответственно равны 1s1 и 1s2:
H |
He |
1s1 |
1s2 |
Второй период начинается с щелочного элемента лития Li (Z = 3). У лития три электрона, два из них занимают 1s - AO, а третий уже вынужден заселять более высокий энергетический уровень с n = 2. Этот уровень содержит два подуровня: s и p (l = 0 и l = 1). Минимальным значением энергии для уровня с n = 2 обладает 2s - AO, который и занимает третий электрон. Электронная конфигурация атома лития для основного состояния: 1s22s1 или [He] 2s1. Для сокращения формы записи электронной конфигурации все АО предыдущих периодов заменяют символом благородного газа (в квадратных скобках), завершающего предшествующий период.
Энергетические уровни атомов элемента, следующего за литием, бериллия содержит четыре электрона (z = 4). Четвертый электрон в соответствии с принципом наименьшей энергии и принципом Паули займет также 2s - AО, но знак спинового квантового числа у этого электрона будет иной, чем у третьего электрона атома Li.
40
|
|
Li |
|
Be |
|
|
|
B |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2p1 |
|
|
|
|
2p |
|
|
|
2p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2s1 |
2s2 |
|
|
|
2s2 |
|
||||||
1s2 |
1s2 |
|
|
|
1s2 |
|
||||||
Таблица 2
Электронные конфигурации элементов второго периода (от углерода до неона)
Эле- |
По- |
|
Заселение электронами |
Электрон- |
||||||||||||||
мент |
ряд- |
1s |
2s |
|
|
|
|
|
2p |
ная |
|
|||||||
|
ко- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
конфигура- |
|
|
вый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ция |
|
|
но- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[He]2s 2p |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
N |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
[He]2s22p3 |
||||||||
O |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
[He]2s 2p |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
F |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[He]2s22p5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Ne |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[He]2s22p6 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
41
Бор (z = 5) является первым элементом, у которого начинает заполняться электронами 2p - AO. Его электронная конфигурация: [Не] 2s2p1 .
Дальнейшее заполнение электронами АО у атомов элементов второго периода с увеличением их порядкового номера представлено в табл. 2.
У атомов неона полностью заполнены все три 2p - AO. Этот элемент завершает второй период, емкость которого в соответствии с электронной емкостью s- и p- AO равна восьми элементам: от лития до неона. Электронная конфигурация у неона очень устойчива.
2.7. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням у элементов больших периодов
Формирование четвертого и последующих периодов сложнее, чем у элементов малых периодов.
В соответствии с первым правилом Клечковского четвертый период начинает заполняться электронами с 4s – AO у калия [Ar] 4s1 и [Ar] 4s2 – у кальция. В последующем в соответствии со вторым правилом Клечковского происходит заполнение 3d – подуровня, начиная с элемента скандия [Ar] 3d14s2 (табл. 3).
42