Ю.М. Коренев, В.П. Овчаренко - Общая и неорганическая химия (1114428), страница 7
Текст из файла (страница 7)
орбиталей с близкими значениями энергий,образует энергетический уровень.Если при описании строения атома водорода не возникает особыхпроблем – всего один электрон, который в основном состоянии должензанимать орбиталь с минимальной энергией, то при описании строениямногоэлектронных атомов необходимо учитывать взаимодействиеэлектрона не только с ядром, но и с другими электронами. Отсюдавозникает проблема последовательности заполнения электронамиразличных подуровней в атоме. Эта последовательность определяетсятремя «правилами».1.
Принцип Паули. В одном атоме не может быть двух электронов содинаковым набором значений всех четырех квантовых чисел.Это означает, что электроны должны отличаться значением хотя быодного квантового числа. Первые три квантовых числа характеризуюторбиталь, на которой находится электрон. И если два электрона имеютодинаковый их набор, то это означает, что они находятся на одной и той жеорбитали. В соответствии с принципом Паули они должны отличатьсязначением спина.
Из этого следует, что на одной орбитали могут находитсятолько два электрона с противоположными по знаку значениями спина.Дляопределения«емкости»энергетическогоуровня,т. е.максимального числа электронов, которые могут находиться на уровне сглавным квантовым числом n, составим следующую таблицу:32Строение атомаТаблица 10Максимальная электронная емкость первых трех энергетических уровнейчисло электроновsnlmlна подуровне2210(s)012230(s)01(p)122–1, 0, +11260(s)01221(p)–1, 0, +11262(d)–2, –1, 0, +1, +21210818Из таблицы видно, что число орбиталей на данном энергетическомуровне в зависимости от значения n образует арифметическую прогрессию,где первый член a1 = 1, а последний – an = 2l + 1.
Разность прогрессии равна2, а число членов – n. Сумма Sn прогрессии в этом случае будет равна:Sn =a1 + an(1 + 2l + 1) n= (l + 1)n,n=22а с учетом l = n – 1Sn = (n – 1 + 1)n = n2.Таким образом, общее число орбиталей на энергетическом уровне созначением главного квантового числа n равно n2. А так как на однойорбитали может находиться лишь два электрона, получаем, чтомаксимальная электронная емкость энергетического уровня составляет 2n2.Существует определенная форма записи состояния электрона в атоме.Например, для основного состояния атома водорода она выглядит так:Уровеньчисло электронов1s1подуровеньЭто означает, что на первом энергетическом уровне на s-подуровненаходится один электрон. Существует и другая форма записираспределения электронов по подуровням – с помощью квантовых ячеек.Орбиталь в этом случае принято условно обозначать квадратами, аэлектроны – стрелками ↑ или ↓, в зависимости от знака спина.
Тогдаэлектронное строение атома водорода можно изобразить так:1s33Глава IIЭлектронное строение атома с бóльшим числом электронов, напримератома бора, можно записать следующими способами:1s22s22p12sили2p1s2. Правило Хунда. Это правило определяет последовательностьзаполнения орбиталей электронами в пределах одного подуровня.Правило Хунда формулируется так: «В пределах одного подуровняэлектроны располагаются по орбиталям таким образом, чтобы ихсуммарный спин был максимальным, т.
е. на подуровне должно бытьмаксимальное число неспаренных электронов». Рассмотрим выполнениеэтого правила на примере заполнения p-подуровня.1 вариантсуммарный спин2 вариантсуммарный спин121321120120120120В соответствии с правилом Хунда заполнение орбиталей происходитпо первому варианту, т. е. сначала электроны занимают все свободныеорбитали и только потом происходит их спаривание.3.
Принцип наименьшей энергии (правило Клечковского).Заполнение энергетических уровней в водородоподобных атомах(микросистема, состоящая из ядра и одного электрона) происходит всоответствие с монотонным ростом главного квантового числа n (n = 1, 2, 3,… и т. д.). При каждом значении n заполнение подуровней должноосуществляться в порядке возрастания орбитального квантового числа l,которое принимает значения от 0 до (n – 1). И заполнение следующегоэнергетического уровня начинается только в том случае, когдапредыдущий уровень заполнен полностью. Максимальное числоэлектронов на энергетическом уровне определяется формулой 2n2 и,следовательно, максимальные числа электронов в периодах должны бытьследующими:№ периода (n)Таблица11Предполагаемое число электронов в периодахМаксимальное число электронов123428183234Строение атома550Реально же в Периодической системе наблюдается другая картина:Таблица12Реальное число электронов в периодахМаксимальное число электронов28818183232№ периода (n)1234567Как видно из этой таблицы, периоды располагаются парами,исключение составляет только первый период, содержащий всего дваэлемента, у которых заполняется первый энергетический уровень,состоящий из одного подуровня, и нет внутренних электронов, которыемогли бы повлиять на строение внешнего уровня.
