Закономерности формирования электронных оболочек атомов

Распределение электронов в атомах по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям соответствует принципу наименьшей энергии, принципу Паули и правилу Хунда.

Принцип наименьшей энергии в общей форме имеет следующую формулировку:

электроны в атоме занимают наиболее низкое энергетическое состояние, соответствующее их максимальной устойчивости.

Конкретным выражением принципа наименьшей энергии является правило Клечковского:

заполнение атома электронами идет от орбиталей с меньшим значением суммы n + l к орбиталям с большим значением этой суммы, а при одинаковой сумме n + l - от меньших к большим значениям главного квантового числа n.

Таким образом, принципу наименьшей энергии соответствует следующая последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней (внизу приведена сумма n + l):

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s

1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7

Графической иллюстрацией принципа наименьшей энергии и правила Клечковского является рис. 7, на котором последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней происходит в направлении диагональных стрелок.

Рис. 7. Последовательность формирования энергетических уровней и подуровней

в электронных оболочках многоэлектронных атомов

Принцип Паули: в атоме не может быть даже двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. Из принципа Паули следует:

1) На одной атомной орбитали, которая характеризуется одинаковыми значениями трех квантовых чисел (n, l и m_l), может находиться максимум два электрона, отличающихся спином.

2) На энергетическом уровне может находиться максимум 2n² электронов: на первом – 2, на втором – 8, на третьем – 18 и т.д.

3) На энергетическом подуровне может находиться максимум 2(2 l + 1) электронов: на s-подуровне (одна орбиталь) – 2, на p-подуровне (три орбитали) – 6, на d-подуровне (пять орбиталей) – 10, на f-подуровне (семь орбиталей) – 14.

Правило Хунда описывает закономерности распределения электронов на энергетических подуровнях в тех случаях, когда для полного их заполнения электронов недостаточно:

в невозбужденном атоме суммарный спин всех электронов по абсолютной величине максимален, а при равенстве суммарного спина наиболее устойчивым является состояние с наибольшей (по абсолютной величине) суммой магнитного квантового числа.

В соответствии с правилом Хунда, атомные орбитали, принадлежащие к одному подуровню, заполняются каждая вначале одним электроном, а затем происходит их заполнение вторыми электронами.

Дата добавления: 2014-12-16