Итак, каждое из четырех квантовых чисел "отвечает" за определенный аспект характеристики электронного состояния. Набор всех четырех квантовых чисел позволяет полностью охарактеризовать состояние электрона в атоме с позиций квантово-механической модели.

1.7. Квантовые ячейки

Существует очень простая и наглядная система обозначений, в которой принято символически изображать каждую орбиталь клеткой (так называемой квантовой ячейкой) (рис. 1.5.), а значения спинового квантового числа ото-

ждествлять с направлением стрелки: ↑ (ms = + ½), ↓ (ms = - ½).

Согласно правилу Хунда (принципу максимальной мультиплетности)

абсолютное значение суммарного спинового числа электронов данного энергетического подуровня должно быть максимальным.

s-подуровень

p-подуровень

d-подуровень

f-подуровень

Рис. 1.5. Квантовые ячейки

Другими словами, в основном состоянии атома (такое состояние отвечает его минимальной энергии) максимальное число квантовых ячеек должно быть занято электронами, поэтому при построении схемы распределения электронов по квантовым ячейкам следует сначала помещать по одному электрону в каждую из них (спины всех электронов данного подуровня должны быть па-

29

раллельными), и только после того, как одиночные электроны заполнят все ячейки, в них помещается второй электрон с антипараллельным спином.

Например, единственно верным вариантом распределения четырех электронов на d-энергетический подуровень является следующий:

↑↑ ↑ ↑

d-подуровень

т.к. именно в этом случае суммарное спиновое число достигает максимального значения: +½+½+½+½ = +4/2.

Электроны с одинаковыми значениями квантового числа ms (т.е. электроны с параллельными спинами) называют неспаренными. Именно эти электроны играют решающую роль в процессе образования химической связи между атомами, определяя их валентные состояния.

Если же число электронов превышает количество квантовых ячеек, то нахождение электронов в одной и той же квантовой ячейке возможно лишь в том случае, если значения спиновых квантовых чисел этих электронов противоположны (такие электроны с антипараллельными спинами называют спаренными). Например, семь электронов заполняют ячейки d-состояния следующим образом:

d-подуровень

При получении атомом дополнительной энергии он переходит из основного в возбужденное состояние. При этом электроны из полностью заполненных орбиталей переходят на вакантные орбитали того же энергетического подуровня. Число неспаренных электронов при этом увеличивается, и валентные возможности атома изменяются.

Из принципа Паули следует, что в одной и той же квантовой ячейке (квантовые числа n, ℓ, mℓ для таких электронов уже совпадают) могут находиться максимум два электрона с противоположными значениями спинового

30

квантового числа ms. Это позволяет установить предельную емкость каждого энергетического подуровня (рис. 1.6.).

Рис. 1.6. Максимальная емкость энергетических подуровней

Итак, каждый энергетический подуровень имеет ограничения по количеству электронов, которые его заполняют.

1.8. Электронные формулы атомов

Представить электронное строение многоэлектронного атома – это значит в условной форме дать распределение электронов этого атома по энергетическим уровням и подуровням, т.е. составить так называемую электронную формулу атома. Электронная формула – это своего рода шифр, основу которого составляют квантовые числа. Электронная формула атома строится из блоков вида:

nℓx,

где: n – главное квантовое число (номер энергетического уровня, его зна чение указывается цифрой 1,2,3, 4,5,...), ℓ – орбитальное квантовое число (его значение обозначается соответствующей латинской буквой s, p, d, f), x – число электронов, находящихся в данном квантовом состоянии.

31

Например, запись 4d7 означает, что семь электронов занимают четвертый энергетический уровень, d-подуровень, т.е. для этих семи электронов n=4 и ℓ=2.

Электронная формула атома составляется для его основного состояния, т.е. для состояния, которому отвечает минимальная энергия. При составлении электронных формул следует производить заполнение энергетических подуровней в порядке роста их энергии, низшие по энергии подуровни всегда заполняются первыми (принцип наименьшей энергии).

Энергия подуровней растет в соответствии с ростом суммарного значения квантовых чисел n + ℓ, а в случае их равенства первым заполняется подуровень с меньшим значением n.

Порядок заполнения легко вывести из диаграммы, представленной на рис. 1.7.

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f,...

энергия

Рис. 1.7. Диаграмма энергетических подуровней

32

В этой диаграмме в столбик выписаны энергетические подуровни каждого из семи уровней. При движении справа налево по диагонали данной диаграммы Вы получаете порядок, в котором следует заполнять энергетические подуровни электронами при составлении электронных формул атомов.

Учитывая рассмотренные выше закономерности, электронные формулы атомов алюминия (порядковый номер элемента 13, атом содержит 13 электронов) и скандия (порядковый номер элемента 21, атом содержит 21 электрон) можно представить в виде:

13Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 или 21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2,

если чисто формально скомпоновать подуровни третьего энергетического уровня вместе.

Электронные формулы многоэлектронных атомов можно представить в более краткой форме, если учесть, что полностью застроенные оболочки характеризуют электронное состояние благородных газов – элементов, завершающих каждый период периодической системы Д. И. Менделеева:

He (1s2),

Ne (1s22s22p6),

Ar (1s22s22p63s23p6),

Kr (1s22s22p63s23p63d104s24p6),

Xe (1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6),

Rn (1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p6).

Поэтому в электронных формулах можно указать символ соответствующего благородного газа в квадратных скобках, а далее привести рас-

33

пределение тех электронов атома, число которых превышает число электронов в атоме этого благородного газа. Для рассмотренных выше полных электронных формул алюминия и скандия такая модификация дает следующий результат:

13Al [Ne] 3s2 3p1

21Sc [Ar] 3d1 4s2

Электроны внешнего (последнего) энергетического уровня и, как правило, предвнешнего (предпоследнего) уровня d-подуровня, если он застроен не-

полностью, называют валентными электронами.

Так, валентными электронами Al считаются 3s2 3p1, а Sc - 3d14s2.

Наряду с электронными формулами атомов используют и так называемые электронно-графические формулы, основанные на рассмотренных выше представлениях о квантовых ячейках. В этом случае каждый энергетический подуровень представляется набором соответствующих квантовых ячеек, которые заполняют электронами согласно требованиям принципа Паули и правила Хунда.

Например, электронно-графические формулы атомов алюминия и скандия выглядят так:

34