Строение электронной оболочки атома

В 25 - 30 годах прошлого столетия была создана квантовая теория строения атома, которая изучает и объясняет взаимодействие и движение микрочастиц: атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.). Экспериментально установлено, что электрон имеет двойственную природу:он обладает одновременно свойствами частицы и свойствами волны. Электроны в атоме характеризуются разной энергией, находятся на разном расстоянии от ядра и образуют разные энергетические уровни. Электроны, которые находятся на одинаковом расстоянии от ядра, образуют один энергетический уровень. 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 величину энергии электрона данного уровня; n может принимать значения1, 2,3, 4, 5, 6,7 (только целые числа).

Электроны с п = 1 образуют ближайший к ядруатома электронный слой (энергетический уровень). Электроны с п = 2 образуют второй от ядра атома электронный слой и т. д.

2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму электронной орбитали (энергетические подуровни); при данном значении n l может принимать значения целых чисел от 0 до n - 1. Орбитали с различным значением l обозначаются буквами s, p, d, f.

Состояние электрона, которое характеризуется значением l, называется энергетическим подуровнем. Электроныc одинаковымизначениями п, но разнымизначениями l отличаются запасомэнергии. Число энергетических подуровней каждого электронного слоя равно номеру слоя, т. е. значению главного квантового числа.

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. Так, при l = 0 m_l = 0. Это значит, что s -орбиталь имеет одинаковую ориентацию относительно трех осей координат. Таким образом, магнитное квантовое число определяет число орбиталей на подуровне

Четвертое квантовое число m _s – спин – может иметь только два значения + 1/2 и – 1/2.

Согласно принципу 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: …

Расположение электронов по слоям и орбиталям изображают в виде электронных конфигураций. 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.Например, 2s² доказывает, чтона втором электронном слое на s -орбитали находится два электрона.

Максимальное число электронов на одной s -орбитали – 2,на трех p -орбиталях– 6, на пяти d - орбиталях– 10 и на семи f –орбиталях – – 14.

Максимальное число электронов (N) в электронном слое можно определитьпоформуле N = 2n², где п - номер слоя (значение главногоквантового числа). Но в атомах многих элементов электронные слоине заполняются полностью.

Последовательность заполнения электронныхслоев определяется правилом 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.

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 5f¹⁴….

Поэтому, например, в атоме элемента скандия Sc после заполнения 4s- орбиталей заполняются 3d -орбитали, а не 4р.

При заполнении электронами орбиталей соблюдается также и правило Гунда (наибольшего суммарного спинового числа):