§ 2.3. Принципи заповнення атомних орбіталей

Для визначення стану електрона в атомі важливе значення мають: принцип мінімуму енергії, що визначає заповнення АО з найменшою енергією: (1s2s2p3s3р4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s);принцип Паулі, що диктує присутність на АО не більше 2-х електронів із протилежно спрямованими спинами, іправило Хунда, що показує заповнення АО електронами так, щоб їх сумарний спін був максимальним.

Принцип Паулі.

В атомі не може бути двох електронів, у яких усі чотири квантових числа були б однакові (1925 р).

Спробуємо «створити» електронні оболонки атомів, користуючись принципом Паулі. Мінімальне значення головного квантового числа n дорівнює 1. Йому відповідає тільки одне значення орбітального квантового числа , що дорівнює нулю (s-орбіталь). Сферична симетрія s-орбіталей виражається у тому, що при =0 у магнітному полі існує тільки одна орбіталь з =0 . На цій орбіталі може знаходитися один електрон з будь-яким значенням спіна (наприклад, електронна формула Гідрогену: 1s¹) чи дваз протилежним значенням спінів (наприклад, електронна формула Гелію: 1s²). Таким чином, при значенніn=1 може існувати на першому енергетичному рівні не більше двох електронів.

Тепер почнемо заповнювати орбіталі з n=2 (на першому рівні вже є два електрони). Величиніn=2 відповідають два значення орбітального числа: 0 (s-орбіталь ) і 1 (р- орбіталь ). При =0 існує одна орбіталь, при =1 – три орбіталі (зі значеннями :-1, 0, +1). На кожній з орбіталей може знаходитися не більше двох електронів, так що значеннюn=2 відповідає максимум 8 електронів. Загальне число електронів на рівні із заданим n можна обчислити, таким чином, за формулою 2n² (див. табл. 3,4).

Правило Хунда.

Стійкому стану атома відповідає такий розподіл електронів у межах енергетичного підрівня, за якого абсолютне значення сумарного спіна атома | S | максимальне.Стійкий стан атома – це стан з максимальним числом неспарених електронів. Наприклад: електронна будова атома карбону₆С1s²2s²2p² може бути описана різними варіантами електронно-графічних формул.

Заборонено :

а)2р

↑↓

|S|=0

б)2р

↑

↓

|S|=0

Дозволено:

в)2р

↑

↑

|S|=1

Стан в) – більш стійкий, тому що абсолютне значення його сумарного спіна |S|максимальне.

Конкретна реалізація принципу мінімуму енергії відображується правилами Клечковського. Послідовність заповнення атомних орбіталей у залежності від значень nі була сформульована радянським вченим Клечковським.

Перше правило Клечковського.

При збільшенні заряду ядра атома послідовне заповнення електронних орбіталей походить від орбіталей з меншим значенням суми (n+) до орбіталей з більшим значенням цієї суми.

Наприклад, атом калію, електронна формула якого 1s² 2s² p⁶ 3s²p⁶d⁰4s¹, на третьому енергетичному рівні має тільки вісім електронів з 18-ти можливих. Чому електрон заповнює 4s, а не 3d – підрівень? Розрахувавши для атома калію за правилом Клечковського суму (n+) для3d(3+2=5) і 4s(4+0=4) підрівней, робимо висновок, що, у першу чергу, повинен заповнюватися 4s, а потім 3d-підрівень.

Друге правило Клечковського.

Якщо в орбіталях сума головного квантового числа та орбітального квантового числа (n+) однакова, то заповнюється в першу чергу орбіталь з меншим значенням головного квантового числа n.

При заповненні електронних орбіталей атома Скандію електронна формула якого 1s²2s²p⁶3s²p⁶d¹4s²,електрон заповнює 3d(3+2=5), а не 4р(4+1=5)- підрівень у відповідності з другим правилом Клечковського.

У деяких атомів спостерігається явище «електронного проскакування», як, наприклад, в атому хрому: Cr3d⁴4s²→3d⁵4s¹чи в атому міді:Cu3d⁹4s²→3d¹⁰4s¹. Це обумовлено підвищеною енергетичною стійкістю електронних конфігурацій з цілком (атомСu) чи наполовину заповненим підрівнем (атомCr ).

Питання для самоконтролю

1. Наведіть теорії з будови атома.

2. Які квантові числа ви знаєте, їх фізичний зміст?

3. За якими правилами відбувається заповнення електронами атомних

орбіталей?

4. Які значення магнітного квантового числа відповідають

орбітальному квантовому числу =1?

5. Яке максимальне число електронів відповідає підрівню з =1?

Чому?

6. Чому на 3-му енергетичному рівні не може бути більше 18

електронів? Покажіть це, виходячи з комбінації квантових чисел.

7. Який енергетичний підрівень буде першим заповнюватись

електронами: 3d або 4s?

8. Який енергетичний підрівень буде першим заповнюватись

електронами: 3d або 4р?

9. Розрахуйте сумарний спін для Mn⁺².

10. Який стан більш стійкий Fe⁺² або Fe⁺³?

11. Напишіть електронні формули (розподіл електронів за рівнями та

підрівнями) для :₂₅Mn⁰, Mn⁺⁴, Mn⁺⁶.

Р о з д і л 3

ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д.І. МЕНДЕЛЄЄВА. ЗАКОНОМІРНОСТІ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