Дж. Хьюи - Неорганическая химия (Строение вещества и реационная способность) (1097100), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Электронные конфигурации атомов. Электронная конфигурация атома (распределение электронов по уровням и подуровням) может быть определена на основе принципа Паули и принципа минимума энергии. В основном состоянии атома водорода электрон находится на низшей по энергии )э-орбитали. Спиновое квантовое число электрона может быть либо +'/й, либо †'/,.
Вследствие этого следует ожидать случайного распределения спиноз. Действительно, если поток атомного водорода ввести в магнитное поле, половина атомов отклоняется в одном направлении, а другая половина — в противоположном. Набор квантовых чисел п, 1, * Прн релятивистском нодходе регненне волнового уравненвн дает четыре квантовых числа, Таблица 2эь Электронные конфигурации атомов элементов [2/, 22) пгг, пг, для электрона на 1л-орбитали атома водорода будет либо (1, О, О, +'/г), либо (1, О, О, — '/г).
У атома гелия появляется второй электрон. Первые три квантовых числа для второго электрона аналогичны квантовым числам для электрона атома водорода (т. е. второй электрон также стремится занять низшую по энергии !з-орбиталь), но спин должен быть противоположен спину первого электрона. Набор квантовых чисел для двух электронов атома гелия будет (1, О, О, ~г/г), а !я-орбиталь окажется заполненной парой электронов.
Поэтому третий электрон в атоме лития займет 2л-орбиталь, следующую по энергии за !л-орбиталью, и т. д. Электронные конфигурации атомов первых пяти элементов и наборы квантовых чисел для последнего электрона следующие: гН = !з' 1, О, О, + /г (или з/а) ,Не = !зг 1,0,0, — '/г (или +'/з) Е! =! з'2з' = [Не] 2л' 2, 0,0, + '/г (или — '/г) 4Ве = !з'2з' = [Не] 2зз 2,0,0, — Чг (или +'/г) гВ = !зз2зг2р' = [Не) 2вз2р' 2 ! !.
+ Нг (или — '/г) Подобное (теоретическое) заполнение уровней можно составить и для атомов последующих элементов. Электронные конфигурации атомов всех элементов приведены в табл. 2.2 (экспериментальные данные). Имеется лишь несколько различий между экспериментальными и теоретическими конфигурациями. Например, (и — !)с(- и пя-подуровни при их заполнении оказываются б.чизко лежащими друг к другу.
Если имеет место стабилизация заполненных или полузаполнеиных подуровней (см. разд. 2.5 и 10.2), конфигурация (и — 1)г[ пл' может оказаться н не самой устойчивой, как у атомов Сг и Сц (Зг[а4яг и Зс(го4лг вместо предсказываемых теорией Зпч4яа и Зг(г4ла соответственно). Однако не следует придавать таким различиям слишком больвюго значения, их влияние на химию элементов минимально. Хотя медь и может проявлять степень окисления Сц' (Зс(го4зо), но состояние Сцп все же более устойчиво. У хрома наиболее г+ гг! густойчивый в водном растворе — ион Стао, ионы Сг ' и Сг О„ также вполне устойчивы, тогда как состояние Сг' практически неизвестно. Для лантаиоидов 5»- и 4/-подуровни близки по энергии.