В остальных же случаяхнаблюдается следующая картина: строение третьего периода подобностроению второго (и оба содержат по 8 элементов), строение пятогопериода подобно строению четвертого (и в обоих по 18 элементов), –седьмого подобно строению шестого (по 32 элемента).Значительно лучшее совпадение с действительностью даетраспределениеэлектроновпо(n + l)группам,предложенноеВ. М. Клечковским: «В атоме каждый электрон занимает тот подуровень, накотором его энергия будет минимальной».Выше указывалось, что энергия электрона определяется не толькозначением главного квантового числа, но и значением орбитального,поэтому для того, чтобы определить, какой подуровень будет заполнятьсяэлектронами в первую очередь, необходимо учитывать значения обоихквантовых чисел.Для практического применения правило Клечковского можносформулировать так:а)«Заполнениеподуровнейэлектронамипроисходитвпоследовательности увеличения суммы соответствующих им значенийглавного и орбитального квантовых чисел».б) «В случае одинаковых значений этой суммы для несколькихподуровней, заполняется сначала тот подуровень, для которого главноеквантовое число имеет наименьшее значение».Рассмотрим конкретное применение этого правила:Таблица 13Сумма значений главного и побочного квантового числаnl10203101420152335012634012345Глава IIn+l12334545675678967891011Для первых двух значений сумм (n + l), равных соответственно 1 и 2,нет альтернативных вариантов, и заполнение подуровней происходит вследующей последовательности: 1s и затем 2s.
Начиная со значения суммы,равной 3, возникают два варианта: заполнять 2p-подуровень или 3sподуровень. В соответствии с правилом Клечковского, выбираем тотподуровень, для которого n имеет меньшее значение, т. е. 2p-подуровень.Затем заполняется 3s-подуровень. Далее значение n + l = 4. Таких значенийопять два: для 3p-подуровня и для 4s-подуровня (случай, аналогичныйпредыдущему). Сначала будет заполняться 3p-, а затем 4s-подуровень. 3dподуровень остается свободным, так как сумма n + l для него больше, чемдля 4s.ПрименяяправилоКлечковского,получимследующуюпоследовательность заполнения энергетических подуровней:1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 4f 5d 6p.Но такое заполнение происходит до определенного момента.
Еслирассмотреть изменение энергии подуровней с увеличением заряда ядраатома (см. рис. 8), то можно увидеть, что энергия всех подуровнейснижается. Но скорость понижения энергии у разных подуровней неодинакова. Поэтому, если до кальция 3d-подуровень был по энергии выше4s, то начиная со скандия и последующих элементов, его энергия резкоснижается, о чем говорит, например, электронное строение иона Fe2+(1s22s22p63s23p63d6).
Из приведенного электронного строения иона видно,что два валентных электрона железа ушли с менее энергетическивыгодного 4s-подуровня. Аналогичная инверсия энергий наблюдается у 5sи 4f-, а также у 6s- и 5f-подуровней.36Строение атома5d4f6s6s5f5d5p4d5s5p5s4p3d4s4f4d4p4s3p3d3p3s3s2p2p2s2s1s206040Заряд ядра (Z)801sРис. 6. Схема изменения энергии подуровней с ростом заряда ядра.В дальнейшем было установлено, что полностью и наполовинузаполненные подуровни обладают повышенной устойчивостью.
Так, для dподуровня устойчивыми электронными конфигурациями являются d 10 и d 5,а для f-подуровня – соответственно f 14 и f 7. Этим объясняются аномалии встроении внешних энергетических уровней некоторых элементов,например, у хрома валентные электроны должны были располагаться3d 44s2, а реально – 3d 54s1, у меди должно быть 3d 94s2, а на самом деле3d 104s1. Аналогичные переходы электронов с s-подуровня на d-подуровеньнаблюдаются у молибдена, серебра, золота, а также и у f-элементов.Есть также и некоторые другие аномалии в строении внешнихэнергетических уровней, в основном у актиноидов, которые здесьрассматриваться не будут.37Глава IIПосле прочтения главы 2Вы должны знать, что…Состояние электрона в атоме определяется набором значений четырехквантовых чисел, каждое из которых отражает определенную физическуювеличину. Для первых трех квантовых чисел можно ввести игеометрическую интерпретацию:главное квантовое число n определяет размеры орбиталей,орбитальное квантовое число l определяет геометрическую формуорбиталей,магнитное квантовое число ml определяет расположение орбиталей впространстве относительно выбранной системы координат.Заполнение энергетических подуровней атомовневозбужденном состоянии подчиняется трем правилам:принципу Паули,правилу Хунда иправилу Клечковского.электронамивЗадачи с разбором1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
