4. Квантовые числа. Правила заполнения электронных орбиталей

Квантовые числа n, l, m_l и m_s их вариации являются решением уравнения Шредингера для атома водорода. Эти же квантовые числа характеризуют состояние электрона всех других атомов химических элементов периодической системы.

Главное квантовое число n определяет энергию электрона в поле ядра или атомного остова – характеризуют энергию квантового уровня. (Принимает значения от 1 до ∞. В настоящее время n максимальное = 4).

Орбитально квантовое число L (побочное или азимутальное) – характеризует частичную энергию электрона в атомной системе (начиная с атома Лития) и форму орбитали - характеризуют энергию квантового подуровня. Орбитали с одинаковым значением L называют вырожденными. Принимает значения от 0 до n-1. (т.е l бывают от 0 до 3 (т.е. s, p, d и f). Количество L=n-1.

Магнитное квантово число m_l – магнитное число определяет направление атомной орбитали в пространстве различных магнитных полей – т.е. характеризует пространственную ориентацию электронного облака. (Принимает значения от – L через 0 до + L). Общее число m_l= 2L+1

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями квантовых чисел n, l, и m_l, т.е определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называют атомной орбиталью.

ns подуровень m_l = 0 (1 орбиталь)

np подуровень m_l = -1, 0, 1 (3 орбитали)

nd подуровень m_l = -2, -1, 0, 1, 2 (5 орбиталей)

nf подуровень m_l =-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 (7 орбиталей)

Спиновое квантовое число m_s – характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг собственной оси. Принимает значения +1/2 и -1/2.

Общая характеристика электрона в многоэлектронном атоме определяется принципом Паули: В атоме не может быть двух электронов, у которых бы все 4 квантовые числа были бы одинаковы.

На каждой орбитали может располагаться только 2 электрона с противоположными спинами. В результате s подуровень может содержать только 2 электрона, p подуровень – 6 электронов (3 орбитали), d подуровень – 10 электронов (5 орбиталей), f подуровень (7 орбиталей) Распределение электронов по квантовым уровням происходит в соответствии с законом требования минимума энергии: электроны заполняют свободные орбитали с минимальной энергией.

1s/ 2s2p/ 3s3p/ 4s3d4p/ 5s4d5p/ 6s4f5d6p/ 7s5f6d7p/

Исследования показали, что свойства хим. элементов и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. (Формулировка периодического закона Менделеева: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.).

При сопоставлении периодической системы с электронным строением атома установлены следующие закономерности (атомы – в невозбужденном состоянии).

1. Число квантовых уровней у атома любого элемента равно номеру периода

2. На самом внешнем энергетическом уровне максимальное число электронов=8 (s²p⁶).

3. На предвнешнем квантовом уровне максимальное число электронов=18 (s²p⁶d¹⁰).

4. Максимальное число электронов в различных квантовых уровнях определяется по формуле 2n²

5. Число электронов равно положительному заряду ядра.

6. Каждый элемент в периодической системе отличается от предыдущего на 1 электрон. Появившейся электрон размещается в квантовой ячейке (атомной орбитали) с минимальной энергией.

Распределение электронов в атомах химических элементов подчиняется правилу Клечковского:

1) Заполнение электронных уровней в периодической системе происходит в порядке возрастания суммы n+l (раньше заполняется там, где меньше n+l).

2) Если для двух подуровней сумма n+l будет одинаковой, то заполняется подуровень с меньшим n.