В атоме лантана (Е = 57) последний электрон попадает на бг/-подуровень. В атомах последующих элементов происходит заполнение 4/-подуровня, а бг[-подуровень остается свободным. Однако эти детали не заслуживают слишком большого внимания, так как различие в энергии конфигураций бс(к+!4/ и бс(н4/"+г очень мало. Можно полагать, что все лантаноиды ведут себя так, как будто нх атомы имеют электронную конфигурацию [Хс]бзгб»г4/н, т. е. наиболее устойчивое состояние окис ления всегда отвечает потере трех электронов (блгбс['). Необходимо подчеркнуть еще раз, что не следует слишко, формализировать изложенный порядок заполнения подуровней ! 2 3 4 5 6 8 9 1О !! !2 !3 !4 !5 !б !7 !8 19 20 2! 22 23 24 25 26 27 28 29 ЗО 3! 32 33 34 35 36 37 38 39 40 4! 42 43 44 45 46 47 48 49 50 5! 52 Н Не !.! Ве В С Х 0 Р Хе Ха Мб А! 3! Р 3 С! Аг К Са Зс т; Н Сг Мп Ре Со Х! Си Зп Са Се Аз Зе Вг Кг КЬ Зг у Хг ХЬ Мо Тс йп КЬ Р» Ая С» !п Зп ЗЬ Те (в' !з' !Не]2з' [Не12з' Не]эзг2р г Не)эз'2рг [Не)2в'2р' [Нс)2зг2рз !Не]2зг2р' [Не)2з'2ро [Хе]Зз' [Хе)зз' [Хе)зз'Зр' ) Хе) Ззззр' [Хе)зз'Зр' [Хе]Зз'Зр' [Хе)зз'Зрз [Хе)ззззро 1Аг]4з' [Аг)4зг [Аг)Зан4зз [Аг)3»з4зг [Аг)З»з4я [Аг)3»о4зг [Лг]3»з4зз [Аг)3»о4зг [Аг)З» 4з [Аг)3»'4зг [Аг]З»'о4з' [Аг13»'о4я' )Аг)3»'о4зг4рг [Аг]3» "4згярз [Аг]3»го4згзрз [Аг)ЗЕо4зг4рз [Лг]3»'о4вг4ро 1 Аг13» ~ о4з г4рз [Кг)бз' [Кг)5зз [Кг]4»'5з' ]Кг]4»гбзг [Кг]4»збвг [Кг)4»гбзг ) Кг)4»збзг [Кг)4»гбзг [Кг]4»'бв' 1Кг14»" [Кг]4» "бз' [Кг)4» обоз [Кг14» "бзгбр [Кг14» Ззгбрг [Кг]4»~обзгбрз [Кг]4»'о5з'5р' 53 54 55 56 57 58 59 60 6! 62 63 64 65 66 67 68 69 70 7! 72 73 74 75 76 77 78 79 80 8! 62 83 84 85 86 87 88 89 90 9! 92 93 94 95 96 97 98 99 100 !О! !02 !ОЗ ! Хе Сз Ва 1а Се Рг Х» Рго Зги Еп С» ТЬ Ву Но Ег Тгп УЬ (.и Н! Та Н/ йе Ов !г Рг Аи Нб Т! РЬ В! Ро А! йп Рг йа Лс ТЬ Ра Хр Рп Лгп С го В(г С! Ез Ргп М» (Хо) (!.
г] [Кг]4»' Зззбрз [Кг)4с!'о5з'5рз [Хе)бз' [Хе)бм [Хе)5»гбзг [Хе]4/'5»'бз' [Хе]4/збз' [Хе14/'бз' [Х )4/збзг [Хе]4/'бзз [Хе]4/'бя' [Хе)4/гб»~бзз [Хе[4/обз' [Хс)4/' бзг [Хе)4/пбз' [Хе]4/ "бз' [Хе14/ "бз' [Хе14/гобла [Хе)4/"5»'бзз [Хе]4/ "5»гбз' [Хе)4/ы5»збвг [Хе)4/гзб»оввз [Х 34/гзб»збзг [Хе)4/ "5»збз' [Хе)4/'зб»гбзз [Хе)4/гзб»облг [Хе)4!ззб»'обзг Хе)47 "5» "бз' Хе)4/'"5» "бз'бр' ) Хе]4/' з5» г обзобрз )Хе)4/"5»'обззбрз [Хе)4/'45»гобззбрз [Хе14/ "5» "бз'бр' ]Хе)4/ "5»'обв'бро [йп)7з' [йп)7з' [йп]6»'7вз [йп]6»г7зг [йп)5/гбаи7з' йп)5/зб» 7; йп)5/зб»'7з' [йп15/'7в' [йп)5/'7вг [йп)5/гб»г Таз [йп)5/о7з' [йп)5/ "7зг 1Кп)5/"7зз [йп)5/'гтв' [йп )5/'з7з' ! йп 15/ "7з' [йп)5/ "6»'7з' электронами.
