Электронная структура атомов

Рассмотрим порядок заполнения электронами энергетических уровней, подуровней и орбиталей многоэлектронных атомов. Все элементы периодической системы, исходя из их электронной структуры, можно разделить на четыре типа: s-элементы (по 2 в каждом периоде), p-элементы (по 6 в каждом периоде), d-элементы (по 10 в каждом периоде, начиная с четвертого); f-элементы (по 14 в 6-м и 7-м периодах – лантаноиды и актиноиды).

Заполнение электронами уровней и подуровней осуществления не произвольно, а в строгом соответствии с тремя принципами квантовой механики: принципом минимума энергии, принципом Паули, правилом Гунда.

Согласно принципу минимума энергии наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению его энергии из незанятых состояний, т.е. отражает стремление любого атома находиться в основном (невозбужденном) состоянии. Например, из трех энергетических подуровней 3s, 3p и 3d электрон займет низший подуровень.

Реализация этого принципа осуществляется на основе правила Клечковского (правила n + l): с ростом порядкового номера элемента электроны размещаются на орбиталях, характеризуемых возрастанием суммы главного и орбитального квантовых чисел; при одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа n. Последовательность заполнения энергетических подуровней в основном определяется в соответствии с энергетическим рядом:

1s²  2s²  2p⁶  3s²  3p⁶  4s²  3d¹⁰  4p⁶  5s²  4d¹⁰  5p⁶  6s²  5d¹  4f¹⁴  5d^2-10  6p⁶  7s²  6d^1-2  5f¹⁴  6d^3-10  7p⁶  8s²  7d^1-3  5g¹⁸  6f¹⁴  7d^4-10  8p⁶.

В соответствии с принципом Паули в каждой атомной орбитали число электронов не может быть больше двух: никаких два электрона в одном и том же атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа (n, l, m_l и m_s), т. е. не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Поэтому если в одной АО (квантовой ячейке) появляется второй электрон, то он будет иметь спиновое квантовое число противоположного знака.

Если в атоме 2 электрона и n = 1, то для них можно записать

n	1	1
l	0	0
ml	0	0
ms	+ 1/2	– 1/2

Из приведенных данных видно, что согласно принципу Паули два электрона должны разместиться на 1s-орбитали с антипараллельными спинами.

В табл. 1.1 приведены значения квантовых чисел для различных состояний электрона и максимальное число орбиталей, электронов на уровне и подуровне.

Из принципа Паули можно сделать следующие выводы.

1. Максимальное число электронов (x_e) в подуровне равно 2 (2l + 1). Если n =2; l = 1 (второй энергетический уровень), то число электронов x_e = 2 (21 + 1) = 6 (2s + 4p) (см. табл. 1.1).

2. Максимальное число электронов (x_n) энергетического уровня равно 2n². Если n =4 (четвертый энергетический уровень), то общее число электронов x_n= 24² = 32 (K – 2, L – 8, M – 8, N – 18).

Максимальное число электронов в подуровне или уровне всегда равно удвоенному числу орбиталей.

При наличии однотипных орбиталей их заполнение происходит в соответствии с правилом Гунда: в пределах энергетического подуровня электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным.

Например, распределение p-электронов на р-орбиталях может быть следующим:

1)

↑

↑

↑

Σms = +1/2 + 1/2 + 1/2 = 3/2

2)

↓

↓

↑

Σms = –1/2 – 1/2 – 1/2 = –3/2

3)

↑

↓

↑

Σms = +1/2 – 1/2 + 1/2 = +1/2

Правильный вариант заполнения (1).

Магнитные и энергетические характеристики атомов. Поведение во внешнем магнитном поле зависит от магнитных свойств атомов, т. е. от электронной структуры атомов. Если вещество выталкивается из внешнего неоднородного магнитного поля, то атомы этого вещества называют диамагнитными; если же вещество вталкивается во внешнее неоднородное магнитное поле и ориентируется вдоль его силовых линий, то атомы этого вещества называют парамагнитными.

Диамагнитные свойства вызваны наличием и движением спаренных электронов, а парамагнитные – движением неспаренных электронов. Чем больше неспаренных электронов, тем в большей степени проявляется парамагнетизм у атомов вещества.