Порядок заполнения электронами орбиталей

Лекция 3

Строение атома

Атом до начала века считался химически неделимой частицей. И только лишь с открытием явления деления атома обнаружилось, что атом состоит из более мелких частиц – положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов. Протоны и нейтроны имею массу по 1 и образуют ядро атома, поэтому их называют нуклонами, а электроны вращаются вокруг ядра.

Число частиц, образующих атом

Частица	Масса частицы	Заряд частицы	Определение числа частиц
протон	1	+1	N(p)=№ (элемента)
электрон	0	-1	N(е)=№ (элемента)
нейтрон	1	0	N(n)=Ar- № (элемента)

       Если массы частиц, слагающих атом, целочисленные, то почему в ПС указаны дробные атомные массы? Это связано

 

 Первая модель строения атома была предложена Нильсом Бором и была названа планетарной. По аналогии, как вокруг Солнца вращаются планеты, так и вокруг ядра вращаются электроны. Однако, позже было установлено, что движение электронов более сложно, их движение происходит с очень большими скоростями и имеет волновой характер , поэтому траекторией движения не может быть орбита, как у планет( замкнутая линия), а можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в некотором объеме. Поэтому для электрона нельзя одновременно точно указать значения скорости и координат в пространстве, для него теряет смысл понятие траектории движения. Наглядно, хотя и неточно, электрон в атоме можно представить как электронное облако, занимающее некоторый объем пространства вокруг ядра. Потому вводится понятие атомной орбитали – поверхность объемной фигуры, по которой движется электрон и в пределах которой вероятность нахождения электрона максимальна и составляет ~ 90-95%,

Распределение электронов в атоме также  имеет более сложную закономерность.

Распределение электронов атоме

1. Все электроны распределяются по электронным слоям (уровням). Число слоев равно номеру периода элемента.

2. Каждый слой (уровень) имеет свое число подуровней, отличающихся формой электронной орбитали. Число подуровней равно номеру слоя.

3. Каждый подуровень имеет свое число электронных ячеек, которое равно числу вариантов расположения орбитали в пространстве.

4. В каждой электронной ячейке может находиться до 2 х электронов, отличающихся направлением движения вокруг собственной оси. По аналогии с планетарным строением – как Земля вращается вокруг Солнца из-за этого происходит смена времен года, но еще она вращается вокруг собственной оси – из-за этого происходит смена времени суток : день-ночь

 

Квантовые числа

Атомную орбиталь можно однозначно описать с помощью набора целых чисел, которые называются квантовыми.

Состояния электрона в атоме, как и любой другой частицы, занимающей ограниченную область пространства, квантованы. Это означает, что такие динамические параметры как энергия, импульс, момент импульса могут изменяться не непрерывно, а небольшими порциями, скачками (квантами). Поэтому различные состояния электрона в атоме можно перенумеровать и охарактеризовать определенными значениями квантовых чисел n, l, m и s .

Каждое разрешенное состояние электрона в атоме характеризуется определенным набором всех четырех квантовых чисел.

           Главное квантовое число n определяет энергию электрона (степень его удаления от ядра или размер электронного облака, т.е. орбитали). Совокупность электронов, характеризующихся одним и тем же значением квантового числа n, называют электронным слоем или энергетическим уровнем. Главное квантовое число может принимать бесконечное множество целочисленных значений: n = 1, 2, 3, …¥(теоретически, а практически до номера периода элемента) , оно показывает номер электронного слоя на котором находится электрон.

Орбитальное квантовое число l определяет энергию электрона на подуровне данного уровня, а также определяет форму орбитали (электронного облака). Орбитальное квантовое число может принимать множество значений от нуля до (n-1):

l = 0, 1, 2, … (n-1) (всего n значений)

Каждому численному значению орбитального квантового числа соответствует буквенное обозначение: l = s, p, d, f …(всего n значений)

       Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень, равно номеру уровня (т.е. численному значению n).

При указании подуровня приводят численное значение n и буквенное значение l.

