Материал: Строение вещества. методические указания к внеаудиторной самостоятельной работе по химии. Барсукова Л.Г., Вострикова Г.Ю

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями трех квантовых чисел n, l и ml, т.е. определенными энергией, размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, получило название атомной электронной орбитали. Атомная орбиталь математическая модель электронного облака. Число орбиталей в подуровне определяется числом значений магнитного квантового числа для этого подуровня.

Исследования атомных спектров привели к выводу, что помимо квантовых чисел n, l и ml, электрон характеризуется еще одной квантовой величиной, не связанной с движением электрона вокруг ядра, а определяющей его собственное состояние. Это спиновое квантовое число.

Спиновое квантовое число (ms). Физический смысл этого числа можно упрощенно рассматривать как результат вращения электрона вокруг своей оси по часовой стрелке, либо против. Спин электрона может иметь только два зна-

чения + 1/2 и - 1/2.

1.2. Электронная структура атомов

Для определения состояния электрона в атоме большое значение имеет сформулированное Б. Паули положение (принцип Паули), согласно которому в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы. Из этого следует, что каждая атомная орбиталь может быть занята не более чем двумя электронами, характеризующимися определенными n, l, ml, но различающимися значением спинового квантового числа: +1/2 или -1/2. Два таких электрона, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами, называются спаренными в отличие от одиночных (неспаренных).

Пользуясь принципом Паули, можно подсчитать максимальное число электронов на различных энергетических уровнях и подуровнях ( табл. 2).

Таблица 2

Распределение электронов на атомных орбиталях

6

Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению энергии (принцип энергетической выгодности). Любое другое его состояние является возбужденным, неустойчивым, из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией. Возрастание энергии по энергетическим состояниям и, следовательно, порядок заполнения их электронами в многоэлектронных атомах происходит следующим образом:

1s < 2s <2p <3s <Зр< 4s <3d <4p < 5s <4d <5p <6s <4f ≈5d < 6p <7s <5f ≈ 6d <7р.

Последовательность заполнения атомных электронных орбиталей в зависимости от значений главного и орбитального квантовых чисел была исследована советским ученым В. М. Клечковским, который обнаружил, что энергия электрона возрастает по мере увеличения суммы этих двух квантовых чисел, т.е. величины (n + l). В соответствии с этим им сформулировано первое правило: при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшей суммой (n + l) к орбиталям с большей суммой (n + l). Например, раньше заполняются орбитали 4s, чем

3d. Для первой (n + l) = 4+0 = 4, для вторых (n + l) = 3+2 = 5.

При одинаковых величинах суммы (n + l) энергия электрона тем выше, чем выше значение главного квантового числа n. При одинаковых значениях суммы (n + l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа n (второе правило Клечковского). Например, какая из трех орбиталей 6p, 5d, 4f заполняется раньше?

Отсюда следует, согласно второму правилу Клечковского, сначала заполняется 4f, затем 5d и 6р.

Существует два условных способа наглядного изображения распределения электронов в атоме: в виде электронных формул и в виде квантовых ячеек. В первом способе сначала пишется номер слоя, затем подслоя (буквенное обозначение), а в виде показателя степени обозначается число электронов в данном

49In 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p1.

В зависимости от того, какое из электронных состояний в атоме формируется последним, все элементы делятся на 4 семейства: s, p, d, f . К s-семейству относятся элементы главных подгрупп I и II групп периодической системы; к р- семейству относятся элементы главных подгрупп III-VIII групп; к d-семейству относятся элементы побочных подгрупп I-VIII групп; лантаноиды и актиноиды относятся к f-семейству. Na относится к s-семейству, Fe - к d-семейству, In - к р-семейству.

