1.2. Основные принципы распределения электронов в атомах

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Отсюда следует, что на каждой орбитали не может быть больше двух электронов, при этом они должны иметь антипараллельные спины.

Пример: верно неверно

Принцип Паули позволяет рассчитать максимальное число электронов на подуровне, а следовательно, и на уровне. Например, на р-подуровне, имеющем три орбитали, максимально возможно шесть электронов. Максимальное число электронов на уровне определяется формулой 2n², где n – главное квантовое число. Поэтому на первом уровне (n = 1) максимальное число электронов ‑ два, во втором – восемь, в третьем – восемнадцать и т.д.

Правило Гунда: когда атом находится в устойчивом состоянии, электроны в пределах подуровня располагаются таким образом, чтобы сумма спиновых квантовых чисел была максимальной. В соответствии с этим правилом заполнение орбиталей одного подуровня в устойчивом состоянии начинается электронами с одинаковыми спинами, после того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, происходит заполнение орбиталей вторыми электронами с противоположными спинами.

Например, р-электроны в пределах подуровня необходимо распределять следующим образом:

р³ р⁴ р⁵

Принцип наименьшей энергии: электроны заполняют в атоме в первую очередь орбитали с меньшей энергией. Последовательность заполнения атомных орбиталей электронами зависит от значений главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел. Эту зависимость установил В. М. Клечковский, который сформулировал следующие правила.

1. Электроны последовательно заполняют орбитали от меньших значений суммы (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы.

2. Если для двух орбиталей суммы (n + l) оказываются одинаковыми, то в первую очередь заполняются орбитали с меньшим значением n.

В соответствии с этим правилом последовательность заполнения подуровней:

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

1.3. Периодический закон и электронные формулы атомов

Для написания электронной формулы атома необходимо знать его положение в периодической системе, т.е. в каком периоде, группе и подгруппе он находится. Рассмотрим структуру периодической системы Д. И. Менделеева.

Период – это совокупность элементов, расположенных по горизонтали в порядке возрастания зарядов их ядер, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (исключение – I период). Всего в периодической системе семь периодов: с I по III – малые периоды, а с IV по VII – большие периоды.

Группа – совокупность элементов, расположенных вертикальными столбцами. Номер группы совпадает с числом валентных электронов. Групп восемь и они состоят из главных и побочных подгрупп, это обусловлено тем, что количество валентных электронов у элементов одной группы одинаково, но их расположение различно. Например, хлор и марганец – элементы VII группы, т. е. у обоих по 7 валентных электронов, но у марганца это 3d⁵4s², а у хлора – 3s²3p⁵. Подгруппы объединяют сходные между собой по химическим свойствам элементы. Например, главную подгруппу VII группы составляют галогены: F, Cl, Br, I, At.

Главные подгруппы (А) содержат элементы малых и больших периодов, в них входят s- и p- элементы. s-элементы находятся в I и II группах, p-элементы располагаются, начиная с III группы до конца периода. В каждом периоде не более 6 р-элементов (на р-подуровне может быть не более 6 электронов).

Побочные подгруппы (Б) содержат только элементы больших периодов, эти элементы называются d-элементами, у них достраивается d-подуровень (у лантаноидов и актиноидов также f-подуровень). В каждом периоде десять d-элементов соответственно числу электронов на d-подуровне. Все d-элементы – металлы и в периодах они располагаются за s-элементами.

С точки зрения распределения электронов в атоме, следует помнить:

• порядковый номер элемента численно равен заряду ядра и определяет общее число электронов в атоме;

• номер периода указывает на число электронных уровней, по которым распределены электроны;

• номер группы, как правило, соответствует числу валентных электронов;

• подгруппа указывает на последовательность распределения валентных электронов: у атомов элементов главных подгрупп валентные электроны располагаются на s- и p-подуровнях внешнего уровня, у атомов элементов побочных подгрупп – на d-подуровне предпоследнего уровня и s- подуровне последнего уровня.