4. Принципы заполнения электронами атомных орбиталей.

4.1. Принцип наименьшей энергии – стабильной является электронная конфигурация, для которой достигается минимум полной энергии.

4.2. Принцип Паули – каждый электрон в атоме имеет строго индивидуальный набор четырех квантовых чисел.

4.3. Правило Хунда – на орбиталях с одинаковым значением l электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин системы был максимальным (т.е. максимальное количество неспаренных электронов с одинаковым значением s).

4.4. Правила Клечковского:

1. Сначала происходит заполнение электронами орбиталей с минимальным значением суммы n + l.

2. При равенстве суммы n + l происходит заполнение орбитали с меньшим значением n.

Иллюстрация: порядок заполнения 4s – 3d – 4p

1. 4s (n + l = 4 + 0 = 4). K [Ar]4s¹ Ca [Ar]4s²

2. 3d (n + l = 3 + 2 = 5, n = 3). Sc [Ar]4s²3d¹ … Zn [Ar]4s²3d¹⁰

3. 4p (n + l = 4 + 1 = 5, n = 4). Ga [Ar]4s²3d¹⁰4p¹ … Kr [Ar] 4s²3d¹⁰4p⁶

Важные замечания:

1) Наполовину или полностью заполненный подуровень более устойчив, что иногда приводит к «проскоку» электрона: Cr 3d⁵4s¹ вместо 3d⁴4s², Cu 3d¹⁰4s¹ вместо 3d⁹4s².

2) При образовании ионов d – элеметов первыми удаляются s – электроны (V²⁺ 3d³4s⁰, а не 3d¹4s²).

3) Заполнение подуровня электронами начинается с орбитали, для которой m = max.

Задача 1. В таблице 9.2. приведены возможные наборы квантовых чисел.

Таблица 9.2. Возможные наборы квантовых чисел электрона в атоме.

n	l	m	s
3	2	2	1/2
2	2	0	1/2
3	2	–3	–1/2
4	1	0	0

1) Среди представленных наборов укажите тот, который корректно определяет орбиталь атома.

2) Определите химический элемент, имеющий на этой орбитали один электрон.

3) Запишите полную электронную конфигурацию атома этого элемента.

4. Основные характеристики атома.

4.1. Радиус атома. Радиус атома – условное понятие, определяемое как полусумма расстояний между ядрами соседних атомов. В зависимости от способа определения различают разные типы атомных радиусов (ковалентные, металлические, ионные).

Закономерности в изменении радиусов атомов:

• При движении по группе – рост (увеличение числа электронных оболочек). Замедление роста при появлении d- и f-электронов (появление внутренних электронов, сильнее связанных с ядром).

• При движении по периоду – в целом уменьшение (рост заряда ядра, усиление притяжения электронов к ядру при сохранении числа электронных оболочек). Особенно это проявляется для d – элементов (d – сжатие) и f – элементов (лантанидное сжатие).

4.2. Энергия (потенциал) ионизации I – энергия, необходимая для отрыва от атома одного внешнего электрона и удаления его на бесконечно большое расстояние. Для любого атома и любой пары потенциалов I_n+1 > I_n (закон Кулона). Первый потенциал ионизации – это энергия высшей заполненной орбитали атома, взятая с противоположным знаком.

4.3. Сродство к электрону (энергия сродства к электрону) A_e – изменение энергии в процессе присоединения к атому одного бесконечно удаленного от него электрона. Для атома существует первая, вторая и т.д. энергия сродства к электрону, но наиболее информативной является первая. Сродство к электрону, как правило, рассчитывают из цикла Габера-Борна.

Энергия ионизации и энергия сродства к электрону обычно приводятся в кДж/моль атомов.

4.4. Электроотрицательность (ЭО) – величина, характеризующая способность атома оттягивать на себя электроны, участвующие в образовании связи в гетероатомной частице. Известно несколько шкал электроотрицательности, но общая тенденция в ее изменении сохраняется: ЭО увеличивается при движении по Периодической системе снизу вверх и слева направо. Наименьшая ЭО – Fr, наибольшая ЭО – F. Малые значения ЭО – металлы, большие – неметаллы. Большая разница ЭО между атомами – ионная связь, малая – ковалентная связь. Нулевая разница ЭО – ковалентная неполярная связь, ненулевая разница ЭО – ковалентная полярная связь. В дальнейшем при рассмотрении химии элементов в настоящем пособии будут использованы величины электроотрицательности по Полингу.

4.5. Эффективный магнитный момент ( _эфф.)–величина, характеризующая взаимодействие атома с внешним магнитным полем. Для атома  _эфф. рассчитывается по формуле

 _эфф. = 2 = (в единицах _В – магнетон Бора).

S – суммарный спин атома, n – число неспаренных электронов в атоме.