Начальный курс химии (Для студентов-иностранцев). В 2 частях. Ч. 1. Учебное пособие

z

y

Рис. 3. Изображение орбиталей:

а – s-орбитали; б – p-орбиталей; в – d-орбиталей

51

Таблица 3

Квантовые числа и характеристики электронных орбиталей

Энергия электрона в атоме зависит не только от значения главного квантового числа, но и от значения орбитального квантового числа, поэтому энергия электрона определяется суммой значений главного и орбитального квантовых чиселn + l. Электроны с одинаковыми значениямиn, но разными значениямиl отличаются запасом энергии.

3. Магнитное квантовое число (ml) определяет ориента-

цию орбиталей в пространстве и может принимать значения целых чисел от –l до +l, в том числе значение 0.

Так, при l = 0 ml = 0. Это означает, что s-орбиталь имеет одинаковую ориентацию относительно трех осей координат (см. рис. 3, а). При l = 1 ml может принимать три значения: -1; 0;

+1. Это означает, что существуют триp-орбитали (px, py, pz) с ориентацией по координатным осям x, y, z (см. рис. 3, б).

52

Магнитное квантовое число определяет число орбиталей на подуровне.

4. Четвертое квантовое число(ms) – спин может иметь только два значения +1/2 и -1/2.

Согласно принципу Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел. На одной орбитали может находиться не более двух электронов, и эти электроны имеют противоположные(антипараллельные) спины.

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на энергетических уровнях(N) по формуле N = 2n2, где n- главное квантовое число.

Орбиталь с двумя электронами, спины которых антипараллельны (квантовая ячейка), схематически изображают так: ↑↓.

Контрольные задания

1.Сколько энергетических подуровней находится на электронных слоях: K; L; M; N?

2.Определите число электронных орбиталей на каждом энергетическом уровне.

3.Какой слой образуют электроны с n = 3 и n = 5?

4.Какое значение имеет главное квантовое число на электронном слое M и P?

5.Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого а) l = 2; б) l = 3?

Контрольные вопросы

1.Какую природу имеет электрон?

2.Как можно представить электрон в атоме?

3.Что называется атомной орбиталью?

4.Как формулируются основные положения квантовой механики?

5.Что характеризует каждое квантовое число?

6.Как формулируется принцип Паули?

53

2.4. Электронные формулы атомов Словарь

Расположение электронов по энергетическим уровням и орбиталям изображают в виде электронных формул(конфигураций). В этих формулах энергетические уровни обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, а подуровни (орбитали) – буквами

s, p, d, f. Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается справа вверху от буквы, показывающей подуровень. Цифра, которая записывается слева снизу от символа элемента, показывает число электронов в атоме.

Последовательность заполнения электронных слоев опре-

деляется правилом наименьшего запаса энергии. Орбитали заполняются электронами в порядке возрастания их энергии, которая характеризуется суммой n + l (рис.4). При этом если сумма n + l двух разных орбиталей одинакова, то раньше заполняется та орбиталь, у которой n меньше (табл. 4). Порядок заполнения

электронных орбиталей энергии следующий (рис. 4):

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d10…

Например, атом водорода (порядковый номер 1) имеет один электрон, который расположен на s-подуровне 1-го энергетического уровня. Электронная формула атома водорода записывается так: 1H 1s1. Электронная формула атома гелия(порядковый номер 2) имеет вид 2He 1s2. Первый энергетический уровень содержит только один подуровень. Так как одна орбиталь может содержать не более двух электронов, то первый энергетический слой в атоме гелия является завершенным.

54

У элементов второго периода электроны заполняют сначала s-, потом p-подуровень второго энергетического уровня, на котором может находиться не более восьми электронов. Электронные

формулы некоторых элементов второго периода имеют вид

3Li 1s22s1; 4Be 1s22s2; 5B 1s22s22p1; … 10He 1s22s22p6.

На внешнем энергетическом уровне атома не могут находиться более восьми электронов, поэтому второй электронный слой атома неона является завершенным.

В атомах элементов третьего периода формируется третий энергетический уровень. Вначале заполняется s-подуровень, по-

том – p-подуровень, заполнение d-подуровня не происходит:

11Na 1s22s22p63s1 … 13Al 1s22s22p63s23p1 …18Ar 1s22s22p63s23p6.

У первых двух элементов четвертого периода после запол-

нения 3p-орбитали заполняется 4s-орбиталь, а не 3d-орбиталь:

19K 1s22s22p63s23p64s1 ; 20Ca 1s22s22p63s23p64s2.

55

Начиная с элемента №21 – скандия, происходит заполнение электронами d-подуровня третьего энергетического уровня. На этом подуровне может быть10 электронов, поэтому в атомах десяти элементов (Sc – Zn), начиная со скандия, заполняется

только 3d-подуровень:

21Sc 1s22s22p63s23p64s23d1 или 1s22s22p63s23p63d14s2.

Обе электронные формулы скандия тождественны. Первая из них записана в порядке заполнения электронами подуровней, вторая – по порядку номеров энергетических уровней. В дальнейшем электронные формулы записываются по порядку номе-

ров уровней энергии электронов:

25Mn 1s22s22p63s23p63d54s2 … 30Zn 1s22s22p63s23p63d104s2.

