3.2. Принципы заполнения атомных орбиталей

1. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, у которых значения всех квантовых чисел (n, l, m, s) были бы одинаковы, т.е. на каждой орбитали может находиться не более двух электронов (c противоположными спинами).

2. Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии). В основном состоянии каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной. Чем меньше сумма (n + l), тем меньше энергия орбитали. При заданном значении (n + l) наименьшую энергию имеет орбиталь с меньшим n. Энергия орбиталей возрастает в ряду:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d  4f < 6p < 7s.

18

3.Правило Хунда. Атом в основном состоянии должен иметь максимально возможное число неспаренных электронов в пределах определенного подуровня.

3.3. Полная электронная формула атома

Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией этого атома. В основном (невозбужденном) состоянии атома все электроны удовлетворяют принципу минимальной энергии. Это значит, что сначала заполняются подуровни, для которых:

1. Главное квантовое число n минимально;

2. Внутри уровня сначала заполняется s- подуровень, затем p- и лишь затем d - (l минимально);

3.Заполнение происходит так, чтобы (n + l) было минимально (правило Клечковского);

4. В пределах одного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимален, т.е. содержал наибольшее число неспаренных электронов (правило Хунда).

5. При заполнении электронных атомных орбиталей выполняется принцип Паули. Его следствием является то, что энергетическому уровню с номером n может принадлежать не более чем 2n² электронов, расположенных на n² подуровнях.

ПРИМЕР: цезий (Сs) находится в 6-м периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и подуровням. Cоблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей, получим:

₅₅Cs 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s¹

При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения электронов между атомами. Способностью атома отдавать или присоединять электроны определяются его химические свойства. Эта способность определяется количественно как величина, называемая электроотрицательность (ЭО).

В свою очередь она зависит от энергии (потенциала) ионизации (I) и энергии сродства к электрону (F):

ЭО = ½(I₁ + F), эВ (3.2)

I₁ – первый потенциал (энергия) ионизации – энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома;

F – энергия сродства к электрону – энергия, которая выделяется при присоединении первого электрона к нейтральному атому.

Для всех элементов периодической системы эти величины измерены и сведены в специальные таблицы.

В образовании химических связей принимают участие только самые удаленные от ядра электроны, называемые валентными. Они располагаются на орбиталях самого внешнего электронного уровня и предвнешнего незаполненного d – подуровня. У цезия валентной орбиталью является 6s¹, на которой расположен всего один электрон.

19

ПРИМЕР: у германия ₃₂Ge электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰4s² 4p². Валентными являются 4s²4p² орбитали, так как предвнешний 3d¹⁰ – подуровень полностью завершен. У марганца ₂₅Mn - 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s² валентными являются 4s² и незавершенные 3d⁵ орбитали. Таким образом, зная валентные орбитали атома, можно определить его местоположение в периодической системе элементов. Значение главного квантового числа n соответствует номеру периода, число валентных электронов – номеру группы, принадлежность к подгруппе определяется отношением элемента к различным семействам. Семейства элементов определяются по тому, какой подуровень в атоме заполняется.

ПРИМЕР: у германия заполняется р-подуровень. Это значит,что он относится к семейству р-элементов. У марганца заполняется d-подуровень и значит, что это d-элемент. s и p элементы образуют главные (А подгруппы), d и f элементы образуют побочные (В подгруппы). Следуя этим правилам, можно сказать, что ₃₂Ge 4s²4p² располагается в 4-м периоде (n = 4), в IV группе (2+2=4 валентных электрона), в главной подгруппе ( р-элемент). ₂₅Mn -3d⁵4s² в 4-м периоде (n = 4), VII группе (2+5=7 валентных электронов), побочной подгруппе (d – элемент).