Состояние электронов в атоме

Проанализируем, что мы уже знаем о строении атома, а что еще нет:

Двойственная природа (дуализм) микромира
В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу, что все объекты микромира характеризуются двойственной природой, обладая одновременно свойствами и частицы и волны.
В 1926 г. Шредингер показал, что движение электрона в атоме может быть описано волновой функцией, т.е. электрон следует рассматривать как размытое отрицательно заряженное «электронное облако».

«Электронное облако», или орбиталь
- это область пространства вокруг ядра атома, в которой вероятность пребывания электрона составляет 90%.

Орбитали характеризуются:
- энергией (удаленностью от ядра, или размером),
- формой электронного облака,
- его ориентацией относительно ядра атома,
- собственным моментом импульса электрона (спином).
Все эти характеристики описываются четырьмя параметрами, называемыми квантовые числа.

Главное квантовое число (n)
характеризует размер электронного облака, т.е. определяет энергетический уровень (электронный слой).
Может принимать значения целых чисел
n = 1, 2, 3, 4 и т.д., иногда обозначают как K, L, M, N и т.д. уровни.
Слой со значением n = 1 соответствует самому низкому уровню энергии, т.е. находится ближе всех к ядру атома.

Орбитальное (побочное) квантовое число (l)
определяет пространственную форму орбитали;
принимает значения от 0 до (n-1),
т.е. l = 0, 1, 2, 3, и т.д.
Различные значения l соответствуют различным формам орбиталей, которые обозначаются как s-, p-, d-, f- орбитали.
Орбитали одинаковой формы, размещенные на одном энергетическом уровне образуют подуровень.

Магнитное квантовое число ml
определяет ориентацию орбитали в пространстве;
принимает значения от –l через 0 до +l.
Например, если n = 1, то l = n-1 = 0 (s-орбиталь), следовательно, ml = 0. Это обозначает, что для сферической s-орбитали возможно лишь одна ориентация в пространстве.
Если n=2, то l = 0; 1 , а ml = -1; 0; +1 . Это означает, что на втором энергетическом уровне могут существовать 2 подуровня: s- и p-, причем для гантелеобразных p-орбиталей возможны три различных ориентации относительно ядра.

Спиновое квантовое число (ms)
Характеризует веретенообразное вращение электрона вокруг собственно оси (от англ. spin – веретено, верчение).
Каждый из электронов может совершать такое вращение в одном из двух противоположных направлений, поэтому ms принимает два возможных значения + ⅟2 и - ⅟2.
Иначе спины обозначают стрелками, направленными в противоположные стороны ↑ и ↓.

Максимальное количество электронов на том или ином энергетическом уровне определяется по формуле: N = 2n2,
где N – максимальное количество электронов,
n – номер уровня, или главное квантовое число.
Т.е. на первом уровне не может быть больше 2 электронов,
на втором – не больше 8 e-,
на третьем – не больше 18 e-,
на четвертом – не больше 32 e-.

Заполнение атома электронами идет в соответствии с принципом (запретом) Паули:
«в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором всех четырех квантовых чисел: n, l , ml , ms.»
Кроме того, следует учитывать, что в основном (невозбужденном) состоянии атома электроны стремятся занять наименее энергоёмкие орбитали.

Порядок заполнения орбиталей электронами
1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p6
6s25d14f145d96p6 7s26d15f146d7…
Причем, строение электронной оболочки предыдущего (по ПСХЭ) атома наследуется.
При заполнении подуровня электроны стремятся занять свободные орбитали и только при их отсутствии размещаются на наполовину заполненных орбиталях, спариваясь с уже находящимися там электронами (правило Хунда).

Упражнения
Пример 1.
Разберем распределение электронов в атомах некоторых элементов:
H – Ne,
Ca, Sc,
Cr, Mn,
Ba, La, Hf

Упражнения
Пример 2. Составим схему электронного строения и электронную формулу элемента с порядковым номером 7.
Решение.
1. Определим положение элемента в Периодической системе:
2-ой период, 5А группа.
2. Сделаем вывод о строении атома:
заряд ядра =+7, общее кол-во электронов =7,
кол-во электронных слоев =2, кол-во e- на внешнем слое =5.
3. Составим схему электронного строения:
+7N )2e-)5e-
4. Определим распределение e- по подуровням и составим электронную формулу:
1s22s22p3.

Упражнения
Пример 3. Составим схему электронного строения и электронную формулу элемента с порядковым номером 23.
Решение.
1. Определим положение элемента в Периодической системе: 4-ой период, 5Б группа.
2. Сделаем вывод о строении атома: заряд ядра =+23, общее кол-во электронов =23, кол-во электронных слоев =4, электронами заполняется предвнешний слой.
3. Составим схему электронного строения:
+23N )2e-)8e- )8+3e- )2e-
4. Определим распределение e- по подуровням: 1s22s22p63s23p64s23d3.

Итог: что мы узнали
1. Электрон проявляет свойства и частицы и волны, т.е. имеет двойственную природу.
2. Каждый электрон в атоме стремится занять наиболее энергетически выгодное положение
3. В атоме нет двух совершенно одинаковых электронов
4. Атом каждого элемента таблицы Менделеева имеет индивидуальную электронную конфигурацию.

Проверочная работа (на 3 мин.)
На «3»: Составь схему электронного строения и электронную формулу: (вар.1) - фосфора, (вар.2) - магния, (вар.3) - кремния, (вар.4) - хлора.
На «4»: Составь схему электронного строения и электронную формулу: (вар.1) - титана, (вар.2) -железа, (вар.3) - никеля, (вар.4) - цинка.
На «5»: Определи, что это за элемент:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Составь схему электронного строения и электронную формулу эл-та: (вар.1) – стоящего левее, (вар.2) - стоящего правее, (вар.3) - стоящего выше, (вар.4) - стоящего в тех же периоде и группе, но в другой подгруппе.