Максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 29Следующая ⇒

Энергетический уровень	Энергетический подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m_l	Число АО		Максимальное число электронов
Энергетический уровень	Энергетический подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m_l	в подуровне	в уровне	на подуровне	на уровне
K (n=1)	s (l=0)	0	1	1	2	2
L (n=2)	s (l=0) p (l=1)	0 –1, 0, 1	1 3	4	2 6	8
M (n=3)	s (l=0) p (l=1) d (l=2)	0 –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2	1 3 5	9	2 6 10	18
N (n=4)	s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3)	0 –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом минимальной энергии, согласно которому электроны заполняют орбитали в порядке повышения уровня энергии орбиталей. Очередность орбиталей по энергии определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и соответственно заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы (n+l), а при равной сумме (n+l) – в порядке возрастания n.

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией. При записи электронной конфигурации номер уровня (главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, а подуровень (орбитальное квантовое число) – буквами s, p, d, f. Число электронов в подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня. Например, электронная конфигурация атома серы имеет вид:

16S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴, а ванадия ₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s².

Химические свойства атомов определяются в основном строением наружных энергетических уровней, которые называются валентными. Полностью завершенные энергетические уровни в химическом взаимодействии не участвуют, поэтому часто для краткости записи электронной конфигурации атома их обозначают символом предшествующего благородного газа. Так, для серы [Ne]3s²3p⁴; для ванадия [Ar]3d³4s². Одновременно сокращенная запись наглядно выделяет валентные электроны, определяющие химические свойства атомов элемента.

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы. Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называются sэлементами. У s-элементов валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня. У р-элементов последним заполняется рподуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p- и s-подуровнях внешнего уровня. У d-элементов в последнюю очередь заполняется d-подуровень предвнешнего уровня и валентными являются sэлектроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетического уровней. У f-элементов последним заполняется f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

Электронная конфигурация атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположно направленными спинами . Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Хунда: в пределах подуровня электроны размещаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами.

16S

₂₃V

Суммарный спин р-электронов третьего энергетического уровня атома серы равен ms = ½ – ½ + ½ + ½ = 1; d-электронов атома ванадия – ms = ½ + ½ + ½ = ³/₂.

Часто изображают графически не всю электронную формулу, а лишь те подуровни, на которых находятся валентные электроны, например ₁₆S…3s²3p⁴ ; ₂₃V…3d³4s²

При графическом изображении электронной конфигурации атома в возбужденном состоянии наряду с заполненными изображают вакантные валентные орбитали. Например, в атоме фосфора на третьем энергетическом уровне имеется одна s-АО, три р-АО и пять d-АО. И электронная конфигурация атома фосфора в основном состоянии имеет вид:

15Р… 3s²3p³

Валентность фосфора, определяемая числом неспаренных электронов, равна 3. При переходе атома в возбужденное состояние происходит распаривание электронов состояния 3s и один из электронов с s-подуровня может перейти на d-подуровень:

Р*… 3s²3p³ 3d¹

При этом валентность фосфора меняется с трех (РСl₃) в основном состоянии до пяти (РCl₅) в возбужденном состоянии.

Примеры решения задач

Пример 3.1. Запишите электронную конфигурацию атома титана. Сколько свободных d-орбиталей содержится на предвнешнем энергетическом уровне Тi?

Решение.Порядковый номер титана (Ti) в периодической системе 22. Следовательно, положительный заряд ядра равен +22 и столько же электронов в атоме титана. Поскольку титан находится в 4-м периоде, электроны располагаются на 4-х энергетических уровнях следующим образом: ₂₂Ti 2е, 8е, 10е, 2е. Запись электронной конфигурации атома титана по уровням и подуровням имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

В соответствии с правилом Хунда электроны на d-подуровне у атома

титана располагаются следующим образом: .

Очевидно, что на предвнешнем энергетическом уровне атома титана содержится три свободные d-орбитали.

Пример 3.2. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: l,m_l, m_s? Приведите примеры. Решение. Да, возможно, это не противоречит принципу Паули. Два электрона, характеризующиеся одинаковыми значениями трех квантовых чисел l,m_l, m_s, должны отличаться главным квантовым числом n. Например, в атоме фтора, электронная конфигурация которого 1s²2s²2p⁵, для электронов 1s¹ и 2s¹ квантовые числа будут иметь следующие значения:

Для 1s¹n = 1, l = 0, m_l= 0, m_s= ½.

Для 2s¹n = 2, l = 0, m_l= 0, m_s= ½.

Пример 3.3. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше 5d или 6s; 4f или 6p?

Решение. Последовательность заполнения орбиталей осуществляется в соответствии с правилом Клечковского и определяется суммой (n+l). Для подуровня 5d сумма (n+l) равна (5+2) = 7, для подуровня 6s (6+0) = 6. В первую очередь заполняются орбитали с меньшей энергией, следовательно вначале заполняется 6s, потом 5d. Для подуровней 4f и 6р сумма (n+l) одинакова (4+3) = 7 и (6+1) = 7. При одинаковом значении суммы (n+l) раньше заполняется подуровень с меньшим n, следовательно 4f.

Пример 3.4. Запишите электронную конфигурацию ионов Fe³⁺ и S^2–. Решение.Электронная конфигурация атома железа ₂₆Fe 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Если атом железа отдаст три электрона, он превратится в ион: Fe⁰– 3e → Fe³⁺. В первую очередь атом отдает электроны с более высокого энергетического уровня и подуровня. Электронная конфигурация ионов Fe³⁺ имеет вид 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s⁰. Электронная конфигурация атома серы ₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Приняв два электрона S⁰ + 2e → S^2–, атом серы превращается в ион S^2–, электронная конфигурация которого 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Пример 3.5. Охарактеризуйте квантовыми числами электроны состояния 3р³.

Решение. Изобразим графически распределение электронов состояния 3р³: . Каждый электрон в атоме характеризуется набором

четырех квантовых чисел: n, l, m_l, m_s. Главное квантовое число n обозначается арабской цифрой. Для указанных электронов главное квантовое число n равно 3. Электроны находятся на р-подуровне, следовательно, для всех трех электронов l=1. Три электрона находятся на разных орбиталях, которые ориентированы по трем разным направлениям. Ориентацию АО в пространстве определяет магнитное квантовое число m_l, значение которого зависит от орбитального квантового числа l. Если l=1, m_l принимает значение –1, 0, 1 (значение m_lуказано под каждой орбиталью). Спиновое квантовое число m_s принимает значения +½ и –½. Таким образом, электроны состояния 3р³ характеризуются следующими квантовыми числами:

n = 3, l = 1, m_l= –1, m_s= ½ (или –½) n = 3, l = 1, m_l= 0, m_s= ½ (или –½) n = 3, l = 1, m_l= 1, m_s= ½ (или –½)

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2781; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!