Distribuția este caracterizată de următoarele reguli:

principiul Pauli;

regula lui Gund;

principiul energiei minime și regula Klechkovsky.

De principiul Pauli Un atom nu poate avea doi sau mai mulți electroni cu aceeași valoare a tuturor celor patru numere cuantice. Pe baza principiului Pauli, puteți seta capacitatea maximă a fiecărui nivel de energie și subnivel.

	Subnivel, ℓ	Desemnarea subnivelului	Numărul cuantic magnetic, m	Spin număr cuantic, s
			3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

În acest fel, numărul maxim de electroni pe:

s -subnivel - 2,

p - subnivel - 6,

d -subnivel - 10,

f -subnivel - 14.

În cadrul nivelului cuantic n, un electron poate prelua valorile a 2n 2 stări diferite, care a fost stabilit empiric folosind analiza spectrală.

regula lui Gund : în fiecare subnivel, electronii tind să ocupe numărul maxim de celule de energie liberă, astfel încât spinul total să aibă cea mai mare valoare.

De exemplu:

corect gresit gresit

3r 3:

s = +1/2+1/2+1/2=1,5 s =-1/2+1/2+1/2=0,5 s = -1/2+1/2-1/2 =-0,5

Principiul energiei minime și regula Klechkovsky: electronii populează în primul rând orbitalii cuantici cu energie minimă. Deoarece rezerva de energie dintr-un atom este determinată de valoarea sumei numerelor cuantice principale și orbitale (n + ℓ), atunci mai întâi electronii populează orbitalii pentru care suma (n + ℓ) este cea mai mică.

De exemplu: suma (n + ℓ) pentru subnivelul 3d este n = 3, l = 2, deci (n + ℓ) = 5; pentru subnivelul 4s: n = 4, ℓ = 0, deci (n + ℓ) ) = 4. În acest caz, subnivelul 4s este completat mai întâi și abia apoi subnivelul 3d.

Dacă valorile totale ale energiei sunt egale, atunci nivelul care este mai aproape de nucleu este populat.

De exemplu: pentru 3d: n=3, ℓ=2 , (n + ℓ) = 5 ;

pentru 4p: n = 4, ℓ = 1, (n + ℓ) = 5.

Deoarece n = 3 < n = 4, 3d va fi populat cu electroni mai devreme de 4 p.

În acest fel, succesiunea nivelurilor și subnivelurilor de umplere cu electroni în atomi:

1 s 2 <2 s 2 <2 p 6 <3 s 2 <3 p 6 <4 s 2 <3 d 10 <4 p 6 <5 s 2 <4 d 10 <5 p 6 <6 s 2 <5 d 10 ≈ 4 f 14 <6 p 6 <7s 2 …..

Formule electronice

O formulă electronică este o reprezentare grafică a distribuției electronilor pe niveluri și subniveluri într-un atom. Există două tipuri de formule:

la scriere se folosesc doar două numere cuantice: n și ℓ. Numărul cuantic principal este indicat printr-un număr înainte de desemnarea literei subnivelului. Numărul cuantic orbital este indicat prin litera s, p, d sau f. Numărul de electroni este indicat printr-un număr ca exponent.

De exemplu: +1 H: 1s 1 ; +4 Fii: 1s 2 2s 2 ;

2 El: 1s 2 ; +10 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 ;

3 Li: 1s 2 2s 1 ; +14 Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 .

Adică succesiunea

1 s 2 <2 s 2 <2 p 6 <3 s 2 <3 p 6 <4 s 2 <3 d 10 <4 p 6 <5 s 2 <4 d 10 <5 p 6 <6 s 2 <5 d 10 ≈ 4 f 14 <6 p 6 <7s 2 …..

formulă electronică grafică - sunt folosite toate cele 4 numere cuantice - aceasta este distribuția electronilor în celulele cuantice. Numărul cuantic principal este reprezentat în stânga, orbital - în partea de jos cu o literă, magnetic - numărul de celule, spin - direcția săgeților.

De exemplu:

8 O:…2s 2 2p 4

Formula grafică este folosită pentru a scrie doar electroni de valență.

Luați în considerare compilarea formulelor electronice pentru elemente pe perioade.

Perioada I conține 2 elemente, în care nivelul cuantic I și subnivelul s sunt complet populate cu electroni (numărul maxim de electroni pe subnivel este de 2):

2 El: n=1 1s 2

Elementele în care subnivelul s este completat ultimul sunt alocate s -familie si suna s -elemente .

Elementele perioadei II umplu nivelul cuantic II, subnivelurile s și p (numărul maxim de electroni din subnivelul p este de 8).

3 Li: 1s 2 2s 1 ; 4 Fii: 1s 2 2s 2 ;

5 B: 1s 2 2s 2 2p 1 ; 10 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6

Elementele în care subnivelul p este completat ultimul sunt alocate familia p si suna p-elemente .

Elementele perioadei III încep să formeze nivelul III cuantic. Na și Mg populează subnivelul 3s cu electroni. Pentru elementele de la 13 Al la 18 Ar, subnivelul 3p este populat; Subnivelul 3d rămâne gol, deoarece are un nivel de energie mai mare decât subnivelul 4s și nu este umplut pentru elementele perioadei III.

Subnivelul 3d începe să fie umplut la elementele perioadei IV, iar 4d - la elementele perioadei V (în conformitate cu secvența):

19 K: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 ; 20 Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ;

21 Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 ; 25 Mn: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 ;

33 Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p3; 43 Tc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p6 5s 2 4d 5

Elementele în care subnivelul d este completat ultimul sunt alocate d -familie si suna d -elemente .