56

Достройка третьего энергетического уровня завершается у атома цинка. В атомах последующих элементов продолжает за-

полняться четвертый уровень:

31Ga 1s22s22p63s23p63d104s24p1 … 36Kr 1s22s22p63s23p63d104s24p6.

Заполнение энергетических уровней и подуровней атомов элементов 5-го периода происходит аналогично заполнению атомов элементов 4-го периода. Начиная с элемента № 39 – иттрия, у

десяти элементов (Y – Cd) происходит заполнение электронами

4d-подуровня: 39Y 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2 ; …

48Cd 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2. Далее 49In 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p1.

В атомах элементов 6-го и 7-го периодов, начиная соответственно с церия Ce (№ 58) и протактиния Pa (№ 91), появляются

электроны на f-подуровнях:

58Ce 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10 4f25s25p66s2;

91Pa 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10 4f145s25p65d105f26s26p66d17s2.

При написании электронных формул атомов некоторых элементов следует учитывать так называемый«проскок» («провал») электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний уровень. «Проскок» электрона – отступление от общей для большинства элементов последовательности заполнения электронных оболочек, связанные с тем, что это явление обеспечивает атомам некоторых элементов меньшую энергию по сравнению с заполнением электронных оболочек по правилу - наи меньшего запаса энергии.

Так, электронная формула хрома должна иметь: вид 1s22s22p63s23p63d44s2. Однако на внешнем уровне в атоме хрома

не два электрона, а один, т. к. второй электрон «проскочил» на

d-подуровень второго снаружи уровня. В таком случае расположение электронов в атоме хрома такое: 1s22s22p63s23p63d54s1.

Это объясняется тем, что энергетически более выгодно, ко-

гда в атоме имеется наполовину или полностью заполненный подуровень (р3; р6; d5; d10; f7; f14). Поэтому в атомах элементов, у ко-

торых строение электронной оболочки близко к вышеуказанному положению, может наблюдаться преждевременное заполнение

57

d-подуровня за счёт проскока электрона с внешнегоs-подуровня на нижележащий (предпоследний) d-подуровень.

«Проскок» электрона имеет место в атомах меди, серебра, золота, ниобия, молибдена и других элементов. В атоме палладия на пятом энергетическом уровне вообще отсутствуют электроны

– они «проскочили» на соседний уровень:

46Pd 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10 5s0.

В электронных формулах атомов часто полностью завер-

шенные энергетические уровни обозначаются символами электронных слоев, например 33As KLM4s24p3 или 33As [Ar] 3d104s24p3,

где [Ar] обозначает электронную оболочку атома аргона.

Контрольные задания

1. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого а) l = 2, б) l = 3?

2.Укажите элемент, у которого: а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбиталей; б) начинается заполнение электронами 4p-орбитали?

3.Напишите электронные формулы атомов элементов с за-

рядом ядра: а) +8, б) +13, в) +23, г) +53, д) +63, е) +83.

4.Среди приведенных ниже электронных формул укажите

невозможные и объясните причину невозможности их реализа-

ции: а) 1p3, б) 3p6, в) 3s2, г) 2d5, д) 5d2, е) 3f12, ж) 4p7.

Контрольные вопросы

1.Что показывает электронная формула?

2.Как формулируется правило наименьшего запаса энергии?

3.Что называется «проскоком» электрона? Напишите электронные формулы двух атомов с «проскоком электрона».

4.Какой электронный слой называется завершенным?

5.Атомы каких элементов имеют завершенные электронные слои?

58

2.5. Графические электронные формулы. Основное и возбужденное состояние атомов

Словарь

Электронные формулы часто изображают графически, используя приведенные ранее обозначения орбитали и электронов (квантовая ячейка). Графические электронные формулы показывают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по орбиталям.

Электронная формула атома хлора: 17Cl 1s22s22p63s23p5 в графическом виде имеет вид

В последней графической формуле не указанd-подуровень, на котором нет электронов.

Если p-, d- или f-подуровни не заполнены, то электроны занимают максимальное число орбиталей согласноправилу Гунда

59

(наибольшего суммарного спинового числа): суммарное спиновое число электронов данного подуровня должно быть максимальным.

Например, при заполнении электронами 2p-подуровня атома углерода возможны два варианта:

1)

Так как суммарный спин двух p-электронов в варианте 1

(ms = +1/2 + 1/2 = 1) больше, чем в варианте 2 (ms = +1/2 – 1/2 = 0), то заполнение орбиталей происходит по первому варианту.

Атомы могут находиться в основномили возбужденном состоянии. Атомы в основном состоянииобладают наименьшим количеством энергии. При получении извне дополнительной энергии атомы переходят в возбужденное состояние, которое сопровождается переходом электронов на свободную орбиталь более высокого энергетического уровня или подуровня. Энергия, необходимая для перехода атома в возбужденное состояние, называется энергией возбуждения. При этом энергия возбуждения при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой больше, чем при переходе электрона с одного подуровня на другой в пределах одного энергетического уровня.

Например, атом гелия в основном состоянии имеет электронную формулу: 2He 1s2. Возбуждение атома гелия сопровождается переходом электрона с первого энергетического уровня на второй, и электронная формула принимает вид: 2He* 1s12s1. При возбуждении атома бериллия (4Be 1s22s2) переход электрона осуществляется с 2s-орбитали на 2p-орбиталь в пределах одного энергетического уровня (4Be* 1s22s12p1), поэтому энергия возбуждения для бериллия меньше, чем для гелия.

60