Последовательность заполнения электронами уровней, подуровней, орбиталей в многоэлектронных атомах

Последовательность заполнения определяют:

1. принцип наименьшей энергии;

2. правило Клечковского;

3. принцип Паули;

4. правило Гунда.

Принцип наименьшей энергии: максимуму устойчивости системы соответствует минимум её энергии.

Эдлектроны будут вначале располагаться на атомных орбиталях, имеющих минимальную энергию, в этом случае связь электронов с ядром наиболее прочная и атомная система находится в состоянии максимальной устойчивости.

В многоэлектронных атомах электроны испытывают не только притяжение ядер, но и отталкивание электронов, находящихся ближе к ядру и экранирующих ядро от более далеко расположенных электронов. Поэтому последовательность возрастания энергии орбиталей усложняется.

Порядок возрастания энергии атомных орбиталей в сложных атомах описывается правилом Клечковского:

При увеличении заряда ядра атома заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l), а при равных значениях суммы (n+l) – в порядке возрастания n.

Соответственно этому правилу подуровни заполняются в следующей последовательности: 1s<2s<2p<3s<3p<4s≈3d<4p<5s≈4d<5p<6s≈4f≈5d<6p<7s≈5f≈6d.

Например:

кв.число подуровеньь	3d	4s	4p
n	3	4	4
l	2	0	1
n+l	5	4	5

Порядок заполнения: 4s, 3d, 4p.

Исключение составляют d и f – элементы с полностью и наполовину заполненными подуровнями, у которых наблюдается так называемый провал электронов, например: Cu, Ag, Cr, Mo, Pd, Pt.

Принцип Паули: в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел.

Согласно этому принципу, на одной орбитали, с определенными значениями трех квантовых чисел n, l и m_l, могут находиться только 2 электрона, отличающихся значением спинового квантового числа m_s, а именно m_s=+ и m_s=­­–, т.е. спины которых противоположно направлены. Это можно символически представить следующей схемой .

Принцип Паули определяет электронную емкость энергетических уровней и подуровней. На s – подуровне (одна орбиталь) – 2 электрона, на p – подуровне (три орбитали) – 6,

на d – подуровне (пять орбиталей) – 10,

на f – подуровне (семь орбиталей) – 14. Максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом l равно 2(2l+1). Поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно n², емкость энергетического уровня составляет 2n² электронов, где n –главное квантовое число.

Правило Гунда: устойчивому (основному, невозбужденному) состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спинового числа их (│∑m_s│) максимально.

Рассмотрим распределение электронов по энергетическим ячейкам в атоме углерода, электронная конфигурация которого 1s²2s²2p². Возможны три варианта:

а) б) в)

В соответствии с правилом Гунда реализуется только вариант (б)

Заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами. После того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.