2. Принцип Паули, правило Гунда. Заполнения атомных орбиталей.
Заселение электронами атомных орбиталей (АО) осуществляется согласно принципу наименьшей энергии, принципу Паули и правилу Гунда.
Принцип наименьшей энергии требует, чтобы электроны заселяли АО в порядке увеличения энергии элекронов на этих орбиталях. Это отражает общее правило – максимуму устойчивости системы соответствует минимум ее энергии.
Принцип Паули запрещает в многоэлектронном атоме находиться электронам с одинаковым набором квантовых чисел. Это означает, что два любых электрона в атоме (или молекуле, или ионе) должны отличаться друг от друга значением хотя бы одного квантового числа, то есть на одной орбитали может быть не более двух электронов с различными спинами (спаренных электронов). Каждый подуровень содержит 2l + 1 орбитали, на которых размещаются не более 2(2l + 1) электронов. Отсюда следует, что емкость s-орбиталей – 2, p-орбиталей – 6, d-орбиталей – 10 и f-орбиталей – 14 электронов. Если число электронов при заданном l просуммировать от 0 до n – 1, то получим формулу Бора–Бьюри, определяющую общее число электронов на уровне с заданным n:
|
|
|
Эта формула не учитывает межэлектронное взаимодействие и перестает выполняться при n ≥ 3.
Орбитали с одинаковыми энергиями (вырожденные) заполняются в соответствии с правилом Гунда: наименьшей энергией обладает электронная конфигурация с максимальным спином. Это означает, что если на p-орбитали три электрона, то они располагаются так: , и суммарный спин S = 3/2, а не так: , S = 1/2.
Вопросы для самоконтроля: Расписать электронное строение атомов 114 элементов периодической системы Д.И.Менделеева (таблица прилагается.).
|
Изображение с помощью граничных поверхностей s-, p-, d- и f-орбиталей. |
Электронное строение атомов элементов.
Z |
Символ элемента |
Электронное строение |
Z |
Символ элемента |
Электронное строение |
1 |
H |
1s1 |
42 |
Mo |
[Kr] 5s14d5 |
2 |
He |
1s2 |
43 |
Tc |
[Kr] 5s24d5 |
3 |
Li |
[He]2s1 |
44 |
Ru |
[Kr] 5s14d7 |
4 |
Be |
[He]2s2 |
45 |
Rh |
[Kr] 5s14d8 |
5 |
B |
[He]2s22p1 |
46 |
Pd |
[Kr] 5s04d10 |
6 |
C |
[He]2s22p2 |
47 |
Ag |
[Kr] 5s14d10 |
7 |
N |
[He]2s22p3 |
48 |
Cd |
[Kr] 5s24d10 |
8 |
O |
[He]2s22p4 |
49 |
In |
[Kr] 5s24d105p1 |
9 |
F |
[He]2s22p5 |
50 |
Sn |
[Kr] 5s24d105p2 |
10 |
Ne |
[He]2s22p6 |
51 |
Sb |
[Kr] 5s24d105p3 |
11 |
Na |
[Ne]3s1 |
52 |
Te |
[Kr] 5s24d105p4 |
12 |
Mg |
[Ne]3s2 |
53 |
I |
[Kr] 5s24d105p5 |
13 |
Al |
[Ne]3s23p1 |
54 |
Xe |
[Kr] 5s24d105p6 |
14 |
Si |
[Ne]3s23p2 |
55 |
Cs |
[Xe]6s1 |
15 |
P |
[Ne]3s23p3 |
56 |
Ba |
[Xe]6s2 |
16 |
S |
[Ne]3s23p4 |
57 |
La |
[Xe] 6s25d1 |
17 |
Cl |
[Ne]3s23p5 |
58–71 |
Ln (Ce–Lu) |
[Xe] 6s 25d 0–1 4f 2–14 |
18 |
Ar |
[Ne]3s23p6 |
72 |
Hf |
[Xe] 6s25d2 |
19 |
K |
[Ar]4s1 |
73 |
Ta |
[Xe] 6s25d3 |
20 |
Ca |
[Ar]4s2 |
74 |
W |
[Xe] 6s25d4 |
21 |
Sc |
[Ar] 4s23d1 |
75 |
Re |
[Xe] 6s25d5 |
22 |
Ti |
[Ar] 4s23d2 |
76 |
Os |
[Xe] 6s25d6 |
23 |
V |
[Ar] 4s23d3 |
77 |
Ir |
[Xe] 6s25d7 |
24 |
Cr |
[Ar] 4s13d5 |
78 |
Pt |
[Xe] 6s15d9 |
25 |
Mn |
[Ar] 4s23d5 |
79 |
Au |
[Xe] 6s15d10 |
15 |
P |
[Ne] 3p33s2 |
56 |
Ba |
[Xe]6s2 |
26 |
Fe |
[Ar] 4s23d6 |
80 |
Hg |
[Xe] 6s25d10 |
27 |
Co |
[Ar] 4s23d7 |
81 |
Tl |
[Xe] 6s25d106p1 |
28 |
Ni |
[Ar] 4s23d8 |
82 |
Pb |
[Xe] 6s25d106p2 |
29 |
Cu |
[Ar] 4s13d10 |
83 |
Bi |
[Xe] 6s25d106p3 |
30 |
Zn |
[Ar] 4s23d10 |
84 |
Po |
[Xe] 6s25d106p4 |
31 |
Ga |
[Ar] 4s23d104p1 |
85 |
At |
[Xe] 6s25d106p5 |
32 |
Ge |
[Ar] 4s23d104p2 |
86 |
Rn |
[Xe] 6s25d106p6 |
33 |
As |
[Ar] 4s23d104p3 |
87 |
Fr |
[Rn]7s1 |
34 |
Se |
[Ar] 04s23d14p4 |
88 |
Ra |
[Rn]7s2 |
35 |
Br |
[Ar] 4s23d104p5 |
89 |
Ac |
[Rn]5d17s2 |
36 |
Kr |
[Ar] 4s23d104p6 |
90–103 |
An (Th–Lr) |
[Rn]5f 2–146d 0–17s 2 |
37 |
Rb |
[Kr]5s1 |
104 |
Rf |
[Rn] 7s26d2 |
38 |
Sr |
[Kr]5s2 |
105 |
Db |
[Rn] 7s26d3 |
39 |
Y |
[Kr] 5s24d1 |
106 |
Sg |
[Rn] 7s16d5 |
40 |
Zr |
[Kr] 5s24d2 |
107–109 |
Bh, Hs, Mt |
[Rn] 7s26d5; 7s26d6; 7s26d7 |
41 |
Nb |
[Kr] 5s14d4 |
114 |
114 |
[Rn] 7s26d107p2 аналог Pb (82 + 32) |