Лекция 3. Строение электронной оболочки атома (1)

Квантовые числа электронов
Первое квантовое число называется главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электрона, обозначается буквой n.
Общее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
Если n = 1, то число электронов N = 2 ‧ 12 = 2
Если n = 2, то число электронов N = 2 ‧ 22 = 8
Если n = 3, то число электронов N = 2 ‧ 32 = 18
Если n = 4, то число электронов N = 2 ‧ 42 = 32
2n2

Для описания энергии электронов на подуровнях ввели второе квантовое число, которое называется побочным или орбитальным квантовым числом, обозначается символом l.
Орбитальное число зависит от главного квантового числа и принимает значения l = 0, 1, 2, 3… n – 1.
Число подуровней соответствует главному квантовому числу.
При n = 1, l = 0, один подуровень (s-подуровень);
При n = 2, l = 0,1, два подуровня (s и p);
При n = 3, l = 0,1,2, три подуровня (s, p, d);
При n = 4, l = 0,1,2,3, четыре подуровня (s, p, d, f)
Квантовые числа электронов

Построение схемы строения электронных оболочек
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)
1. Определим общее число электронов в электронной оболочке по порядковому номеру элемента в Периодической таблице:
гелий (Не) – имеет два электрона,
бор (B) – имеет пять электронов,
кислород (O) – имеет восемь электронов,
фтор (F) – имеет девять электронов.

Построение схемы строения электронных оболочек
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)
Определим число заполняемых электронами энергетических уровней в электронной оболочке по номеру периода:
гелий (Не) – один энергетический уровень, заполненный двумя электронами,
бор (B), кислород (O) и фтор (F) – два энергетических уровня, заполненных свойственным им количеством электронов.

А теперь определим число электронов на каждом энергетическом уровне на наших примерах:
Гелий (Не) – два электрона на единственном энергетическом уровне.
Построение схемы строения электронных оболочек
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)

Бор (B) – пять электронов, из которых два располагаются на первом энергетическом уровне, максимально заполнив его, а оставшиеся три на внешнем, втором энергетическом уровне, что соответствует номеру группы бора.
Бор
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)
Построение схемы строения электронных оболочек

Кислород (O) – восемь электронов, из которых два располагаются на первом энергетическом уровне, максимально заполнив его, а оставшиеся шесть на внешнем, втором энергетическом уровне, что соответствует номеру группы кислорода.
Кислород
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)
Построение схемы строения электронных оболочек

Фтор (F) – девять электронов, из которых два располагаются на первом энергетическом уровне, максимально заполнив его, а оставшиеся семь на внешнем, втором энергетическом уровне, что соответствует номеру группы фтора.
Фтор
на примере гелия (Не), бора (B), кислорода (O), фтора (F)
Построение схемы строения электронных оболочек

На подуровнях электроны находятся на орбиталях, которые также обозначают, как и подуровни, буквами: s, p, d, f.
S, p, d, f-орбитали отличаются не только по энергии, но и по форме. S-орбиталь имеет сферическую форму, p-орбиталь – форму гантели (или правильной восьмерки), d-орбиталь – четырехлепестковую форму

Квантовые числа электронов
Электроны обладают магнитными свойствами и во внешнем магнитном поле могут менять ориентацию. Поэтому ввели третье квантовое число – магнитное. Оно определяет направление орбитали в пространстве.
Магнитное квантовое число принимает значения: m = + l, 0, -l и показывает число орбиталей на подуровне:
на s-подуровне, l = 0, m = 0, одна s-орбиталь;
на p-подуровне, l = 1, m =+1,0,-1, три p-орбитали;
на d-подуровне, l = 2, m = +2,+1,0,-1,-2, пять d-орбиталей;
на f-подуровне, l =3, m =+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, семь f-орбиталей.

Например, три p-орбитали направлены вдоль осей пространственных координат х, у, z. Различают рх, ру, рz- орбитали.

Квантовые числа электронов
Четвертое квантовое число - спиновое, которое обозначается буквой s и характеризует собственный момент движения электрона.
Спиновое число принимает два значения: + ½ и - ½ . Электроны, имеющие s = + ½, графически изображают стрелкой вверх ↑, а электроны, имеющие s = - ½, – стрелкой вниз ↓.
Два электрона с одинаковыми (параллельными) спинами обозначают ↑↑ (или ↓↓). Электроны с противоположными (антипараллельными) спинами обозначают ↑↓.

Строение электронной оболочки атома. Порядок заполнения электронами уровней и подуровней.
Принцип наименьшей энергии.
Заполнение уровней и подуровней происходит в порядке увеличения их энергии. По энергии уровни и подуровни образуют следующий ряд:
1s< 2s< 2p< 3s<3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d<5p<6s< 4f<5d<6p<7s<5f<6d
Т.е заполнение уровней и подуровней происходит в порядке увеличения суммы главного и побочного квантовых чисел. Это первое правило В.М. Клечковского
Например, для 4s-подуровня сумма n+l = 4+0 = 4;
для 3d-подуровня сумма n+l = 3+2 = 5,
поэтому E 4S < E 3d.

Если сумма главного и побочного квантовых чисел для разных подуровней одинаковая, то заполняется первым тот подуровень, у которого меньше главное квантовое число. Это второе правило В.М. Клечковского.
Например, для 3d-подуровня n+l = 3+2 = 5 и для 4p-подуровня n+l = 4+1= 5, однако E 3d < E 4p.
Поэтому заполняется 3d-, затем 4p-подуровень, так как 3 < 4.
Строение электронной оболочки атома. Порядок заполнения электронами уровней и подуровней.

2. Правило Гунда.
В основном состоянии атома электроны заполняют подуровни таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.
Например, на р-подуровне три электрона могут разместиться тремя способами:
Третий способ является более энергетически выгодным.
Строение электронной оболочки атома. Порядок заполнения электронами уровней и подуровней.

3. Принцип Паули.
В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Из квантовых чисел хотя бы одно должно обязательно различаться. Если в атоме два электрона имеют одинаковые числа n, l, m, то они должны отличаться спинами. Один из них имеет спин s = +1/2, другой – s = -1/2 .
Строение электронной оболочки атома. Порядок заполнения электронами уровней и подуровней.