2.2. Принцип Паули

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, , m , может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Атомную орбиталь принято условно обозначать в виде клетки (“квантовая ячейка”): . Так для атома серы S (z=16) структура электронной оболочки будет иметь вид :

p

s

3 p

s или 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

2

s

1

2.3. Принцип наименьшей энергии

Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимуму 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 равен 1) единственный электрон находится в самом низком из возможных энергетических состояний, т.е. на 1s подуровне. Электронную структуру атома водорода можно представить:

s

H 1 или 1s¹ .

2.4. Правило Хунда

Порядок размещения электронов на подуровне подчиняется правилу Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

Электронное строение атома углерода выражается формулой 1s²2s²2p².

Этой формуле могли бы соответствовать следующие три схемы:

p p p

s s s

С 2 (1) 2 (2) 2 (3)

Однако устойчивому (невозбужденному) состоянию атома соответствует третья схема, для которой суммарный спин атома максимальный, он равен 1, для первой и второй схемы спин атома равен 0.

2.5. Изображение электронного строения атома

Последовательность заполнения атомных электронных орбиталей в зависимости от значений главного и орбитального квантовых чисел была исследована советским ученым Клечковским.

Первое правило Клечковского: при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+ ) к орбиталям с большим значением этой суммы.

У атома калия с зарядом ядра +19: для 3d-орбиталей (n=3, =2) сумма (n+ ) равна 5 , а для 4s-орбитали (n=4, =0) – равна 4. Следовательно , 4s-подуровень будет заполняться раньше, чем подуровни 3d: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹

Второе правило Клечковского: при одинаковых значениях суммы n+ заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа. У атома скандия с зарядом ядра +21: для 3d-орбиталей (n=3, =2), 4p- орбиталей (n=4, =1), 5s-орбитали (n=5, =0) сумма n+ равна 5. В этом случае заполнение начнется с подуровня, обладающего наименьшим значением главного квантового числа, т.е. с 3d-подуровня: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²

s d

4 p

или s

3

Задачи

№1. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого =2? =3?

№2. Какое максимальное число электронов может содержать атом в электронном слое с главным квантовым числом n=4?

№3. Определить по правилу Клечковского последовательность заполнения электронных орбиталей, характеризующихся суммой n+ :

а) 5; б) 6; в) 7.

№4. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28 . Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам.

№5. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 17 и 29 . У последнего происходит провал 4s-электрона на 3d- подуровень.

№6. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5p? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

№7. Указать порядковый номер элемента, у которого:

а) заканчивается заполнение электронами орбиталей 4d;

б) начинается заполнение подуровня 4p.

№8. Какой подуровень заполняется в атомах после подуровня 5s?

№9. У какого элемента начинается заполняться подуровень 4f?

У какого элемента завершается заполнение этого подуровня?

№10. Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации:

а) 1p³; б) 3p⁶; в) 3s²; г) 2s²; д) 2d⁵; е) 5d²; ж) 3f¹²; з) 2p⁴; и) 3p⁷.

№11. Какие элементы в периодической системе носят название s-,p-,d- и f- элементов ? Приведите примеры.

№12. Какие значения могут принимать квантовые числа n, ,m и m_s, характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

№13. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42 , учитывая, что у последнего происходит провал одного 5s –электрона на 4d- подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

№14. Приведены квантовые числа: 1) n; 2) ; 3) m ; 4)m_s:

а) Какое квантовое число определяет размер электронного облака;

б) Какое квантовое число определяет форму электронного облака;

в) Какое квантовое число имеет максимальное значение на единицу меньше , чем главное квантовое число;

г) Какое квантовое число определяет пространственную ориентацию орбиталей в магнитном поле ?

№15. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы :

а) B; б) S; в) As; г) Cr; д) Hg; е) Eu?

№16. Электронная структура атома описывается формулой

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Какой это элемент?

№17. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми

номерами 14 и 40 . Какие электроны этих атомов являются валенными?