2.Строение электронных оболочек атомов. (Задачи №№ 0120)

2.1.Квантовые числа.

Состояние любого электрона в атоме может быть охарактеризовано набором четырёх квантовых чисел. Это главное квантовое число n («эн»), орбитальное (азимутальное) квантовое число l («эль»), магнитное кванто­вое число m­_l («эм эль») и спиновое квантовое число (спин электрона) m­_s («эм эс»).

Главное квантовое число n характеризует размер атомной орбитали и, следовательно, энергию электро­на: чем больше размер АО, тем больше энергия электрона – тем выше его энергетический уровень. Главное квантовое число принимает не любые, а лишь целочисленные значения от 1 до бесконечности: n=1, 2, 3, …,. Каждому значению n отвечает определённый размер АО и, соответственно, определённое значение энергии–опре­делённый энергетический уровень. Чем больше n, тем больше энергия электрона, тем на более высоком

энер­гетическом уровне он находится. В многоэлектронном атоме электроны одного энергетического уровня образуют единый квантовый слой. Квантовые слои принято обозначать прописными буквами латинского алфа­вита:

Главное квантовое число n……………1 2 3 4 …

Квантовый слой………………………К L M N …

Орбитальное квантовое число l характеризует форму атомной орбитали. Для энергетического уров­ня с главным квантовым числом n, орбитальное квантовое число может принимать n значений от 0 до (n-1): l=0, 1, 2, …,(n-1). Каждому значению орбитального квантового числа отвечает атомная орбиталь определённой фор­мы, обозначаемая соответствующей строчной латинской буквой:

орбитальное квантовое число l…………0 1 2 3 …

Атомная орбиталь………………………..s p d f …

В многоэлектронных атомах энергия электрона на энергетическом уровне зависит от формы атомной ор­битали. В пределах одного и того же энергетического уровня энергия электрона увеличивается по мере услож­не­ния формы АО, т.е. от s- к р-, d- и f-АО. Это положение выражают, говоря, что в атоме имеет место расщепление энергети­ческих уровней на энергетические подуровни. Поскольку орбитальное квантовое число определяет форму АО, оно тем самым определяет энергетический подуровень. Подуровни обозначаются теми же буквенными символами, что и атомные орбитали, из которых они состоят: s- подуровень, р- подуровень, d- подуровень и т.д.

Пример 2.1.1. Подуровни первого энергетического уровня.

Для первого энергетического уровня значение главного квантового числа n=1. Следовательно, для элек­трона на данном энергетическом уровне возможно лишь одно значение орбитального квантового числа l=0, т.е. для электрона на первом энергетическом уровне разрешена атомная орбиталь единственной формы – сфе­рическая s- AO. Поэтому, первый энергетический уровень состоит из единственного s- подуровня.

Пример 2.1.2. Подуровни третьего энергетического уровня.

Для третьего энергетического уровня n=3. Следовательно, l может принимать три значения: l=0, l=1 и l=2, т.е. на третьем энергетическом уровне электрону разрешены атомные орбитали трёх геометрических форм: s-AO, p-AO и d-AO. Иначе говоря, третий энергетический уровень включает три подуровня: s- p- и d- под­уровень.

Магнитное квантовое число m, характеризует пространственную ориентацию атомных орбиталей. Для данного значения орбитального квантового числа, магнитное квантовое число может принимать (2l+1) значений от -1 до +1, включая 0: -l, …, -2, -1, 0, +1, +2, …+l.каждому значению m, отвечает определённая ориентация атомной орбитали в пространстве.

Пример 2.1.3. Значение m_l для l=0.

Для l=0, m, может принимать (2l+1) значений, т.е. одно единственное значение, равное нулю. Это озна­чает, что для атомной орбитали с l=0 (для s- AO) возможен единственный способ её пространственного рас­положения, что вполне понятно, т.к. s-AO в силу её сферической симметрии, естественно, относительно атом­ного ядра может занять единственно возможное пространственное положение.

Пример 2.1.4. Значение m_l для l=1.

Для l=1, m_l может принимать три значения: -1, 0, +1. Это означает, что атомная орбиталь с l=0 (р-АО) в атомном пространстве может быть ориентирована тремя возможными способами, а именно, в направ­лении координатных осей x, y, z. В связи с этим, р- АО принято индексировать символами координатных осей, когда необходимо подчеркнуть различие в их пространственном расположении: p_x, p_y, p_z..

Количество значений магнитного квантового числа определяет количество атомных орбиталей в под­уровне с данным l:

Орбитальное квантовое число l 0 1 2 3

Подуровень s p d f

Количество значений m_l 1 3 5 7

Количество АО в подуровне 1 3 5 7

Спиновое квантовое число m_s (спин электрона) характеризует направление собственного вращения элек­трона, занимающего АО с конкретным набором квантовых чисел n, l и m_l. Т.к. собственное вращение элек­трона может осуществляться только в двух возможных направлениях – по часовой и против часовой стрелки – m_s может принимать только два значения с квантовой разницей между ними, равной единице: +1/2 и –1/2.