11. Электронное строение атомов

Состояние электронов в атоме описывается четырьмя квантовыми числами:

n - главное квантовое число, может принимать любые целочисленные значения от единицы до бесконечности;

L - орбитальное (побочное) квантовое число, может принимать любые целочисленные значения от 0 до (n-1);

m_L - магнитное квантовое число, может принимать любые целочисленные значения от - L до + L (включая 0);

m_s - спиновое квантовое число, принимает значения +1/2 и -1/2.

При своем движении вокруг ядра электрон образует «облако», которое называется электронной орбиталью. Более строго, электронная орбиталь определяется как геометрическое место точек в пространстве вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона не равна нулю. Размер орбитали определяется как пространство возле ядра, внутри которого вероятность нахождения электрона составляет 95%. Форма орбитали определяется замкнутой поверхностью, в каждой точке которой вероятность нахождения электрона одинакова. Эта поверхность ограничивает объем пространства возле ядра, внутри которого вероятность нахождения электрона равна 95%.

Совокупность орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа называется электронным слоем (уровнем). Совокупность орбиталей с одинаковыми значениями n и L называется подуровнем.

Физический смысл квантовых чисел

Главное квантовое число определяет энергию (Е) и размеры (условный радиус R) орбиталей. Если заряд ядра (Z) не меняется, то ориентировочно можно считать Е  -1/n² и Rn².

Орбитальное квантовое число определяет форму орбитали и влияет на энергию (см. ниже правила Клечковского) и размеры орбиталей. Четыре основные формы орбиталей: s - сферическая, p - гантелеобразная, d - четырехлепестковая «розетка» и «гантель с тором», f - шестилепестковая «розетка». Рисунки этих орбиталей можно найти в любом учебнике по общей химии для вузов.

Магнитное квантовое число определяет ориентацию орбиталей в пространстве. Число различных значений m_l равно числу различных ориентаций орбиталей данного типа в пространстве.

Спиновое квантовое число определяет два возможных направления вращения электрона вокруг оси, совпадающей с направлением движения электрона, по часовой стрелке (такой электрон обозначается символом ) и против часовой стрелки ().

Строение электронных

Первый слой (К): одна s-орбиталь. Она образует 1s-подуровень.

1s

(цифра 1 означает, что это первый слой).

Второй слой (L): одна s-орбиталь и три p-орбитали. р-Орбитали отличаются друг от друга ориентацией в пространстве: одна вытянута вдоль оси х (p_x) , другая - вдоль оси у (p_y), третья - вдоль оси z (p_z). s-Орбиталь образует 2s-подуровень. Все р-орбитали второго слоя образуют 2р-подуровень.

2s 2p_x 2p_y 2p_z

Третий слой (М): одна s-орбиталь (3s-подуровень), три р-орбитали (3р-подуровень), пять d-орбиталей (3d-подуровень).

3s 3p_x 3p_y 3p_z 3d_xy 3d_xz 3d_yz 3d_x-y 3d_z

Четвертый слой (N): одна s-орбиталь (4s-подуровень), три р-орбитали (4р-подуровень), пять d-орбиталей (4d-подуровень), семь f-орбиталей (4f-подуровень).

В пятом и последующих слоях (О, Р, Q ...) появляются новые электронные орбитали (g, h ....), однако такие электронные состояния не реализуются вследствие достаточности s-, р-, d- и f-состояний. Поэтому пятый, шестой и седьмой уровни имеют такое же строение, как и четвертый слой.

Необходимо помнить, что атомы любого элемента, в принципе, могут иметь все вышеуказанные электронные орбитали. Однако вследствие ограниченного числа электронов и неравноценности орбиталей не все электронные состояния реализуются.