Более полно описывает состояние электронов в атомах метод квантовых ячеек, использующий все четыре квантовых числа. Каждая ячейка (изображаемая квадратом) представляет собой атомную орбиталь. Количество квантовых

7

ячеек подуровня определяется числом значений магнитного квантового числа. На каждой орбитали могут находиться один или два электрона, с противоположными (антипараллельными) спинами, которые изображаются стрелками

Свободная ячейка обозначает свободную орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении атома или при его взаимодействии с другим атомом, имеющим неподеленную электронную пару.

При заполнении атомных орбиталей электронами необходимо учитывать правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально, например:

стояние электронов в атоме, когда эквивалентные орбитали (орбитали одного уровня и подуровня) заняты наполовину или полностью, например, 4d5 или 4d10. Этим объясняется проскок электронов в группе Cr и Ag:

47 Ag 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9 - неправильно,

47Ag 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10- правильно,

атакже наиболее устойчивое состояние железа в соединениях, где оно оказывается трехвалентным:

Такой метод изображения электронной структуры атома дает возможность понять количество и характер образуемых элементом связей в химических соединениях.

Электроны атома, занимающие самое низкоэнергетическое состояние, находятся в нормальном или невозбужденном состоянии. Если же атом поглощает энергию извне, то его электроны могут перейти в более высокое энергетиче-

8

ское состояние, которое называется возбужденным. Это явление объясняет тот факт, что многие атомы могут иметь разную валентность в нормальном и возбужденном состояниях вследствие распаривания электронов последнего электронного уровня, которое может происходить в пределах одного уровня при условии наличия в нем свободных орбиталей. Приближенно можно сказать, что валентность - это число связей, образуемых атомом в соединении за счет непарных электронов последнего энергетического уровня. Например,

(С=О). Углерод в возбужденном состоянии имеет 4 непарных электрона и образует 4 связи (О=С=О).

Вопросы для самоподготовки

1.Квантово-механические представления о строении атомов: корпускулярноволновой дуализм, принцип неопределенности Гейзенберга, волновая функция ψ, атомная орбиталь (АО), электронное облако.

2.Квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое); их физическая интерпретация, возможные значения.

3.Электронные конфигурации атомов (электронные формулы, энергетические ячейки), принцип энергетической выгодности, принцип Паули, правила Гунда и Клечковского, нормальное и возбужденное состояние атомов. Понятия валентности и валентных электронов.

Литература: [1, §1.1…1.3]; [2, гл.III, с. 60-101].

Решение типовых задач

Задача 1. Составьте электронную формулу атома брома и графическую схему заполнения электронами орбиталей в нормальном и возбужденных состояниях формирующегося энергетического уровня. Укажите к какому семейству относится этот элемент.

Решение. Порядковый номер брома – 35, следовательно, атом брома имеет 35 электронов. Электронная формула брома имеет вид 1s22s22p63s23p64s23d104р5. Бром относится к элементам р-семейства. У атома брома полностью заняты электронами первый, второй, третий энергетические уровни и формируется четвертый.

Графическая схема заполнения электронами орбиталей четвертого уровня

9

В таком состоянии бром имеет один непарный электрон, следовательно, его валентность равна 1.

При затрате энергии спаренные электроны могут распариваться и переходить на свободные d-орбитали. В первом возбужденном состоянии образуется три непарных электрона и бром приобретает валентность 3:

При получении еще некоторой порции энергии следующая пара электронов распарится, при этом образуется пять непарных электронов и бром приоб-

У брома есть возможность распарить еще одну пару электронов, находящихся в состоянии 4s, при этом на последнем уровне получится 7 непарных электронов и соответственно валентность брома достигнет 7:

Задача 2. Составьте электронную формулу атома серы (S) в состояниях S-2 и S+4 и графические схемы заполнения электронами орбиталей.

Решение . Составим электронную формулу атома серы, зная что ее порядковый номер в периодической системе элементов – 16, следовательно, атом серы имеет 16 электронов.

Электронная формула образовавшегося иона - 1s22s22p63s23p6.

В состоянии S+4 сера отдала 4 электрона и графическая схема приобретает

вид

Электронная формула - 1s22s22p63s2.

10