4) Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Максимальное число электронов на энергетических уровнях и подуровнях.
Электронная конфигурация атома мож быть представлена:
1. Полная е-ная ф-ла: S16 [1s2 2s2 2p6]3s2 3p4. 16-порядк №. заряд ядра=число е.
2. Краткая е-ная ф-ла. S16 [Ne]3s2 3p4. [Ne] - внутрен е имеют такую же конфиг, как благ газ Ne.
3. Электронно-графич ф-ла для атома.
Электронная конфигурация (формула) атома - распределение электронов по орбиталям в основном (невозбужденном) состоянии этого атома и его ионов: 1s22s22p63s23p6
Для определения состояния электрона в многоэлектронном атоме важное значение имеет сформулированное В. Паули положение (принцип Паули), согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь, характеризующаяся определенными значениями n, l и m, может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Два таких электрона, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами, называются спаренными, в отличие от одиночного (т. е. неспаренного) электрона, занимающего какую-либо орбиталь.
Пользуясь принципом Паули, подсчитаем, какое максимальное число электронов может находиться на различных энергетических уровнях и подуровнях в атоме.
При д=0 т. е. на s-подуровне, магнитное квантовое число тоже равно нулю. Следовательно, на s-подуровне имеется всего одна орбиталь, которую принято условно обозначать в виде клетки ("квантовая ячейка"): .
Как указывалось выше, на каждой атомной орбитали размещается не более двух электронов, спины которых противоположно направлены. Это можно символически представить следующей схемой:
Итак, максимальное число электронов на s-подуровне каждого электронного слоя равно 2. При l=1 (р-подуровень) возможны уже три различных значения магнитного квантового числа (-1,0,+1). Следовательно, на р-подуровне имеется три орбитали, каждая из которых может быть занята не более чем двумя электронами. Всего на р-подуровне может разместиться 6 электронов:
Подуровень d
(l=2) состоит
из пяти орбиталей, соответствующих пяти
разным значениям m; здесь максимальное
число электронов равно 10:
Наконец,
на f-подуровне (l=3) может размещаться 14
электронов; вообще, максимальное число
электронов на подуровне с орбитальным
квантовым числом l равно 2(2l+1).
Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергии. Любое другое его состояние является возбужденным, неустойчивым: из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией. Поэтому в невозбужденном атоме водорода (заряд ядра z=1) единственный электрон находится в самом низком из возможных энергетических состояний, т. е. на 1s-подуровне. Электронную структуру атома водорода можно представить схемой
В атоме гелия (Z=2) второй электрон также находится в состоянии 1s. Его электронная структура (1s2— читается «один эс два») изображается схемой:
У этого элемента заканчивается заполнение ближайшего к ядру K-слоя и тем самым завершается построение первого периода системы элементов.
У следующего за гелием элемента — лития (Z=3) третий электрон уже не может разместиться на орбитали К-слоя: это противоречило бы принципу Паули. Поэтому он занимает s-состояние второго энергетического уровня (L-слой, n=2). Его электронная структура записывается формулой 1s2 2s1, что соответствует схеме:
Число и взаимное расположение квантовых ячеек на последней схеме показывает, что: 1) электроны в атоме лития расположены на двух энергетических уровнях, причем первый из них состоит из одного подуровня (1s) и целиком заполнен; 2) второй — внешний — энергетический уровень соответствует более высокой энергия и состоит из двух подуровней (2s и 2p); 3) 2s-подуровень включает одну орбиталь, на которой в атоме лития находится один электрон; 4) 2p-подуровень включает три энергетически равноценные орбитали, которым соответствует более высокая энергия, чем энергия, отвечающая 2s-орбитали; в невозбужденном атоме лития 2p-орбитали остаются незанятыми.