Графические электронные формулы

Недостатком буквенно-цифровых электронных формул является использование только двух квантовых чисел n и l.

Более полно описывает состояние электронов в атомах метод квантовых ячеек, использующий все четыре квантовых числа. Каждой квантовой ячейке отвечает определенная орбиталь, электрон изображается в виде стрелки, а направление последней олицетворяет спиновое квантовое число. Свободная ячейка обозначает свободную орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении атома. На каждой орбитали (квантовой ячейке) могут находиться или один электрон, или два электрона с противоположными спинами (часто их называют электронами с антипараллельными спинами). Например:

- орбиталь, не занятая электронами, вакантная или свободная

орбиталь;

- орбиталь, занятая одним электроном (неспаренный электрон);

- орбиталь, занятая двумя электронами с антипараллельными спинами (спаренные электроны).

Согласно принципу Паули, на одной орбитали может находиться не более двух электронов, следовательно, в каждой квантовой ячейке не может быть более двух противоположно направленных стрелок.

Для графического изображения электронной формулы необходимо:

написать значения главных квантовых чисел соответственно количеству энергетических уровней;

правее в скобках написать количество орбиталей на каждом энергетическом уровне, равное квадрату главного квантового числа n².

нарисовать необходимое количество квантовых ячеек (клеток) на каждом энергетическом уровне, и обозначить буквами подуровни, помня, что на:

s-подуровне – одна орбиталь, т.е. – 1 клетка;

p-подуровне – 3 орбитали, т.е. – 3 клетки;

d-подуровне – 5 орбиталей, т.е. – 5 клеток;

f-подуровне – 7 орбиталей, т.е. – 7 клеток;

нарисовать в клетках стрелки по количеству электронов, указанных в буквенно-цифровой электронной формуле.

Пользуясь рассмотренным правилом, изобразим строение электрон-ной оболочки атома алюминия графически.

n = 3 (9)

n = 2 (4)

n = 1 (1)

При этом подразумевается, что энергия орбиталей растет по вертикали, потому при одном и том же значении главного квантового числа р-ячейки должны располагаться выше, чем s-ячейки. Однако, для простоты и наглядности квантовые ячейки для данного энергетического уровня (n = const) будем изображать на одной горизонтали.

Приведенный анализ графических электронных формул атомов имеет большое значение в оценке химических свойств элементов.

Правило Гунда

Это правило определяет порядок заполнения (заселения) электронами орбиталей с одинаковой энергией в пределах одного энер-гетического подуровня (например, пяти d-орбиталей). При заселении (заполнении) орбиталей с одинаковой энергией электроны в первую очередь расселятся поодиночке на вакантных орбиталях, после чего начинается заселение орбиталей вторыми электронами.

Это происходит в соответствии с правилом Гунда, согласно кото-рому на орбиталях с одинаковой энергией электроны остаются по возможности неспаренными.

Такая особенность объясняется наличием электрон-электронного отталкивания. Например, два электрона, один из которых находится на р_х-орбитали, а другой на р_у-орбитали, имеют возможность находиться на большем расстоянии друг от друга, чем два электрона, спаренные на одной р_х-орбитали или на другой р_у-орбитали.

Следствием правила Гунда является особая устойчивость полу-заполненного набора орбиталей, т.е. полного набора всех орбиталей с одинаковой энергией, на каждой из которых находится по одному электрону. Так, например, при заселении набора из пяти d-орбиталей шестым электроном он вынужден спариваться с другим электроном, уже находящимся на какой-либо из орбиталей. По аналогичной причине четвертый электрон, заселяющий набор из трех р-орбиталей, удер-живается в атоме менее прочно, чем третий электрон.

Таким образом, правило Гунда отражает тенденцию к сохранению максимального числа неспаренных электронов; оно было установлено экспериментально на основе изучения атомных спектров. Правило Гунда необходимо учитывать при графическом изображении электронных формул. Например, для атома с электронной конфигурацией 1s²2s²2p³ графическая формула с учетом правила Гунда будет иметь вид:

p_x p_y p_z

n = 2 (4)

n = 1 (1)

Принцип наименьшей энергии

Заполнение электронами электронной оболочки атома происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии. В чем же сущность этого принципа?

Максимальная устойчивость атома как системы микрочастиц отвечает минимуму его полной энергии, т.е. наибольшая устойчивость атома будет в том случае, когда энергия его будет наименьшей.

Поэтому электроны при заполнении энергетических уровней и подуровней в электромагнитном поле ядра стремятся занять такое положение в атоме, которое отвечает минимуму энергии. Это обеспе-чивается в том случае, когда электрон находится на ближайших к ядру энергетическом уровне и подуровне. В этом положении электрон, обладая наименьшей энергией, имеет наибольшую связь с ядром.

Для того чтобы определить, какой энергетический уровень и подуровень будет заселяться очередным электроном, следует пользова-ться следующими закономерностями.

Известно, что в многоэлектронных атомах энергия электронов зависит от квантовых чисел n и l (т.е. основная энергия электронов определяется значениями главного и орбитального квантовых чисел). При этом с ростом этих квантовых чисел энергия увеличивается. Поэтому энергия электрона будет наименьшей в том случае, когда наименьшей будет сумма значений

n + l = min

Эта закономерность установлена советским ученым В.М. Клечковским и известна в науке как правило Клечковского, или правило последовательности заполнения (n + l) – групп.

Электроны заполняют в первую очередь те подуровни, для которых сумма n + l имеет наименьшее значение.

В случае равенства сумм n + l для различных уровней электрон заселяет более низкий подуровень с меньшим значением главного квантового числа.

На основе рассмотренных закономерностей попытаемся установить последовательность заполнения электронами энергетических уровней и подуровней в атомах.

Начертим энергетические диаграммы атома

0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 0 2 3 0 1

l 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6d6f7s7p

n + l 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8

Отсюда последовательность заполнения уровней в атоме

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d

Анализ приведенной последовательности заполнения электронами энергетических уровней и подуровней в атомах с учетом двух правил Клечковского показывает отклонение от этих правил в двух случаях (эти отклонения были установлены экспериментально). Так, 5d-подуровень (5 + 2 = 7) заполняется одним электроном раньше 4f-подуровня (4 + 3 = 7) и 6d-подуровень заполняется одним электроном раньше 5f-подуровня (5 + 3 = 8).

Теоретическое обоснование отмеченных фактов заключается в том, что энергетические состояния вышеуказанных подуровней очень близки по значению между собой, и электронам энергетически выгодно занимать сначала 5d- и 6d- подуровни одним электроном раньше, чем соответственно 4f- и 5f- подуровней и только после этого начинается заселение 4f- и 5f- подуровней.

Таким образом, реальная последовательность заполнения электро-нами энергетических уровней и подуровней в электромагнитном поле ядра в строгом соответствии с экспериментальными данными будет иметь вид:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹4f¹⁴5d^2-10

6p⁶7s²6d¹5f¹⁴6d^2-37p незавершен

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