2.3 Законы, определяющие положение электронов в атоме

1. Любая частица стремится к минимальному запасу потенциальной энергии.

Электрон атома водорода занимает нижний энергетический уровень: ₁Н 1S¹ - электронная формула атома водорода.

- электроннографическая схема атома водорода.

2. Запрет Паули

В атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковые значения всех четырёх квантовых чисел.

Таким образом, запрет Паули определяет электронную ёмкость орбиталей, подуровней и уровней.

Электронная ёмкость уровней рассчитывается по формуле:

N = 2n²,

где N – число электронов на данном уровне,

n – главное квантовое число.

3. Принцип Хунда

На данном энергетическом подуровне электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальным.

7N		1S2 2S2 2p3
		ΣS = ± 1/2 · 3 = 1,5

4. Первый закон Клечковского

Электронами в первую очередь заполняются орбитали с меньшим значением суммы главного и орбитального чисел, а затем уже орбитали с большим значением суммы этих двух чисел.

	Σ1(n + l)	< Σ2(n + l)

	1S	2S	2p	3S	3p	3d	4S	4p
Σ(n+l)	1	2	3	3	4	5	4	5

Согласно первому закону Клечковского, в первую очередь заполняются электронами nS-орбитали, а затем (n-1)d, которые имеют больший запас потенциальной энергии.

Например, сначала заполняются электронами орбитали 4S, а затем орбитали 3d.

18Ar…3S23p63d0

19K…3S23p63d04S1

20Ca…3S23p63d04S2

21Sc…3d14S2

5. Второй закон Клечковского

Если две орбитали имеют одинаковое значение суммы главного и орбитального чисел, то в первую очередь электронами заполняется та орбиталь, у которой главное квантовое число имеет меньшее значение.

Σ₁(n + l ) = Σ₂(n + l )

1S	2S	2p	3S
1	2	3	3

Из двух орбиталей с одинаковым значением сумма n и l (2p и 3S) в первую очередь принимает электроны орбиталь 2p.

3. Периодическая таблица Менделеева

Таблица состоит из 7 периодов. Первые три периода малые, последние четыре периода большие.

Физический смысл номера периода заключается в том, что номер периода соответствует главному квантовому числу.

3.1 Формирование малых периодов

Ёмкость первого энергетического уровня равна двум электронам (N=2), следовательно, первый период состоит из двух элементов:

S-элементами называют элементы, у которых заполняются электронами S-подуровни.

 

Ёмкость второго энергетического уровня N = 8. Длина второго периода составляет 8 элементов.

В силу первого закона Клечковского длина и строение третьего периода в точности повторяют второй: два S - элемента, шесть P - элементов.

Каждый период начинается с двух S – элементов, которые, за исключением водорода и гелия, являются самыми активными металлами.

Каждый период заканчивается активными неметаллами, за исключением благородных газов - химически инертых веществ.

Признаком металличности элементов является их способность терять свои валентные электроны.

Ме0 - е		Ме+	реакция окисления
восстановитель

Мера металличности элементов является мерой их восстановительной способности.

Металличность элементов имеет количественную характеристику - энергию ионизации

Е_I, эВ/ат.

Энергия ионизации – энергия, необходимая для отрыва электрона от атома.

Чем ниже эта энергия, тем более активным металлом является данный элемент.

Электрон самопроизвольно отрывается от атома в том случае, если Е_j 40 эВ/ат.

Ионизационный потенциал также характеризует отрыв электрона от атома

U_I B/ат.

Признаком неметалличности элементов является способность принимать электроны, т.е. окислительная способность.

Cl0	+ е		Cl- реакция восстановления
	окислитель

Количественной характеристикой неметаличности элементов является сродство к электрону – F эВ/ат.

Сродство к электрону – энергия, необходимая для отрыва принятого электрона.

Чем выше сродство к электрону, тем более сильным окислителем, т.е. неметаллом, является данный элемент.

Существует суммарная характеристика сродства к электрону и энергии ионизации. Это так называемая, относительная электроотрицательность элементов.

Относительная электроотрицательность показывает способность атомов притягивать к себе электроны при связывании с другими атомами.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют ряд электроотрицательности элементов, предложенный американским химиком Л. Полингом.

Элементы	Z	R,нм	EI, эв/ат	F, эв/ат	Электроотрицательность (ЭО)
Li	3	0.55	5.39		1,0
F	9	0.064	17.4	3.61	4.0
Na	11	0.189	5.14		0.9
Cl	17	0.099	12.07	3.45	3.0
Be	4	0.113	9.32		1.5
Mg	12	0.160	7.65		1.2

 

Электроотрицательность измеряется в относительных величинах. Наиболее электроотрицательным из всех элементов является фтор (F) - его электроотрицательность в шкале Полинга принята равной 4,0. Остальные элементы по сравнению с фтором имеют меньшую электроотрицательность .