2. Строение атома

Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, в целом же атом – система электронейтральная. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Состояние электрона в атоме описывается при помощи набора четырех квантовых чисел: главного n, орбитальногоl, магнитногоm_lи спиновогоm_s. Определенные значения трех квантовых чисел (n, l ,m_l) описывают состояние электрона называемое атомной орбиталью (АО).

Главное квантовое число nопределяет энергию АО и номер энергетического уровня, на котором находится электрон, может принимать целочисленные значения от единицы до бесконечности.

Орбитальное квантовое число lопределяет форму АО и энергетический подуровень, может принимать значения от нуля доn-1.Исторически атомным орбиталям со значениямиl, равным 0, 1, 2, 3 присвоены буквенные обозначенияs-,p-,d-,f-. В графических схемах электронного строения атомов каждая орбиталь обозначается символомра

Магнитное квантовое число m_lопределяет пространственную ориентацию данной АО и отчасти ее форму, может принимать значения от –l…0…+l.

Спиновое квантовое число m_sхарактеризует собственный момент импульса и связанный с ним магнитный момент, может принимать значения ±1/2.

Последовательность распределения электронов в атоме по мере увеличения значений lиnвыражается электронными или электронно-графическими формулами.

При заполнении АО действует принцип Паули, из которого следует, чтов атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором значений четырех квантовых чисел. Состояние электронов в атоме должно отличаться значением хотя бы одного квантового числа.

Заполнение энергетических подуровней подчиняется правилу Хунда, согласно которомуэлектроны в основном состоянии в атоме располагаются так, чтобы модуль суммарного спина всех электронов подуровня был максимальным.Например, четыре валентныхp-электрона атома кислорода размещаются в квантовых ячейках следующим образом:

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в атомах выражается правилом Клечковкого:порядок заполнения определяется возрастанием суммы n+l, а при одинаковом ее значении первым заполняется подуровень с меньшим значением n в этой сумме:

1S2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s5d1(La)4f (лантаноиды)5d6p7s6d1(Ac)5f(актиноиды)6d…

Принадлежность элемента к электронному семейству определяется характером заполнения энергетических подуровней: s-элементы – заполнение внешнегоs-подуровня, например: Li: 1s²2s²;р-элементы – заполнение внешнегоp-подуровня, например: F: 1s²2s²2p⁵;d-элементы – заполнение предвнешнегоd-подуровня, например: V: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³;f-элементы – заполнениеf-подуровня второго снаружи уровня, например:Nd: 1s² 2s² 2p² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁴.

Для d- иf-элементов имеются отклонения от описанного способа заполнения АО – так называемыйпровал электрона. Это явление связано с тем, что для атома устойчивым состоянием является полностью или на половину заполненная АО, т. е.d¹⁰,d⁵,f¹⁴,f⁷. В ситуации, когда до достижения такого состояния не хватает одного электрона, он переходит («проваливается») с предыдущего уровня, например электронный паспорт серебра 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d⁹с учетом провала электрона: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d¹⁰.

Если на валентных энергетических уровнях имеются вакантные АО, то при получении электронами порции энергии (возбуждении атома) становится возможным «разъединение» валентных электронов, то есть их переходы с тех подуровней, где все АО заняты полностью () или частично () на другие валентные подуровни того же уровня, имеющие незаполненные АО. При этом с тех АО, которые в основном (соответствующем минимальной энергии атома) состоянии были заняты полностью, «уходит» по одному электрону последовательно, т. е. возможно несколько возбужденных состояний. Возбуждение меняет валентное состояние атома (число его неспаренных электронов).