Электрон в первую очередь располагается в пределах электронной подоболочки с наинизшей энергией

Очередность подоболочек по энергии определяется с помощью правила Клеч­ковского. Поясним это.

Каждая АО имеет на кривой радиального распределения вероятности нахо­ждения электрона в элементе пространства (говорят — электронной плотности) определенное число максимумов. Всегда присутствует основной максимум. Об­щее число максимумов в радиальном распределении электронной плотности для конкретной орбитали может быть найдено через ее значения главного и орби­тального квантовых чисел:

число максимумов электронной плотности АО = n-l.

Электронная плотность, которая относится к максимумам, расположенным ближе к ядру, испытывает меньшее экранирующее действие других электро­нов, и электрон, находясь в этой области пространства, сильнее притягивается к ядру. Поэтому при прочих равных условиях, чем больше максимумов элек­тронной плотности у АО, тем более низкую энергию имеет электрон, описывае­мый ею. Как показывает рис. 2.23, электронное облако Зs-электрона в большей степени (3—0 = 3 максимума электронной плотности) проникает в область, заня­тую электронами К- и L -слоев, и потому экранируется слабее, чем электронное облако Зр-электрона (3 — 1 =2 максимума). Следовательно, электрон в со­стоянии 3s будет сильнее притягиваться к ядру и обладать меньшей энергией, чем электрон в состоянии Зр. Электронное облако Зd-орбитали практически полностью на­ходится вне области, занятой внутренними элек­тронами, экранируется в наибольшей степени и наиболее слабо притягивается к ядру. Именно поэтому устойчивое состояние атома натрия со­ответствует размещению внешнего электрона на орбитали Зs.

Таким образом, в многоэлектронных атомах энергия электрона зависит не только от главно­го, но и от орбитального квантового числа. Глав­ное квантовое число определяет здесь лишь неко­торую энергетическую зону, в пределах которой точное значение энергии электрона определяется величиной l. При этом справедливо первое пра­вило Клечковского:

электрон обладает наинизшей энергией на той электронной подоболочке, где сумма квантовых чисел n и l минимальна

Е = min при п + I = min.

В тех случаях, когда сумма (n +l) одинакова для рассматриваемых электрон­ных подоболочек, при распределении электронов используется второе правило Клечковского:

Принцип Паули. Данный принцип состоит в том, что

в атоме не может быть электронов, имеющих одинаковый набор всех четы­рех квантовых чисел.

Вспомним, что электрон может характеризоваться только одним набором 4-х квантовых чисел (n, l, m_i и m_s), а одной пространственной атомной орбитали (АО) соответствует состояние с фиксированными значениями 3-х квантовых чи­сел (n, l, m_i ). Тогда по принципу Паули для конкретной АО возможно лишь столько состояний, электрона, сколько

различных значений возможно для че­твертого квантового числа т_s. Для последнего возможны лишь два значения. Поэтому максимальное количество электронов для одной АО — 2.

Пользуясь принципом Паули, подсчитаем, какое максимальное число элек­тронов может находиться на различных энергетических подуровнях и уровнях в атоме. При l = 0, т. е. на s-подуровне, магнитное квантовое число тоже равно нулю. Следовательно, на s-подуровне имеется всего одна орбиталь. Как указы­валось выше, на каждой атомной орбитали размещается не более двух электро­нов, спины которых противоположно направлены. Итак, максимальное число электронов на s-подуровне каждой электронной оболочки равно 2. При l = 1 (p-подуровень) возможны уже три различных значения магнитного квантового числа (— 1, 0, +1). Следовательно, на р-подуровне имеется три орбитали, ка­ждая из которых может быть занята не более чем двумя электронами. Всего на р-подуровие может разместиться 6 электронов. Подуровень d ( l = 2) состоит из пяти орбиталей, соответствующих пяти разным значениям m_i; здесь максималь­ное число электронов равно 10.

Первый энергетический уровень (K-слой, n = 1) содержит только s-подуровень, второй энергетический уровень (L-слой, n = 2) состоит из s- и p-подуровней и т. д. Учитывая это, составим таблицу максимального числа электронов, раз­мещающихся на различных энергетических уровнях (в электронных оболочках) (табл. 2.4).

Максимальное количество электронов в оболочке можно получить суммированием числа электронов на подоболочках и оно равно 2n²

Правило Хунда. Это правило определяет порядок размещения элек­тронов в пределах одной электронной подоболочки для наиболее устойчивого состояния атома. Оно гласит:

в наиболее устойчивом состоянии атома электроны размещаются в пределах электронной подоболочки так, чтобы их суммарный спин был максимален.

Например, на 2р-подоболочке 3 электрона могут разместиться различным образом:

Но только в первом случае, когда каждой АО соответствует электрон со спи­ном + 1/2, достигается максимальный суммарный спин. Значит, это и есть энер­гетически самое выгодное состояние системы.

Правило Хунда не запрещает другого распределения электронов в пределах электронной подоболочки. Состояния атома с меньшими, по сравнению с макси­мальным, значениями суммарного спина электронов будут энергетически менее выгодными и, в отличие от первого, называемого основным, будут относиться к возбужденным состояниям. В приведенном примере для атома азота предста­влены одно основное и два возбужденных состояния.