- •Открытие Периодического закона
- •Периодическая система химических элементов
- •Строение атома
- •Квантово-механическое состояние электрона в атоме
- •Квантово-механическое описание электрона в атоме
- •2. Положение электрона в атоме неопределенно. Это означает, что невозможно одновременно точно определить и скорость электрона, и его координаты в пространстве.
- •4.2 Квантовые числа
- •4.3 Атомные орбитали
- •Формирование электронной оболочки атома. Электронные конфигурации
- •5.1 Формирование электронной оболочки атома.
- •5.2 Основные закономерности заполнения электронами уровней, подуровней и орбиталей в электронной оболочке атома
- •I Принцип минимума энергии: в устойчивом состоянии электроны находятся на наиболее низких энергетических уровнях и подуровнях.
- •III Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
- •IV Правило Хунда: при формировании электронного подуровня электроны заполняют максимальное число свободных орбиталей так, чтобы число неспаренных электронов было наибольшим.
- •5.3 Электронные конфигурации атомов и Периодическая система.
- •5.3.1 Элементы первого периода (h, He)
- •5 .3.2 Элементы второго периода (Li – Ne)
- •5.3.3 Элементы III периода (Na – Ar)
- •Элементы IV периода (k – Kr)
- •5.3.5 Элементы V, VI и VII периодов
5.3.3 Элементы III периода (Na – Ar)
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня невозбуждённых атомов элементов III периода такая же, как и у элементов соответствующих групп II периода. Различие состоит лишь в том, что у элементов III периода заполняются орбитали третьего энергетического уровня (n = 3). В этом случае орбитальное квантовое число l может принимать три значения: 0; 1; 2. Следовательно, третий энергетический уровень образован орбиталями трёх типов: одной s-орбиталью, тремя p-орбиталями, пятью d-орбиталями.
Элемент второго периода: Элемент третьего периода:
Таким образом, номер периода, в котором находится элемент, равен главному квантовому числу, которое характеризует электроны внешнего энергетического уровня.
У атомов всех элементов III периода, находящихся в невозбуждённом состоянии, 3d-орбитали являются вакантными (т.е. незаполненными электронами). При возбуждении атома, которое происходит в результате передачи атому извне дополнительной энергии, спаренные электроны, находящиеся на 3p-подуровне (а также на 3s-подуровне), могут расспариваться и переходить на более высокий по энергии 3d-подуровень.
н евозбуждённое
состояние
возбуждённое состояние
возбуждённое
состояние
Как известно, ковалентная химическая связь может образоваться при взаимодействии неспаренных электронов двух атомов; в результате такого взаимодействия образуется общая электронная пара, принадлежащая обоим атомам. Поэтому число неспаренных электронов в атоме равно числу химических связей, которые может образовать данный атом. У s- и p-элементов валентными электронами являются электроны внешнего энергетического уровня; таким образом, валентность s- или p-элемента определяется числом внешних неспаренных электронов. Так, атом серы в невозбуждённом состоянии двухвалентен; возбуждение атома серы позволяет реализовать четырёхвалентное и шестивалентное состояния.
Элементы IV периода (k – Kr)
У последнего элемента III периода – аргона – полностью заполнены 3s- и 3p-подуровни, но свободны все 3d-орбитали. Однако, у следующих за аргоном элементов – калия и кальция – заполнение третьего электронного слоя временно прекращается и начинает формироваться s-подуровень внешнего четвёртого энергетического уровня:
K 1s22s22p63s23p63d04s1 Ca 1s22s22p63s23p63d04s2 .
В обеих электронных формулах жирным шрифтом выделены внешние электроны. Причина такой непоследовательности заполнения энергетических уровней связана с тем, что в многоэлектронном атоме энергия электрона определяется не только значением главного квантового числа n, но и значением орбитального квантового числа l, вследствие чего 4s-орбиталь имеет более низкую энергию, чем вакантные 3d-орбитали.
Последовательность заполнения атомных орбиталей в зависимости от значений главного и орбитального квантовых чисел определяется правилами Клечковского:
1) при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронами атомных орбиталей происходит от орбиталей с меньшей величиной суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы;
2) при одинаковых величинах суммы (n + l) заполнение орбиталей происходит в направлении возрастания значения главного квантового числа n (таблица 1.2).
Таблица 1.2 – Последовательность заполнения атомных орбиталей электронами
Энергия орбитали |
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d< |
|||||||||
Сумма n + l |
1 |
2 |
3 |
3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
6 |
---------------------------------------------------------------------
Энергия орбитали |
<5p < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p |
||||||||
Сумма n + l |
6 |
6 |
7 |
7 |
7 |
7 |
8 |
8 |
8 |
Таким образом, хотя 3d-орбитали появляются уже у элементов третьего периода, заполнение 3d-орбиталей происходит только после заполнения 4s-орбиталей, т.е. у элементов четвёртого периода. Точно так же, свободные f-орбитали есть уже у элементов четвёртого периода (n = 4, l = 0; 1; 2; 3), но заполнение этих 4f-орбиталей происходит только после заполнения 6s-орбиталей, т.е. у элементов шестого периода. Из сказанного следует, что после кальция появляется ряд из десяти d-элементов (Sc – Zn), у которых заполняются 3d-орбитали.
Sc 3d14s2
|
|
T i 3d24s2
|
|
V 3d34s2
|
|
Cr 3d54s1
|
|
Особенность электронной конфигурации атома хрома в том, что ему соответствует формула 3d54s1, а не 3d44s2, что связано с «проскоком» одного электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь. Это объясняется тем, что в результате «проскока» электрона образуется наполовину заполненный электронами 3d-подуровень, обладающий повышенной устойчивостью. Повышенной устойчивостью обладают также полностью заполненные электронами подуровни, вследствие чего «проскок» электрона происходит также у атома меди. Следует отметить, что отсутствие химической активности у инертных газов также объясняется устойчивостью полностью заполненных электронных уровней.
Mn 3d54s2
|
Fe 3d64s2
|
Co 3d74s2
|
Ni 3d84s2
|
C u 3d104s1, а не 3d94s2; («проскок электрона»)
|
Zn 3d104s2
|
После ряда d-элементов в четвёртом периоде идёт заполнение p-орбиталей у элементов Ga – Kr, электронная конфигурация которых аналогична электронной конфигурации p-элементов B – Ne или Al – Ar. Следует отметить, что все d-элементы являются металлами.