Строение атома. Электронные оболочки. Квантовые числа. Главное квантовое число

электрона в атоме. Оно может принимать значения целых чисел:
1, 2, 3 … n
Каждому значению квантового числа n соответствует свой энергетический уровень.
Число энергетических уровней в атоме заселенных электронами, равно номеру периода, в котором находится элемент в таблице Менделеева.

третьему периоду, располагаются на трех энергетических уровнях.
Электроны, находящиеся на ближайшем к ряду энергетическом уровне (n=1) обладают наименьшей энергией. При поглощении квантовой энергии (Е=hν) электрон переходит на более высокий энергетический уровень. При переходе на более низкий уровень – электрон испускает квант энергию.

(продолжение)

и электронного облака. Оно может принимать значение от нуля до n-1:
ɭ = 0, 1, 2, 3 … n-1
Например, если главное квантовое число равно четырем (n=4), то ɭ принимает значения 0, 1, 2, 3.

, несколько отличаются по энергии. Поэтому говорят, что электроны данного энергетического уровня группируются в энергетические подуровни.

ОРБИТАЛЬНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (ɭ )

Этим подуровням присвоены следующие буквенные обозначения:
Орбитальное квантовое число (l) 0 1 2 3
Обозначение энергетического s p d f
подуровня

(продолжение)

т.е. номеру этого уровня.
Первый энергетический уровень (n=1) состоит из одного s – подуровня; второй (n=2) – из двух (s; p) подуровней; третий (n=3) – из трех (s; p; d) подуровней; четвертый (n=4) – из четырех (s; p; d; f) подуровней:

Главное квантовое
число (n)
(номер уровня)

1

2

3

4

Типы подуровней

s

s, p

s, p, d

s, p, d, f

ОРБИТАЛЬНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (ɭ )

(продолжение)

) = 0, 1, 2, 3 соответственно называются s-, p-, d-, f- орбиталями (или s-, p-, d-, f- электронами). Наименьшей энергией обладают s- электроны, далее p-, d-, f- электроны.
Формы s-, p-, d-, f- орбиталей (электронов) представлены на рисунке.

x

x

x

z

Py

Pz

y

y

y

z

z

Px

все целочисленные значения от – ɭ до + ɭ, включая ноль:
m = – l … 0 … + l
Например: при ɭ = 2 имеем
m = – 2, – 1, 0, + 1, + 2
Число значений числа m зависит от орбитального квантового числа и указывает на число энергетических состояний (орбиталей), в которых может находиться электрон данного подуровня (с данным значением ɭ ). Число орбиталей с данным значением (ɭ ) равно 2ɭ + 1

МАГНИТНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (m)

квантовое
число (m)

Число орбиталей
(облаков)

0

1

2

3

0

– 1, 0, + 1

– 2, – 1, 0, + 1, + 2

–3, – 2, – 1, 0,
+ 1, + 2, + 3

1

3

5

7

называют квантовой ячейкой.
s – подуровень состоит из 1 ячейки
p – подуровень состоит из 3 ячеек
d – подуровень состоит из 5 ячеек
f – подуровень состоит из 7 ячеек

s

p

d

f

или s-, или p-, или d-, или f- орбитали к каждому бы уровню ни относились, имеют одинаковую форму и симметрию. Так все 1s, 2s, 3s и т.д. орбитали имеют вид шарового слоя. р- орбитали – вид гантелей.

всего два значения:

Гипотеза о наличии у электрона так называемого спина была выдвинута в 1925 г. (сначала - для наглядности - считалось, что это явление аналогично вращению земли вокруг своей оси при движении ее по орбите вокруг Солнца).

+ ½ и – ½

На самом деле, спин - это чисто квантовое свойство электрона, не имеющее классических аналогов. Строго говоря, спин - это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве.

Для всех электронов абсолютное значение спина всегда равно s = 1/2. Проекция спина на ось Z (магнитное спиновое число) может иметь лишь два значения: mS= +1/2 или mS = -1/2.

всех четырех квантовых чисел».
Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами n, l, m, то в ней могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами:

ПРИНЦИП ПАУЛИ

Xe = 2 (2l + 1); s–2; p–6; d – 10; f – 14

Максимальное число электронов равно:

На подуровне:

На уровне:

N = 2n2

атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т.е. электрон должен обладать наименьшей энергией».

ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕЙ ЭНЕРГИИ

Этот принцип выражает общие термодинамические требования к устойчивости систем: максимум устойчивости соответствует минимум энергии.

На практике «принцип наименьшей энергии» применяется в виде правил Клечковского:

= 4 + 0 = 4] [(n + l ) = 3 + 2 = 5]
5p < 4f
[(n + l ) = 5 + 1 = 6] [(n + l ) = 4 + 3 = 7]

«В первую очередь заполняются те подуровни, для которых сумма значений главного и побочного квантовых чисел (n + l) является наименьшей; при одинаковой сумме (n + l) сначала заполняется подуровень с меньшим значением главного квантового числа n».

