Repetitor_po_Khimii

Магнитное квантовое число ml характеризует направление орбиталей (электронных облаков) в пространстве.

Магнитное квантовое число принимает значения целых чисел от –l через 0 до +l.

Число значений ml определяет число орбиталей на подуровне; например:

s-подуровень: l = 0; ml = 0 1 орбиталь

p-подуровень: l = 1; ml = –1, 0, +1 3 орбиталь

d-подуровень: l = 2; ml = –2, –1, 0, +1, +2 5 орбиталей. Число орбиталей на подуровне равно: 2l + 1 (табл. 11).

Графически любая орбиталь изображается в виде клетки

(квантовой ячейки): 2 s-подуровень: 2

р-подуровень: 222 d-подуровень: 22222 f-подуровень: 2222222

90

						Таблица 11
	Число орбиталей на энергетических уровнях
Энергети-	ГлавноеЗначе-		Обозна-	Значе-	Число ор-	Число
ческий	кван-	ния l	чение	ния ml	биталей	орбиталей
уровень	товое		подуров-		на под-	на уровне
	число п		ней		уровне
К	1	0	1s	0	1	1
(первый)
L	2	0	2s	0	1	4
(второй)		1	2p	–1, 0, +1	3
М	3	0	3s	0	1
(третий)		1	3p	–1, 0, +1	3	9
		2	3d	–2, –1, 0,	5
				+1, +2

Общее число орбиталей на энергетическом уровне

Nорб = n2.

Итак, каждая орбиталь и электрон, который находится на этой орбитали, характеризуются тремя квантовыми числами:

главным n, побочным l и магнитным ml .

Электрон характеризуется еще одним — спиновым квантовым числом (от англ. to spin — кружить, вращать).

Спиновое квантовое число (спин электрона) ms характеризует вращение электрона вокруг своей оси и принимает

1 1 только два значения: +— и –— .

2 2 Схематично это можно показать так:

	1
Электрон со спином +— условно изображают так: ; со
1	2
спином –— : .
2

91

Принцип Паули гласит:

• В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.

Поэтому на одной орбитали не может быть больше двух электронов; эти два электрона имеют одинаковый набор трех

квантовых чисел (n, l, ml) и должны отличаться спинами

(спиновым квантовым числом ms ): (табл. 12).

Два электрона, которые находятся на одной орбитали, называются спаренными (или неподеленной электронной парой).

				Таблица 12
	Максимальное число электронов на энергетических уровнях
			Максимальное	Максимальное
	Уровень	Подуровни	число электронов	число электронов
			на подуровне	на уровне
	К (первый)	1s	2	2
	L (второй)	2s	2	8
		2d	6
		3s	2
	М (третий)	3p	6	18
		3d	10

Спаренные электроны являются электронами с противоположными (антипараллельными) спинами.

Неспаренные

электроны

Общее число электронов на энергетическом уровне

Nэл = 2n2.

Вопросы для контроля

1.Что такое электронная оболочка атома?

2.Каков характер движения электрона в атоме?

3.Что называется атомной орбиталью?

4.Что такое электронное облако?

5.Что характеризует главное квантовое число?

6.Какие значения принимает главное квантовое число?

92

7.Что такое энергетический уровень?

8.Что такое электронный слой?

9.Что характеризует побочное квантовое число?

10.Какие значения принимает побочное квантовое число?

11.Как называются и какую форму имеют орбитали с l = 0?

12.Как называются и какую форму имеют орбитали с l = 1?

13.Что такое энергетический подуровень?

14.Чему равно число подуровней на энергетическом уровне?

15.Что характеризует магнитное квантовое число?

16.Какие значения принимает магнитное квантовое число?

17.Из какого числа орбиталей состоят s-, р-, d-, f-подуровни?

18.Что характеризует спиновое квантовое число и какие значения оно принимает?

19.Как формулируется принцип Паули?

20.Какие электроны называются спаренными?

21.Какие спины имеют спаренные электроны?

22.Чему равно максимальное число электронов на энергетическом уровне?

