Принципы заполнения атомных орбиталей электронами

Ответьте, существует ли в природе атом,

абсолютно похожий на другой атом ?

Д. Дидро

Число электронов в нейтральном атоме определяет­ся зарядом ядра, который равен порядковому номеру соответствующего этому атому эле­мента в Периодической системе Д.И.Менделеева. Распределение элек­тронов в атомах подчиняется принци­пу минимума энергии, принципу Паули и правилу Хунда.

Принцип минимума энергии– электроны в невозбуждённом атоме распределяются по энергетическим уровням и подуровням так, чтобы их суммарная энергия была минимальна.

Иными словами, электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.

В многоэлектронных атомах возникает взаимодействие между ядром и электронами, находящимися на различных энергетических уровнях. Это приводит к перераспределению энергий подуровней. При больших значениях n энергии подуровней сближаются, и иногда подуровни с бόльшим значением n имеют меньшую энергию, чем подуровни с меньшим значением n.

Рис. . Энергетическая диаграмма уровней и подуровней*

Подуровень 3d имеет бόльшую энергию, чем подуровень 4s, так как энергетические подуровни одного уровня могут проникать в области энергии других уровней.

Энергия электрона в атоме определяется главным и побочным квантовыми числами.

1. Энергетические уровни и подуровни заполняются электронами в порядке последовательного увеличения суммы n + l.

2. При одинаковых значениях суммы n + l – в порядке возрастания n (1-е и 2-е правила Клечковского). В соответствии с этим в атоме наблюдается представленная ниже последова­тельность заполнения электронами энергетических уровней и подуровней, согласно которой элементы расположены по периодам в Периодической системе элементов Менделеева.

Пример. Для: 4s-подуровня (n = 4, l = 0) n + l = 4;

3d-подуровня (n = 3, l = 2) n + l = 5.

По 1-ому правилу 4s-подуровень будет заполняться первым, Е_4s < Е_3d.

Для: 4p-подуровня (n = 4, l = 1) n + l = 5;

5s-подуровня (n = 5, l = 0) n + l = 5.

По 2-ому правилу 4p-подуровень будет заполняться первым, Е_4p < Е_5s.

Последовательность заполнения электронами атомных орбиталей можно представить и в крат­кой форме:

E_ns < E_(n-1)d ≈ E_(n-2)f < E_nр

Принцип наименьшей энергии справедлив только для атома, находящегося в основном (невозбуждённом) состоянии, то есть имеющего мини­мальную энергию.

Пример 1.Какой энергетический подуровень в атоме будет заполняться электронами после запол­нения подуровня 4р ?

Решение. Подуровню 4р отвечает сумма главного и побочного квантовых чисел n + l, равная 4 + 1 = 5. Такая же сумма п + l отвечает подуровням 3d (3 + 2 = 5) и 5s (5 + 0 = 5). Поскольку подуровню 3d соответствует меньшее значение п, чем подуровню 4р, то он будет заполняться раньше. Следовательно, после заполнения подуровня 4р будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает большее значение п.

Пример 2.Какой энергетический подуровень в атоме будет заполняться вслед за подуровнем 4s?

Решение. Подуровню 4s отвечает сумма п + l = 4 + 0 = 4. Такая же сум­ма п + 1 отвечает подуровню 3р, но его заполнению предше­ствует заполнение подуровня 4s, так как последнему соответствует большее значение n. Следовательно, после заполнения подуровня 4s будет заполняться подуровень с суммой п + l = 5. Причём из возможных комбина­ций n + l, соответствующих этой сумме (n = 3, l = 2; п = 4, l = 1; п = 5, l = 0), первой будет реализовываться комбинация с наименьшим значением n, то есть вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.

Принцип (запрет) Паули* – в атоме не может быть электронов с одинаковым набором квантовых чисел.

Другими словами, электроны в атоме должны отличаться друг от друга значением хотя бы одного из квантовых чисел.

Согласно этому, одному из важнейших принципов теоретической физики и химии, на каждой атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём их спины должны быть различными: ↑↓. Из этого следует, что максимальное число электронов на энергетическом подуровне Х_ℓ = 2(2ℓ + 1), а на уровне Х_n = 2n², так как число орбиталей на каждом энергетическом уровне равно квадрату главного квантового числа.

Принцип Паули позволяет объяснить периодичность элек­тронных конфигураций атомов по мере возрастания заря­да их ядер и связанную с ней периодичность химических и физи­ческих свойств элементов.

Правило Хунда –в невозбуждённом атоме электроны одного энергетического подуровня занимают максимальное число свободных орбиталей с макси­мальным значением суммарного спина, соответствующего минимальной энергии атома.

Заполнение атомных орбиталей данного подуровня происходит так, чтобы суммарный спин был максимальным.

Например, в атоме азота электроны могут быть размещены следующим образом:

В соответствии с правилом Хунда энергетически более выгодным является вариант А, так как суммарный спин атома при этом равен 3/2, а в варианте Б только ½.

Таким образом, согласно правилу Хунда вначале происходит последователь­ное заполнение всех атомных орбиталей энергетического подуровня по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем вторыми электронами.

Например, порядок заполне­ния орбиталей р-подуровня следующий:

Σ ½ 1 1 ½ 0

Если учесть взаимное расположение одинаковых орбиталей в пространстве, то правило Хунда приобретает простой физический смысл: электроны как одноимённо заряженные частицы, отталкиваясь друг от друга, стремятся разместиться по возможности как можно дальше друг от друга, то есть на разных орбиталях одного энергетического подуровня.

При последовательном заполнении подуровней электроны ведут себя примерно так, как пассажиры, входяшие в пустой автобус: они вначале рассаживаются на сиденьях по одному, и лишь когда все места у окошек заняты, начинают занимать соседние.

Обобщая принципы заполнения электронами энергетических уровней и подуровней в атоме, необходимо отметить, что в невозбуждённом атоме на внешнем уровне n не мо­жет находиться больше восьми электронов (на 1-м уровне – двух), поэтому после достижения конфигурации ns²np⁶ происходит заполнение электро­нами следующего уровня (n + 1). В целом по­следовательность заполнения электронами атомных орбиталей подчиняется общему принципу: стремление системы к мини­муму энергии.

Химические свойства элементов определяются элек­тронным строением атомов.

Описать электронное строение атома – это значит, в первую очередь, указать распределе­ние электронной плотности около его ядра, то есть оп­ределить область пространства, где могут нахо­диться электроны. Однако для полного описания электронного строения атома этого не­достаточно.

[2] Таблица

Распределение электронов по энергетическим

уровням и подуровням атомов элементов