Электронное строение атомов

Распределение электронов в атомах элементов определяется тремя основными положениями:

Принцип IIаули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех 4-х квантовых чисел или два любых электрона в атоме должны отличаться хотя бы значением одного квантового числа. Как мы видели, энергетические состояния электронов, характеризуемые одинаковыми значениями 3-х квантовых чисел: n, l, ml принято обозначать квантовой ячейкой. Согласно принципу Паули, в орбитали не может быть более 2-х электронов, причём с противоположными спинами ↓↑.

Принцип наименьшей энергии. Последовательность размещения электронов в атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т.е. электрон должен обладать наименьшей энергией.

Так как энергия электрона в основном определяется значениями главного n и орбитального l квантовых чисел, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма n и l является меньшей (правило Клечковского). Например, запас энергии на подуровне 4S(n+ l =4+0=4) меньше, чем на 3d(n+ l =3+2=5). Если для двух подуровней сумма значений n и l равны, то сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением n. Например, на подуровнях 3d, 4p, 5S суммы значений n и l равны 5, в этом случае сначала заполняются подуровни с меньшими значениями n, т.е. в следующей последовательности: 3d → 4p → 5s.

1S→ 2S→ 2P→ 3S→ 3P→ 4S→ 3d→ 4P→ 5S→ 4d→ 5P→ 6S→ 4f→ 5d→ → 6P→ 7S→ 5f→ 6d→ 7Р

Правило Гунда: суммарное спиновое число электронов данного подслоя должно быть максимальным. Например, если в трех р-орбиталях надо разместить три электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной орбитали:

↑ ↑ ↑ ∑ms = +1/2 +1/2 + 1/2 = 3/2

На основании рассмотренных трех положений, можно представить расположение электронов по уровням атома любого элемента в виде так называемых электронных формул. Цифрами обозначают уровни, за ними буквами s-, p-, d-, f-подуровни, а индекс в виде степенного показателя - число электронов на подуровне. Например, запись 5p³ означает, что три электрона располагаются на р-подуровне пятого энергетического уровня. Чтобы составить электронную формулу атома любого элемента, следует знать номер данного элемента в периодической системе и выполнить требования основных положений, определяющих распределение электронов в атоме. Пусть, например, нужно составить электронные формулы для атомов серы, марганца, лантана. Из периодической системы определяем номера данных элементов – 16, 25 и 57. Учитывая принцип наименьшей энергии, составляем электронные формулы атомов:

16S 1S² 2S² 2Р⁶ 3S² ЗР⁴ 3d⁰

25Mn IS² 2S² 2Р⁶ 3S² 3P⁶ 3d⁵ 4S²

57La IS² 2S² 2Р⁶ 3S² ЗР⁶ 3d¹⁰ 4S² 4Р⁶ 4d¹⁰ 5S² 5Р⁶ 5d¹ 6S²

Электронно-графическая схема Mn имеет следующий вид:

n = 4 ↓↑

n = 3 ↓↑ ↓↑↓↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

n = 2 ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑

n = 1 ↓↑

12. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 29, учитывая, что у последнего на четвертом энергетическом уровне один электрон. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

13. Напишите электронные формулы и укажите число свободных d-орбиталей для атомов скандия и циркония.

14. Напишите электронные формулы атомов и ионов алюминия и кальция.

15. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 35 и 42, учитывая, что у последнего на пятом энергетическом уровне один электрон.

16. Напишите электронные формулы атомов марганца и селена. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

17. Напишите электронные формулы и укажите число свободных d-орбиталей для атомов титана и ниобия.

18. Напишите электронные формулы атомов кремния и железа. Распределите валентные электроны по орбиталям для этих атомов в невозбужденном состоянии.

19. Укажите все значения главного, орбитального и магнитного квантовых чисел для электронов атомов бериллия и кислорода.

20. Укажите все значения главного и орбитального квантовых чисел для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 27 и32.

21. Напишите электронные формулы атомов магния и хлора. Распределите валентные электроны по орбиталям атомов хлора в высшем энергетическом состоянии.

22. Напишите электронные формулы и укажите число валентных электронов для атомов никеля и брома.

Контрольные задания №3