Строение электронных оболочек атома

В 1900г. М. Планк предположил, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно (порциями). Квант – это минимальная порция электромагнитного излучения с определенной частотой.

Уравнение Планка

Е=h×n (уравнение Планка), где n – частота излучения; h =6,626×10^-34 Дж×с – постоянная Планка.

Частота колебаний и длина волны связаны соотношением: , где – скорость света.

В 1913г. Н. Бор предложил теорию строения атома, объединившую ядерную модель атома с квантовой теорией света и сформулировал следующие постулаты:

1) Электрон может вращаться вокруг ядра только по некоторым определенным круговым орбитам.

2) Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.

3) Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

В 1924 г. Луи де Бройль предложил движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это выражается cледующим уравнением, согласно которому частице массой , движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной :

Корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) заключается в том, что любые микрочастицы материи (фотоны, электроны, протоны, атомы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

В 1925 г Гейзенберг предложил принцип неопределенности, согласно которому характер движения электрона принципиально не может быть фиксирован. Оценивается лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте пространства. Оценка этой вероятности проводится чисто математическим путем при помощи волнового уравнения Шредингера (1926 г).

 

Электроны в атоме находятся на разном расстоянии от ядра и образуют разные энергетические уровни (электронные слои). Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.

Состояние электрона в атоме описывают четырьмя квантовыми числами.

1. Главное квантовое число п обозначает номер уровня и характеризует запас энергии электрона. n может принимать значенияот 1 до 7 (только целые числа) и соответствует номеру периода, в котором находится элемент в ПС. Энергетический уровень – это совокупность орбиталей близкой энергии и близкого размера (форма орбиталей может отличаться).

 

Электроны с п =1 образуют ближайший к ядруатома электронный слой. Электронные слои также обозначаются большими буквами латинского алфавита К, L, М, N. О, Р, Q и т. д.

 

Значение n
Обозначение электронного слоя	K	L	M	N	O	P	Q

 

2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму электронной орбитали (энергетические подуровни). Подуровень – это совокупность орбиталей в пределах данного уровня с абсолютно одинаковой энергией и одинаковой формой.

 

l
Обозначение орбиталей и форма	s	p	d	f
	шар	гантель	лепесток

 

При данном значении n l может принимать значения целых чисел от 0 до n – 1.

n	l	Энергетические подуровни
		s
	0, 1	s, p
	0, 1, 2	s, p, d
4, 5, 6, 7	0, 1, 2, 3	s, p, d,f

 

3. Магнитное квантовое число m_l определяет ориентацию орбиталей в пространстве и может принимать значения целых чисел от –l до +l, в том числе значение 0.

l	ml	Число и вид орбиталей
		1s
	–1, 0, +1	3p
	–2, –1, 0, +1, +2	5d
	–3, –2, –1, 0, +1,+2, +3	7f

 

Рис. 3. Изображение орбиталей: a – s –электронной; б – p –электронных; в – d -электронных

4. Спин m_s характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и принимает два значения + 1/2 (вращение по часовой стрелке) и –1/ 2 (вращение против часовой стрелки).

 

Принцип Паули:

В атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел. На одной орбитали может находиться не более двух электронов и эти электроны имеют противоположные (антипараллельные) спины.

Орбиталь с двумя электронами, спины которых антипараллельны (квантовая ячейка), схематически изображают так:

Максимальное число электронов (N) в электронном слое можно определитьпоформуле N = 2n², п - номер слоя (главноеквантовое число).

1) n = 1, N = 2×1² = 2

 

n = 1

s

 

Электронная конфигурация 1s²: большая цифра показывает номер слоя (главное квантовое число); буква(s, p, d, f) обозначает форму орбитали (орбитальное квантовое число); маленькая цифранадбуквой справавверхупоказывает число электронов наданнойорбитали.

2) n = 2, N = 2×2² = 8

n = 2

s р

2s²2p⁶

3) n = 3, N = 2×3² = 18

n = 3

s p d

3s²3p⁶3d¹⁰

4) n = 4, N = 2×4² = 32

n = 4

s p d f

4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴

 

П равило наименьшего запаса энергии:

Орбитали заполняются электронами в порядке возрастания их энергии, которая характеризуется суммой n + l. При этом если сумма
п + l двух разных орбиталей одинакова, то раньше заполняется орбиталь, у которой n меньше.

Как видно из таблицы, порядок заполнения электронных орбиталей по сумме п + 1 следующий:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s² 5f¹⁴6d¹⁰7p⁶6f¹⁴7d¹⁰7f¹⁴.

 

n	l	n+l	Орбиталь	Порядок заполнения	n	l	n+l	Орбиталь	Порядок заполнения
		1+0=1	1 s2				5+0=5 5+1=6 5+2=7 5+3=8	5 s2 5 p6 5 d10 5 f14
		2+0=2 2+1=3	2 s2 2 p6				6+0=6 6+1=7 6+2=8 6+3=9	6 s2 6 p6 6 d10 6 f14
		3+0=3 3+1=4 3+2=5	3 s2 3 p6 3 d10				7+0=7 7+1=8 7+2=9 7+3=10	7 s2 7 p6 7 d10 7 f14
		4+0=4 4+1=5 4+2=6 4+3=7	4 s2 4 p6 4 d10 4 f14

 

Правило Гунда (правило наибольшего суммарного спинового числа):