Основные положения строения электронных оболочек атомов
Электронные формулы. Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией. Эти кофигурации записывают при помощи так называемых электронных формул. Электронная формула составляется из числовых коэффициентов, которые указывают на номера энергетических уровней, и буквенных обозначений подуровней. Количество электронов на атомных орбиталях подуровней указывают арабскими цифрами, которые записывают справа вверху от буквенных обозначений подуровней. Например, электронная формула атома алюминия:
+13Al 1s22s22p63s23p1
Как было показано выше, состояние электронов можно описать набором четырёх квантовых чисел, но для объяснения строения электронных оболочек атомов нужно знать ещё три основных положения: 1) принцип Паули, 2) принцип наименьшей энергии (правило Клечковского), 3) правило Гунда.
Принцип Паули. В 1925 году австрийский физик Паули установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запретом Паули): в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы.
Из принципа Паули непосредственно вытекает, что на одной атомной орбитали не может находиться более двух электронов. Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и ml: один с ms = +1/2, другой с ms = -1/2. Напротив, если проекции спина двух электронов одинаковы, то должно отличаться одно из квантовых чисел n, l или ml.
Принцип Паули даёт возможность рассчитать ёмкость энергетических уровней и подуровней (таблица).
Таблица
Энергетический уровень, n |
Энергетический подуровень, l |
Значения магнитного квантового числа, ml |
Число орбиталей на подуровне
|
Число орбиталей на уровне |
Максимальное число ē на поду-ровне |
Максимальное число ē на уровне
|
(1) К |
0 (1s) |
0 |
1 |
1 |
2 |
2 |
(2) L |
0 (2s) 1 (2p) |
0 -1, 0, +1 |
1 3 |
4 |
2 6 |
8 |
(3) М |
0 (3s) 1 (3p) 2 (3d) |
0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 |
1 3 5 |
9 |
2 6 10 |
18 |
Из таблицы видно, что общее число атомных орбиталей на данном энергетическом уровне равно n2. Учитывая, что на каждой орбитали могут находиться лишь два электрона, ёмкость энергетического уровня будет равна: N = 2n2. Отсюда ясно, что на первом энергетическом уровне может быть не более двух электронов, на втором – восемь, на третьем – восемнадцать и т. д.
Из таблицы следует также, что подуровень, в свою очередь, состоит из атомных орбиталей (энергетических состояний), определяемых числом возможных значений ml, т. е. 2l + 1.
Следовательно, можно рассчитать максимальное число электронов на подуровнях: s-подуровень состоит из одной атомной орбитали ёмкостью в два электрона, р-подуровень состоит из трёх эквивалентных (в квантовой механике говорят трёхкратновырожденных) атомных орбиталей и имеет ёмкость в шесть электронов и т. д.
Правило Хунда (сформулировано в 1927 году немецким физиком Хундом) определяет, в каком порядке электроны заполняют атомные орбитали подуровня: суммарный спин электронов в атомных орбиталях данного подуровня должен быть максимальным. Иными словами, атомные орбитали данного подуровня сначала заполняются по одному, а затем по второму электрону.
Например, в атоме азота (+7N 1s22s22p3) три электрона на 2р-подуровне будут располагаться по одному в трёх ячейках, т. е. размещаться на трёх разных р-орбиталях. В этом случае суммарный спин равен 3/2, поскольку его проекция равна ms = +1/2 +1/2 +1/2 = 3/2.
Правило Клечковского. Распределение электронов в атоме осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии (сформулировано советским учёным Клечковским). Правило Клечковского определяет порядок заполнения подуровней: порядок заполнения электронами энергетических подуровней определяется стремлением электрона к минимальному значению суммы главного n и орбитального l квантовых чисел; при одинаковых значениях n + l в первую очередь заполняется подуровень с минимальным значением n.
Из этого правила следует, что энергия подуровня определяется суммой главного и побочного квантовых чисел, т. е. суммой n + l. Чем меньше эта сумма, тем меньше энергия подуровня. Рассмотрим это правило на примере распределения электронов в атоме К (z = 19). Предшествующий калию элемент аргон Аr находится в 3-м периоде периодической системы и имеет заряд ядра (z = 18). Его электронная формула: +18Ar 1s22s22p63s23p6
В атоме калия у очередного 19-го электрона появляется выбор: пойти на 3d, или поселиться на 4s. В соответствии с правилом Клечковского предпочтение отдаётся орбитали 4s, т. к. сумма n+l для орбитали 4s (4+0) =4 меньше суммы n + l для 3d (3+2=5). Следовательно электронная формула для атома К будет выглядеть так: 1s22s22p63s23p64s1.
Если сумма n + l одинакова для разных подуровней, то их энергия тем меньше, чем меньше главное квантовое число n. Например, в атоме +21Sc двадцать первый электрон мог бы разместиться как на 3d-, так и на 4р-подуровне (для них сумма n + l = 5). В соответствии с правилом Клечковского сначала заполняется 3d-подуровень, так как n меньше.
Принцип наименьшей энергии справедлив только для основных состояний атомов. В возбуждённых состояниях электроны могут находиться на любых орбиталях атомов.