Максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Энергети-ческий уровень	Энергети-ческий подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m	Число орбиталей на		Максимальное число электронов на
			подуровне	уровне	подуровне	уровне
K (n=1)	s (l=0)	0	1	1	2	2
L (n=2)	s (l=0) p (l=1)	0 –1, 0, 1	1 3	4	2 6	8
M (n=3)	s (l=0) p (l=1) d (l=2)	0 –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2	1 3 5	9	2 6 10	18
N (n=4)	s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3)	0 –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии.

Согласно прнципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали в порядке повышения их энергии.

Очередность заполнения орбиталей определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и, соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) – в порядке возрастания главного квантового числа n.

Например, энергия электрона на подуровне 4sменьше, чем на подуровне 3d, так как в первом случае суммаn+l= 4 + 0 = 4 (напомним, что дляs-подуровня значение орбитального квантового числаl = = 0), а во второмn+l= 3 + 2= 5 (dподуровень,l = 2). Поэтому, сначала заполняется подуровень 4s, а затем 3d(см. рис. 4.8).

На подуровнях 3d(n= 3,l= 2) , 4р(n= 4,l= 1) и 5s(n= 5,l= 0) сумма значенийпиlодинаковы и равны 5. В случае равенства значений суммnиl сначала заполняется подуровень с минимальным значениемn, т.е. подуровень 3d.

В соответствии с правилом Клечковского энергии атомных орбиталей возрастает в ряду:

1s < 2s < 2р < 3s < 3р < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d 

4f< 6p< 7s….

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы.

4f

4 4d

4p

3d

3 4s

3p

3s

2 2p

2s

1

1s

Уровни Подуровни

Рис. 4.8. Энергия атомных орбиталей.

Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называютсяs-элементами. Уs-эле-ментов валентными являютсяs-электроны внешнего энергетического уровня.

У р-элементовпоследним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены наp- иs-под-уровнях внешнего уровня. Уd-элементов в последнюю очередь заполняетсяd-подуровень предвнешнего уровня и валентными являютсяs-электроны внешнего иd-электроны предвнешнего энергетического уровней.

У f-элементовпоследним заполняетсяf-подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Гунда:

в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.

Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковым значением спинового квантового числа, а затем по второму электрону с противоположным значением.

Например, если в трех квантовых ячейках необходимо распределить 3 электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке, т.е. занимать отдельную орбиталь:

В этом случае сумма спиновых квантовых чисел максимальна:

∑m_s= ½ + ½ + ½ = ³/₂.

Эти же 3 электрона не могут быть расположены иначе, так как ∑m_sбудет меньше, например:

∑m_s= ½ – ½ + ½ = ½.

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией, или электронной формулой. Составляя электронную конфигурациюномерэнергетического уровня(главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровень (орбитальное квантовое число) – буквамиs,p,d,f. Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня.

Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы. Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать:

1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме.

2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома.

3. Квантовые числа и связь между ними.

Так, например, атом водорода с порядковым номером 1 имеет 1 электрон. Водород элемент первого периода, поэтому единственный электрон занимает находящуюся на первом энергетическом уровнеs-орбиталь, имеющую наименьшую энергию. Электронная формула атома водорода будет иметь вид:

₁Н 1s¹.

Электронно-графическая формула водорода будет иметь вид:

₁H 1s

Электронная и электронно-графическая формулы атома гелия:

₂Не 1s²

₂Не 1s

отражают завершенность электронной оболочки, что обусловливает ее устойчивость. Гелий – благородный газ, характеризующийся высокой химической устойчивостью (инертностью).

Атом лития ₃Liимеет 3 электрона, это элементIIпериода, значит, электроны расположены на 2-х энергетических уровнях. Два электрона заполняютsподуровень первого энергетического уровня и 3-й электрон расположен наsподуровне второго энергетического уровня:

₃Li 1s²2s¹