4.2. Электронные конфигурации атомов

Сначала электроны заполняют ближайший к ядру энергетический уровень, где запас их свободной энергии меньше, а связь с ядром прочнее. По мере того, как ближний уровень заполняется, электроны начинают занимать более удаленные слои, где запас их энергии выше, а связь с ядром слабее. На наиболее удаленных уровнях электроны связаны с ядром наименее прочно, поэтому именно такие электроны будут определять химическое поведение атома. Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне атома, называют валентными.

Порядок заполнения электронных уровней определяется тремя положениями.

1. Принцип Паули.

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Таким образом, согласно принципу Паули, на каждой орбитали может находиться не более 2-х электронов. Например, атом гелия содержит два электрона. Набор первых трех квантовых чисел для них одинаков: n = 1; l = 0 (s-подуровень); m_l = 0. Это означает, что в атоме гелия имеется только одна s-орбиталь, не имеющая направленности в пространстве. Два электрона могут находится на одной орбитали только в том случае, если будут иметь разные значения m_s: +½ и ½.

Каждый подуровень делится на квантовые ячейки, определяемые числом возможных значений m_l. Ячейку принято изображать прямоугольником, а направление спина электрона  стрелками. Таким образом, строение электронной оболочки атома гелия ₂He можно представить как 1s² или:

В общем случае, при любом заданном значении n электроны прежде всего могут отличаться побочным квантовым числом l. Но при этом на каждом уровне может располагаться строго определенное число электронов. Максимально возможное число электронов на данном энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня:

N = 2n²

где N  число электронов на уровне n.

Таким образом, на первом, ближайшем к ядру, уровне может находиться не более 2 электронов, на втором  не более 8, на третьем  не более 18, на четвертом  не более 32.

Максимальное число электронов, находящихся на энергетичес-ком подуровне, равно:

Z = 2(2l + 1)

Отсюда следует, что на s-подуровне (l = 0) могут находиться только 2 электрона, на p-подуровне (l = 1)  6, на d-подуровне (l = 2)  10, на f-подуровне (l = 3)  14.

Таким образом, третий электрон лития не может находиться на 1s подуровне, а только на 2s:

Пятый электрон бора ₅B попадает на 2p подуровень:

Далее при заполнении орбиталей следует руководствоваться правилом Хунда.

2. Правило Хунда.

В пределах определенного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.

Иными словами, в пределах определенного подуровня должно находиться максимальное число неспаренных электронов. В этой связи, электронное строение атома азота выглядит так:

В этом случае суммарный спин равен: +½ +½ +½ = +³/₂.

Заполнение оболочек элементов после 18-го происходит уже в несколько иной последовательности, которая определяется принципом наименьшей энергии.