Раздел 2 Строение атома. Химическая связь

2.1 Строение атома

Порядковый номер химического элемента в периодической системе Д.И.Менделеева соответствует числу протонов в ядре атома элемента и числу электронов в электронной оболочке атома. Химические свойства соединений зависят в основном от строения внешних электронных уровней атомов элементов.

Описать строение электронных оболочек атомов можно с помощью принципа Паули, наименьших энергий и правила Гунда, используя для этого представления о квантовых числах.

Главное квантовое число ”n” в многоэлектронном атоме обозначает номер электронного уровня. Оно принимает целочисленные значения от 1 до ∞: n = 1, 2, 3, … и характеризует энергию электрона, размер электронного облака, число энергетических подуровней внутри каждого уровня.

Орбитальное квантовое число ”ℓ” характеризует электронные подуровни. Оно принимает для данного ”n” все целочисленные значения от 0 до (n  1): ℓ = 0, 1, 2…(n  1). Подуровни, характеризующиеся значениями ℓ, равными 0, 1, 2, 3, называют соответственно s-, p-, d-, f-подуровнями, а находящиеся на них электроны - s-, p-, d-, f - электронами. Все орбитали одного подуровня имеют одинаковую форму электронных облаков.

Магнитное квантовое число ”m_ℓ” принимает все целочисленные значения от –ℓ до + ℓ, включая ”0”: m_ℓ = 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3. Число значений ”m_ℓ” соответствует числу орбиталей в подуровне и их ориентации в пространстве.

Пример 1. Сколько орбиталей включает р-подуровень?

Решение. Для р-подуровня ℓ = 1. Число значений m_ℓ равно трем (+1, 0, -1 ), следовательно р-подуровень включает три р-орбитали (p_x, p_y, p_z) с их ориентацией по координатам x, y, z.

Спиновое квантовое число ”m_s” принимает два значения +1/2 и –1/2 и характеризует магнитное поле электрона. Если атом имеет два электрона, и оба они характеризуются m_s= +1/2, то суммарный спин равен 1; если один электрон атома характеризуется m_s= +1/2, а другой  m_s= 1/2, то суммарный спин равен нулю (правило Гунда). Электрон с соответствующим квантовым числом обозначается в электронно-графических формулах стрелочкой, например, ↓, что соответствует m_s= 1/2 или ↑  m_s= +1/2.

Система четырех квантовых чисел позволяет установить, как распределяются по уровням, подуровням и орбиталям электроны атома. Однако в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковыми наборами четырех квантовых чисел (принцип Паули). Он определяет общее число электронов в атоме.

Пример 2. Сколько электронов может содержать первый энергетический уровень?

Решение. Для первого уровня n = 1. Следовательно, ℓ = 0; m_ℓ = 0; m_s может быть +1/2 и –1/2. Кратко комбинации квантовых чисел можно выразить такой последовательностью: n, ℓ, m_ℓ, m_s. Для первого уровня можно составить следующие комбинации квантовых чисел 1, 0, 0, +1/2 и 1, 0, 0, 1/2. Отсюда следует, что первый уровень может содержать два электрона, а первый период таблицы Д.И.Менделеева должен содержать два элемента.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяют по формуле z = 2n², где n – номер энергетического уровня, совпадающий со значением главного квантового числа ( n = 1, 2, 3 и тд.).

Максимальное число электронов на энергетическом подуровне определяют по формуле z=2ּ(2ℓ+1), где ℓ – номер энергетического подуровня, совпадающий со значением орбитального квантового числа (ℓ = 0, z = 2; ℓ = 1, z = 6; ℓ = 2, z = 10; ℓ = 3, z = 14 ).

Заполнение электронами атомных орбиталей (АО) в многоэлектронных атомах основано на принципе наименьшей энергии. Каждый электрон занимает ту из доступных для него орбиталей, на которой его энергия будет наименьшей.

Последовательность заполнения электронами подуровней многоэлектронных атомов основана на этом же принципе и согласно правила Клечковского зависит от суммы (n+ℓ).

Впределах каждого значения суммы (n+ℓ) порядок заполнения подуровней соответствует возрастанию главного квантового числа.

Например,

Подуровни

а) 3s 3p ; б) 3d 4s ; в) 3d 4p

n 3 3 3 4 3 4

ℓ 0 1 2 0 2 1

n+ℓ 3 4 5 4 5 5

3s < 3p 4s < 3d 3d ≈ 4p

Е_3s< Е₃_рЕ_4s< Е_3d Е_3d ≈ E_4p

В случае в) при одинаковой сумме квантовых чисел предпочтение в распределении электронов по орбиталям следует отдать орбитали 3d, как имеющей меньшее значение n = 3.

Пример 3. Какова последовательность заполнения электронами таких подуровней, для которых сумма (n + ℓ) равна 5?

Решение. Составим таблицу возможных значений n и ℓ.

n + ℓ 5

n 3 4 5

ℓ 2 1 0

подуровни 3 d 4 p 5 s

Пример 4. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 12. Определите число электронов на внешнем уровне, к какому семейству элементов данный атом принадлежит, в каком периоде, группе он находится.

Решение. В соответствии с правилом Клечковского подуровни заполняются в такой последовательности: 1s 2s 2p 3s 3p. Из принципа Паули следует, что максимальное число электронов на s – подуровне равно 2, на p – подуровне 6. Суммарное число электронов составило 12: 1 s² 2 s² 2 p⁶ 3 s². Это элемент второй группы, так как на внешнем уровне два электрона на s-подуровне и поэтому он относится к семейству s-элементов. Элемент находится в третьем периоде, так как максимальное значение главного квантового числа равно трем.

Строение атома выражают электронной и электронно-графической формулами. Например, строение атома фтора с порядковым номером девять выражают электронной формулой: 1s² 2s² 2p⁵ и электронно-графической формулой:

⁹F