Упражнения для самостоятельной работы

1.На каком энергетическом уровне нет р-подуровня? Почему?

2.На каких энергетических уровнях нет d-подуровней? Почему?

3.Продолжите табл. 11 (см. текст) для четвертого энергетического уровня (N-уровня). Сколько орбиталей на N-уровне?

4.Продолжите табл. 12 (см. текст) для четвертого энергетического уровня (N-уровня). Чему равно максимальное число электронов на N-уровне?

5.Чему равны все квантовые числа для двух электронов, которые находятся на 3s-подуровне?

6.Напишите наборы всех четырех квантовых чисел для всех электронов, которые находятся на 4p-подуровне:

7.На каком энергетическом уровне и на каком энергетическом подуровне находится электрон, для которого n = 4 и l = 1? Какую форму имеет облако этого электрона?

8.Какие значения имеют главное квантовое число п и побочное квантовое число l для следующих подуровней: 1s, 2s, 2p, 3s, 3р, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f?

9.Заполните таблицу:

п	l	Обозначение подуровней
5	0
3	2
7	1
4	3

10.Чем отличается электронное облако, которое характеризуется п = 4,

l = 0, ml = 0, от электронного облака, которое характеризуется п = 3, l = 0, ml = О?

93

§ 3.4. Строение электронной оболочки атома. Заполнение орбиталей электронами. Электронные конфигурации атомов элементов I—IV периодов

При изучении предыдущей темы мы узнали, чему равно максимальное число электронов на каждой орбитали, на различных энергетических уровнях и подуровнях.

Что еще нужно знать для установления строения электронной оболочки атома любого элемента? Для этого нужно знать порядок заполнения орбиталей электронами.

Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяет принцип наименьшей энергии (принцип миниму-

ма энергии):

• Основное (устойчивое) состояние атома — это такое состояние, которое характеризуется минимальной энергией. Поэтому электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.

Орбитали одного подуровня имеют одинаковую энергию.

Например, три орбитали данного р-подуровня имеют одинаковую энергию.

Поэтому принцип наименьшей энергии определяет поря-

док заполнения энергетических подуровней: электроны за-

полняют энергетические подуровни в порядке увеличения их энергии.

Как показывает рис. 2, наименьшую энергию имеет 1s-под- уровень, который первым заполняется электронами.

Затем последовательно заполняются электронами следующие подуровни: 2s, 2p, 3s, 3р. После 3р-подуровня электроны заполняют 4s-подуровень, так как он имеет меньшую энергию, чем 3d-подуровень.

Это объясняется тем, что энергия подуровня определяется суммой главного и побочного квантовых чисел, т. е. суммой (п + l). Чем меньше эта сумма, тем меньше энергия подуровня. (Например, для 4s-подуровня п + l = 4 + 0 = 4, а для 3d-подуровня п + l = 3 + 2 = 5, поэтому E4s < E3d .)

Если суммы п + l одинаковы для разных подуровней, то их энергия тем меньше, чем меньше главное квантовое

94

число п. (Например, для 3d-подуровня п + l = 3 + 2 = 5 и для 4p-подуровня п + l = 4 + 1 = 5, но E3d < E4p, так как главное квантовое число 3d-подуровня равно 3, а 4s-поду- ровня — 4.)

Изложенные правила были сформулированы в 1951 г. советским ученым В. М. Клечковским (правила Клечковского).

Дальнейший порядок заполнения подуровней показан на рис. 2.

Рис. 2. Расположение подуровней по энергии и порядок их заполнения электронами (показан стрелками)

На подуровнях, которые показаны на рис. 2, может разместиться 112 электронов. В атомах известных элементов находится от 1 до 110 электронов. Поэтому другие подуровни в основных состояниях атомов не заполняются электронами.

Наконец, осталось выяснить вопрос, в каком порядке

электроны заполняют орбитали одного подуровня. Для этого нужно познакомиться с правилом Гунда:

95

• На одном подуровне электроны располагаются так, чтобы абсолютное значение суммы спиновых квантовых чисел (суммарного спина) было максимальным. Это соответствует устойчивому состоянию атома.