Правила Клечковского

ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕЙ ЭНЕРГИИ

Пример 1

+ l)

3+2=5

4+1=5

5+0=5

3d

4p

5s

1s→2s→2p→3s→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d →

Правила Клечковского. Пример 2:

В этом случае сначала заполняется подуровень с меньшим значением главного квантового числа n, т.е. в такой последовательности:

3d → 3p → 5s

В целом заполнение уровней и подуровней идет в последовательности:

→6p→7s→5f→6d

число их /ΣS/ максимально»:

ПРАВИЛО ХУНДА

или

ΣS = ½ + ½ +½ = +3/2; ΣS = – ½ – ½ –½ = –3/2

Всякое другое распределение неверно:

впереди букв означают энергетический уровень, в котором находится данный электрон, а индекс вверху справа – число электронов на данном подуровне
Запись 5p3 означает, что на p- подуровне пятого энергетического уровня располагаются три электрона.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ФОРМУЛЫ АТОМОВ

Определить порядковый номер элемента (а, следовательно, число электронов в атоме);
2. Определить число энергетических уровней, на которых будут располагаться электроны /по номеру периода/;
3. Распределить электроны по подуровням и уровням, руководствуясь требованиями основных положений.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ФОРМУЛЫ АТОМОВ

Паули, правил Клечковского и правила Хунда, а также следующей таблицей:

ЭЛЕКТРОННЫЕ ФОРМУЛЫ АТОМОВ

Номер
уровня

Число
подуровней

Типы
подуровней

Число
орбиталей

Максим. число
электронов на
подуровне

1

1

1s

1

2

2

2

2s
2p

1
3

2
6

3

3

3s
3p
3d

1
3
5

2
18
10

4

4

4s
4p
4d
4f

1
3
5
7

2
32
10
14

8

в атоме всего 16 электронов
2. Сера находится в третьем периоде: 16 электронов располагаются на трех энергети-ческих уровнях:
1s 2s2p 3s3p3d
3. Распределим 16 электронов по энергетическим подуровням в соответствии с принципом наименьшей энергии и принципом Паули:
16S – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 – формула атома серы.

СОСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ФОРМУЛ АТОМОВ

в атоме 20 электронов
2. Са стоит в четвертом периоде: 20 электронов располагаются на четырех уровнях:
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
3. Распределим 20 электронов:
20Са – 1s22s22p63s23p63d04s2 или 1s22s22p63s23p64s2

СОСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ФОРМУЛ АТОМОВ

= 22: в атоме 22 электрона
2. Ti стоит в 4-ом периоде: электроны располагаются на 4-х уровнях:
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
3. Распределим 22 электрона по подуровням, выполнив требования принципа Паули и принципа наименьшей энергии:
22Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
или
22Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2

СОСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ФОРМУЛ АТОМОВ

Се = 58: в атоме 58 электронов
2. Се стоит в шестом периоде: 58 электронов расположены на шести уровнях:
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p …
3. Распределим 58 электронов по подуровням
58Ce – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s2 4f2
4f (n + l = 4 + 3 = 7) 5p (n + l = 5 + 1 = 6)
5s (n + l = 5 + 0 = 5) 6s (n + l = 6 + 0 = 6)
5s → 5p → 6s → 4f

… 3d8 4s2

3d

4s

Сокращенная эл. формула:

на четыре типа (семейства):
1) S – элементы: заполняется S- подуровень внешнего уровня. Их общая формула:
… nS2 n – номер периода
К s–элементам относятся первые два элемента каждого периода.
2) P – элементы: заполняется P- подуровень внешнего уровня. Их общая формула:
… nS2 n P1–6
К p – элементам относятся последние шесть элементов каждого периода /кроме 1-ого и 7-ого/.

ЧЕТЫРЕ ТИПА ЭЛЕМЕНТОВ

уровня. Их общая формула:
… (n-1) d1-10 nS2
На наружном уровне у них 2 иногда 1 электрон (s1-2).
К d-элементам относятся 10 элементов больших периодов, расположенных между s- и р- элементами.

ЧЕТЫРЕ ТИПА ЭЛЕМЕНТОВ

или (n-2) f1-14 (n-1) d1 nS2

4) f – элементы: у них заполняется d- подуровень второго снаружи уровня. Их общая формула:

…(n-2) f1-14 nS2

К f -элементам относятся лантаноиды и актиноиды

1. Сколько элементов содержится в периоде:

№ периода

Число элементов в периоде

1 2
2 8
3 8
4 18
5 18
6 32
7

∑ = 18

3

∑ = 36

4

∑ = 54

5

∑ = 86

6

не закончен

элементов каждого периода (кроме 1-го и 7-го) - это р-элементы.
4. 10 элементов (начиная с 3-го) больших периодов – это d-элементы.
5. После лантана (57La) следуют 4f-элементы.
6. После актиния (89Ac) следуют 5f-элементы

Составление электронных конфигураций атомов без помощи таблицы Менделеева

< 36, значит это элемент 4-го периода;
2) Определим какой по счету он в периоде: 27-18=9, значит это 9-й элемент 4-го периода;
3) Учитывая, что первые два элемента в периоде относятся к s–элементам, делаем вывод, что это 7-ой d –элемент 4-го периода;

Пример: Составить электронную конфигурацию 27Э.

Составление электронных конфигураций атомов без помощи таблицы Менделеева

4) Общая формула d –элементов: …(n-1)d1-10ns2

5) Значит формула элемент 27Э : (n-1)d1-10ns2 = 3d74s2

Почему число АО на L-уровне равно четырем?

ПРИМЕРЫ и ЗАДАЧИ