    Например : n = 1; l = 0. Это 1s-подуровень. Форма атомной орбитали – сфера.

n = 2; l = 0, 1. Это 2s и 2р-подуровни.Форма атомной орбитали– объемная 8.

n = 3; l = 0, 1, 2. 3s, 3p, 3d-подуровни. Форма АО – объемная розетка

n = 4; l = 0, 1, 2, 3. 4s, 4p, 4d, 4f-подуровни.Форма АО – более сложная

       Магнитное квантовое число m_l определяет ориентацию электронного облака в пространстве. m_l = -l…0…+l      (всего (2l+1) значений) Число значений m определяет число электронных ячеек.

Допустимые наборы первых трех квантовых чисел n, l, m_l определяют атомную орбиталь электрона. Они характеризуют соответственно размер, форму и пространственную ориентацию орбитали. На графических схемах каждая орбиталь обозначается условно так: (квантовая ячейка).

При: l= 0, m_l = 0.

Это означает, что s-подуровень имеет атомную орбиталь ориентированную единственно возможным образом. На графических схемах это отражается изображением одной квантовой ячейки:

       При l=1 (р-подуровень), m_l = -1, 0, +1.

Это означает, что на р-подуровне возможны три пространственные ориентации атомной орбитали – вдоль осей x, y, z. На графических схемах это показывают три квантовые ячейки:

При l=2 (d-подуровень), m_l = -2, -1, 0, +1, +2.

На d-подуровне возможны 5 пространственных ориентаций атомных орбиталей.

На схемах изображаем пять квантовых ячейки:

       При l=3, m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.

Для f-подуровня на схемах рисуем семь квантовых ячеек.

На графических схемах атомные орбитали подуровня располагаются рядом по горизонтали. Это подчеркивает, что энергия таких орбиталей одинакова.

Спиновое квантовое число m_s характеризует собственный момент импульса и магнитный момент электрона. Это число принимает только два возможных значения: m_s = ±1/2.

Принцип Паули

Заполнение орбиталей в многоэлектронных атомах регулируется двумя основными принципами: принципом Паули и принципом наименьшей энергии.

Принцип Паули – фундаментальный закон природы, который заключается в том, что две тождественные квантовомеханические частицы данной системы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

По принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.

По принципу Паули:

Один электрон	Два электрона
n1 = n           l1 = l             ml1 = ml         ms1 = m s	n1 = n2 = n l1 = l2 = l ml1 = ml2 = ml ms1 ¹ ms2

 

 

 

В квантовой ячейке не могут находиться более двух электронов, причем их спины антипараллельны.

Максимальное число электронов на данном уровне N = 2n².

 

Порядок заполнения электронами орбиталей

Для одного и того же подуровня (при постоянных значениях n и l)порядок заполнения определяется правилом Хунда (правило максимального спина): на одном и том же подуровне электроны располагаются в квантовых ячейках таким образом, чтобы сумма значений спинов была максимальной.

Пример. На d- подуровне есть пять электронов. Расположить эти электроны в квантовых ячейках в соответствии с правилом Хунда.

 

Последовательность заполнения электронами уровней и подуровней в

Многоэлектронном атоме

По принципу наименьшей энергии электроны в невозбужденных состояниях занимают те свободные орбитали, на которых их энергия наименьшая. В многоэлектронных атомах порядок возрастания энергии, а, следовательно, порядок заполнения электронами различных уровней и подуровней определяется правилом Клечковского: энергия атомных орбиталей возрастает в порядке увеличения суммы (n+l), а при одинаковом значении этой суммы - в порядке последовательного увеличения квантового числа n.

n = 1: 1s

n = 2: 1s2s2p

n = 3: 1s2s2p3s3p3d

n = 4: 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f

n = 5: 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f

Определим порядок заполнения указанных уровней и подуровней:

	1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f	5s	5p	5d	5f
n	1	2	2	3	3	3	4	4	4	4	5	5	5	5
l	0	0	1	0	1	2	0	1	2	3	0	1	2	3
n+l	1	2	3	3	4	5	4	5	6	7	5	6	7	8
	1s	2s	2p	3s	3p	4s	3d	4p	5s	4d	5p	6s	4f	5d

Получили так называемый ряд Клечковского.

Выводы по ряду Клечковского:

1. Подуровни s- и p- заполняются электронами в порядке возрастания главного квантового числа.

2. Подуровень d- заполняется с отставанием на одно значение n.

3. Подуровень f заполняется электронами с отставанием на два значения n.

---

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 314; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!