Рассмотрим, например, какое расположение трех электронов на p-подуровне соответствует устойчивому состоянию атома:

1)

2)

3)

4)

5) ?

Рассчитаем абсолютное значение суммарного спина для

каждого состояния:
1		1	1		1	1	1	1 3
1) — – — + —				= — ; 2) — – — + — = — ;
	2	2	2		2	2	2	2 2
1		1	1		1	1	1	1 1 1
3) — – — + —				= — ; 4) — – — – — = –— = — ;
	2	2	2		2	2	2	2 2		2
	1	1	1			3	3
5) –— – — – —					=	–— =	— .
	2	2	2			2	2

Максимальным абсолютным значением суммарного спина характеризуются состояния 2 и 5. Поэтому именно они соответствуют устойчивым состояниям атома.

Строение электронных оболочек (электронные конфигурации) атомов элементов I—IV периодов

Чтобы правильно изображать электронные конфигурации различных атомов, нужно знать:

1)число электронов в атоме (равно порядковому номеру элемента);

2)максимальное число электронов на уровнях, подуров-

нях;

3)порядок заполнения подуровней и орбиталей.

Элементы I периода:

Схема электронного строения

атома водорода

(Схемы электронного строения атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням)

96

Электронная формула атома водо-

рода (читается: «один эс один»)

(Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим подуровням)

Электронно-графическая формула

атома водорода

(Электронно-графические формулы атомов показывают распределение электронов по орбиталям и спины электронов)

Гелий	Схема	Электронная	Электронно-
	электронного	формула	графическая
	строения атома	атома гелия	формула
			атома гелия

В таблицах 13—15 представлены схемы электронного строения, электронные и электронно-графические формулы атомов элементов II, III и IV периодов.

	Элементы II периода		Таблица 13
Символ элемен-	Схема	Электронная	Электронно-
та, порядко-	электронного	формула	графическая
вый номер,	строения		формула
название
3Li		1s22s1
Литий
4Be		1s22s2
Берилий
5B		1s22s22p1
Бор

97

	6C		1s22s22p2
	Углерод
	7N		1s22s22p3
	Азот
	8O		1s22s22p4
	Кислород
	9F		1s22s22p5
	Фтор
	10Ne		1s22s22p6
	Неон
		Элементы III периода		Таблица 14
	Символ элемен-	Схема	Электронная	Электронно-
	та, порядко-	электронного	формула	графическая
	вый номер,	строения		формула
	название
	11Na		1s22s22p62s1
	Натрий
	12Mg	Напишите самостоятельно
	Магний
	13Al		1s22s22p63s23p1
	Алюминий
	Электронные конфигурации атомов 14Si, 15Р, 16S, 17Cl
		напишите самостоятельно
	18Ar		1s22s22p63s23p6
	Аргон

98

Для упрощения электронно-графических формул атомов элементов IV периода обозначим условно электронно-гра- фическую формулу последнего элемента III периода — аргона Аr так: Аr .

	Элементы IV периода									Таблица 15
Символ	Схема		Электронная							Электронно-
элемента,	электронного			формула						графическая
порядковый	строения									формула
номер,
название
19K		1s22s22p63s23p64s1
Калий
20Ca		1s22s22p63s23p64s2
Кальций
21Sc		1s22s22p63s23p64s23d1
				или
Скандий
		1s22s22p63s23p63d14s2
22Ti		1s22s22p63s23p64s23d2
Титан
23V		2	2	6	2	6	2	3d	3
Ванадий		1s	2s	2p	3s	3p	4s
24Cr		1s22s22p63s23p64s13d5
Хром
25Mn		Электронные и электронно-графические
Марганец		формулы напишите самостоятельно
26Fe		Электронные и электронно-графические
Железо		формулы напишите самостоятельно
27Co		Электронные и электронно-графические
Кобальт		формулы напишите самостоятельно

99