Значения орбитального квантового числа: 0 1 2 3 4

Подуровень: s p d f g

При n = 1, l = 0, при n = 2, l = 0, 1, при n = 3, l = 0, 1, 2 и так далее. Таким образом,первый уровень имеет один подуровень: s- подуровень; второй – два: s- и р-подуровни; третий – три: s-, p- , d- подуровни и так далее. Отсюда ясно, что номер уровня указывает на число подуровней, которыми он располагает. Последовательность подуровней на каждом уровне такова: s-, p-, d-подуровни и так далее.

Энергетический подуровень – это совокупность электронных состояний, характеризующихся определенным набором квантовых чисел n и l.

Состояние электрона характеризуется определенными значениями главного и орбитального квантовых чисел. Например: запись 3р говорит о том, что электрон находится на третьем энергетическом уровне на р-подуровне.

Если l = 0, то область пространства (электронное облако), где вероятность нахождения электрона будет наивысшей, представляет собой сферу (s-облако). Если l = 1, то область наиболее вероятного нахождения электрона представляет собой объемную вытянутую восьмерку (р-облако); при l = 2 такая область пространства представляет собой объемный четырехлистник (d-облако).

Третьим квантовым числом является магнитное квантовое число m, оно характеризует число способов взаимной ориентации электронных облаков (орбиталей) в пространстве. Магнитное квантовое число зависит от значений орбитального квантового числа: m = -l … 0 …+l . Следовательно, для каждого l магнитное число m принимает (2l + 1) значений (каждому значению l соответствует ряд значений магнитного квантового числа, которые меняются от –l до +l, включая 0). Число значений магнитного квантового числа показывает число ориентаций электронного облака в пространстве, которые равны числу орбиталей на данном подуровне.

Если l = 0 (s), то m = 0, магнитное квантовое число имеет одно значение при данном значении орбитального квантового числа, следовательно, на s-подуровне имеется только одна орбиталь. При l = 1 (p), m = -1, 0, 1. Таким образом, р-подуровень состоит из трех орбиталей. Аналогичные рассуждения можно провести и для других значений орбитального квантового числа. Все орбитали, принадлежащие одному подуровню, имеют одинаковую энергию и называются вырожденными.

Общее число орбиталей, из которых состоит любой энергетический уровень (квантовый слой), равно n², а число орбиталей, составляющих подуровень, равно (2l + 1).

Теперь мы можем дать следующее определение орбитали:

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями квантовых чисел n, l и m, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называется атомной электронной орбиталью

Четвертым квантовым числом является спиновое квантовое число (s), которое характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением электрона вокруг собственной оси при его движении вокруг ядра. Это число может иметь только два значения либо +1/2, либо –1/2 (электрон может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки).

ПОРЯДОК ЗАПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ УРОВНЕЙ, ПОДУРОВНЕЙ И ОРБИТАЛЕЙ АТОМА

Структура атома с распределенными по уровням, подуровням и орбиталям электронами называется электронной конфигурацией атома. Электронную конфигурацию записывают с помощью электронной формулы. Например: запись 1s¹ означает, что электрон находится на первом энергетическом уровне (1 это значение главного квантового числа), на s-подуровне (буквой s ''кодируют'' значение орбитального квантового числа равное 0 (l = 0), а цифра 1 над буквой s показывает число электронов. Это электронная формула атома водорода. Каков же порядок заселения уровней, подуровней и орбиталей атома многоэлектронного? Распределение электронов в атоме, который находится в основном состоянии, определяется зарядом ядра атома. Электроны заселяют уровни, подуровни и орбитали атома в соответствии со следующими принципами.

1. Принцип минимальной энергии.

Основному (или устойчивому) состоянию атома соответствует минимальная суммарная энергия электронов.

Если атому сообщать энергию, то он переходит в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом неустойчив, в нем он существует примерно 10^-8 сек, а затем переходит в основное состояние, излучая при этом квант энергии. Энергия уровней и подуровней увеличивается в соответствии со схемой:

E(1s)‹E(2s)‹E(2p)‹E(3s)‹E(3p)‹E(4s)‹E(3d)‹E(4p)‹E(5s)‹E(4d)‹E(5p)‹E(6s)‹E(4f)‹E(5d).

В невозбужденном состоянии атома каждый новый электрон попадает на тот уровень и на тот подуровень, где его энергия будет минимальной.

2. Принцип Паули.

В атоме не может быть электронов, характеризующихся четырьмя одинаковыми квантовыми числами.

Из принципа Паули вытекает важное следствие, которое определяет максимальное число электронов в одной орбитали. Каждая орбиталь может вместить только два электрона, имеющих противоположно направленные спины. Два таких электрона, располагающиеся на одной орбитали образуют электронную пару. Покажем это на примере заселения электронами 1s-орбитали:

Квантовые числа n l m s

Первый электрон 1 0 0 + ½

Второй электрон 1 0 0 - ½

Теперь мы можем указать максимальное число электронов на подуровнях: s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴. Максимальное число электронов на каждом подуровне можно вычислить по формуле: 2(2l + 1).

3. Третий принцип – правило Хунда.

При заполнении электронами вырожденных орбиталей каждого данного подуровня число неспаренных электронов на нем должно быть максимальным.

Практически это означает, что, например, у атома азота на р-подуровне находится три электрона и все они должны занимать свою орбиталь (спаренных электронов у атома азота на р-подуровне быть не должно). Только у атома кислорода, когда уже все три орбитали заселены электронами, четвертый электрон занимает свое место уже в занятой другим электроном орбитали.

Если два электрона занимают две разные орбитали, то взаимодействие между ними будет меньше, меньше будет и общий запас энергии системы. Электрон, который один находится в орбитали, называется неспаренным электроном. Такие электроны согласно спиновой теории валентности определяют валентность элемента.