Последовательность энергетических подуровней соблюдается при заполнении рядом стоящих в ней подуровней; например, в атомах калия, кальция и скандия 4з-подуровень ниже по энергии, чем Зс(-подуровень, но в атомах более тяжелых элементов последовательность этих подуровней иная. Заряд ядра и заселенность других орбиталей сильно влияют па энергию конкретной орбитали (см, равд.
2.4). Можно утверждать, что последовательность энергетических подуровней (см. рис. 2.!1) справедлива только для валентных подуровней; так, неравенство 5р ) 41( оказывается верным для иттрия, но не для всех элементов, Состояния атомов, символы терман н правило Хунда. Энергию, угловой момент и спиновую мультиплетность атома удобно представить символически. Например, для а~ома водорода можно определить 5ч Р-, 0- и Р-состояния в зависимости от того, находится ли его единственный электрон на зь рь д- илн 1-орбитали. Основное состояние атома водорода с электронной формулой 1з— 5~— это 15-состояние; одно из возбужденных состояний атома водорода с элеитрониой формулой 2р' — это Р.состояние и т. д, з«ля многоэлеитронных атомов атом в Р-состоянии имеет тот же общий угловой момент (для всех элена онов), ч~о н атом водорода в Р-состоянни.
Соответственно для 5-, Рь 0ч Р Р-, ....состояний общий угловой момент имеет квантовые числа й = 0„1, 2, 3, ..., которые аналогичны значениям ! для зь р-, дь !ч ...-орбиталей '. Подобно этому, квантовое число 5 (не следует путать с 5-состоянием, упомянутым выше) — это сумма всех элентроиных спиноз. Очевидно, по для завершенного уровня или подуровня 5 = 0 и й = О, так хак все элеитроны спарены и все орбитальные моменты погашены. Это очень упрощает обозначение состояний и символику терман.
Часто используется понятие мультиплетности, первоначально выведенное из числа линий, видимых в спектре. Она определяется числом неспаренных злентронов н в общем случае дается выражением 25 + 1, Тап, если 5 = О, мультиплетность равна единице, такое состояние атома называется синглетным; если 5 =- '/«, то мультиплетность равна двум, и состояние будет дублетиым, при 5 = ! — триплетным н т. д. Правило Хуиди, или лринчил малсимпльиой мульгиплетногги, утверждает, что основным состоянием атома будет то, в катаром его мультиплстпость наивысшая (т. е. значение 5 — наивысшее).
Рассмотрим основное состояние атома углерода (1з»2з»2р', заполненные подуровни !М н 2з' можно не учитывать). Два р-электрона могут быть спа. репы на одной и той же орбитали (5 = 0) или иметь параллельные спины на различных орбиталях (5 = !). Правило Хунда предсиазывает, что основным состоянием будет последнее (трнплетное) с 1- = 1; его обозначают 'Р (произносится «триплст-Р»), н эта обозначение называют снмволои терма (см. Приложение 2).
з«ля многих целей удобно представлять атомные орбитали в виде квантовых ячеек, а электроны — в виде стРелок (с учетом их спина), например; 2р (!!) К [!) ! (д «5-, Р., 0- и Р-состояпия атомов наблюдались спехтроскопнчески н были названы таи по первым буквам терминов гагр, рг(пс!Ри(, д!!!изе и !илдилиеп!п(, относящихся и характеристикам отдельных частей спектра. Позднее снмволыа з, р, д н ! были применены к орбитальным квантовым числам ! = 0,1, Одиаио при неправильном использоваянп такая запись может вводить в заблуждение, особенно прн нахождении символов термов. 2.4. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Современная Периодическая система элементов, так необходимая в работе каждому химику, — это результат труда большого числа ученых.
Теперь известно, что существует квантовомеханическая основа периодичности элементов. Но благодаря открытию Д. И. Менделеева и усилиям многих других химиков девятнадцатого столетия Периодическая система элементов была создана почти за полстолетия до открытия электрона [1). Обычную длиннопериодную форму Периодической системы (рис. 2.!2) можно рассматривать как графическое изображение правил заполнения электронами энергетических уровней, подуровней и атомных орбиталей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
