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 ml 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 ms 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

 

Правило 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 1s2     5+0=5 5+1=6 5+2=7 5+3=8 5s2 5p6 5d10 5f14
      2+0=2 2+1=3 2s2 2p6     6+0=6 6+1=7 6+2=8 6+3=9 6s2 6p6 6d10 6f14
    3+0=3 3+1=4 3+2=5 3s2 3p6 3d10   7+0=7 7+1=8 7+2=9 7+3=10 7s2 7p6 7d10 7f14  
  4+0=4 4+1=5 4+2=6 4+3=7 4s2 4p6 4d10 4f14

 

Правило Гунда (правило наибольшего суммарного спинового числа):