4f se completează numai după al 57-lea element al perioadei VI:

57 La: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 5d 1 ;

58 Ce: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 5d 1 4f 1 ;

Populația nivelului cuantic V de electroni se desfășoară în mod similar cu perioada IV. Astfel, se observă secvența prezentată anterior de populație de niveluri și subniveluri de electroni:

6s 2 5d 10 4f 14 6p 6

populația unui nou nivel cuantic de electroni începe întotdeauna de la subnivelul s. Pentru elementele unei perioade date, numai subnivelurile s și p ale nivelului cuantic exterior sunt populate de electroni;

populația subnivelului d este întârziată de perioada I; Subnivelul 3d se completează pentru elementele perioadei IV, 4d - subnivelul pentru elementele perioadei V etc.;

populația de electroni f a subnivelului este întârziată cu 2 perioade; Subnivelul 4f este populat cu elementele perioadei VI, subnivelul 5f este populat cu elemente din perioada VII și așa mai departe.

Sistemul periodic al elementelor lui Mendeleev.

Sistem periodic de elemente chimice (tabelul periodic) - clasificarea elementelor chimice, stabilindu-se dependența diferitelor proprietăți ale elementelor de sarcina nucleului atomic.

Grupuri

Un grup, sau o familie, este una dintre coloanele din tabelul periodic. Grupurile, de regulă, sunt caracterizate de tendințe periodice mai pronunțate decât perioadele sau blocurile.

În conformitate cu sistemul internațional de denumire, grupurilor li se atribuie numere de la 1 la 18 în direcția de la stânga la dreapta - de la metale alcaline la gaze nobile.

Perioadele

Perioada - un rând în tabelul periodic. Într-o perioadă, elementele prezintă anumite modele în toate cele trei aspecte de mai sus (raza atomică, energia de ionizare și electronegativitatea), precum și în energia afinității electronice.

Blocuri

Având în vedere semnificația învelișului electronic exterior al unui atom, diferitele regiuni ale tabelului periodic sunt uneori descrise ca blocuri, numite în funcție de învelișul în care se află ultimul electron. Blocul S include primele două grupe, adică metalele alcaline și alcalino-pământoase, precum și hidrogenul și heliul; Blocul p constă din ultimele șase grupuri (13 până la 18 conform standardului de numire IUPAC sau IIIA până la VIIIA conform sistemului american) și include, printre alte elemente, toți metaloizii. D-bloc - acestea sunt grupuri de la 3 la 12 (IUPAC), sunt și de la IIIB la IIB în stil american, care includ toate metalele de tranziție. Blocul F, care este de obicei scos de pe masă, constă din lantanide și actinide.

Sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev a devenit o piatră de hotar importantă în dezvoltarea științei atomice și moleculare. Datorită ei, s-a format un concept modern de element chimic, s-au clarificat ideile despre substanțe și compuși simpli.

Compoziția și caracteristicile nucleului atomic.

Nucleul atomic- partea centrală a atomului, în care se concentrează masa sa principală (mai mult de 99,9%). Nucleul este încărcat pozitiv, sarcina nucleului determină elementul chimic căruia îi este atribuit atomul.

Nucleul atomic este format din nucleoni - protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri, care sunt interconectați prin intermediul unei interacțiuni puternice.

Nucleul atomic, considerat ca o clasă de particule cu un anumit număr de protoni și neutroni, este numit în mod obișnuit nuclidul.

Numărul de protoni din nucleu se numește numărul său de sarcină - acest număr este egal cu numărul ordinal al elementului căruia îi aparține atomul din tabelul (Sistemul periodic de elemente) al lui Mendeleev. Numărul de protoni din nucleu determină structura învelișului de electroni a unui atom neutru și, prin urmare, proprietățile chimice ale elementului corespunzător. Numărul de neutroni dintr-un nucleu se numește acestuia număr izotopic. Nucleii cu același număr de protoni și numere diferite de neutroni se numesc izotopi. Nucleii cu același număr de neutroni dar cu un număr diferit de protoni se numesc izotone.

Numărul total de nucleoni dintr-un nucleu se numește numărul său de masă () și este aproximativ egal cu masa medie a unui atom, indicată în tabelul periodic. Nuclizii cu același număr de masă, dar compoziție proton-neutron diferită se numesc izobare.

Greutate

Datorită diferenței de număr de neutroni, izotopii unui element au mase diferite, ceea ce este o caracteristică importantă a nucleului. În fizica nucleară, masa nucleelor ​​este de obicei măsurată în unități de masă atomică ( A. mânca.), pentru unul a. e. m. se ia 1/12 din masa nuclidului 12 C [sn 2] . Trebuie remarcat faptul că masa standard care este de obicei dată pentru un nuclid este masa unui atom neutru. Pentru a determina masa nucleului, este necesar să scădem suma maselor tuturor electronilor din masa atomului (se va obține o valoare mai precisă dacă luăm în considerare și energia de legare a electronilor cu nucleul) .

În plus, echivalentul energetic al masei este adesea folosit în fizica nucleară. Conform relației Einstein, fiecare valoare a masei corespunde energiei totale:

Unde este viteza luminii în vid.

Raportul dintre a. e.m. și echivalentul său de energie în jouli:

și deoarece 1 electron volt \u003d 1,602176 10 −19 J, atunci echivalentul energetic al lui a. e. m. to MeV este egal cu

Rază

O analiză a dezintegrarii nucleelor ​​grele a rafinat estimarea lui Rutherford [SN 3] și a legat raza nucleului de numărul de masă printr-o relație simplă:

unde este o constantă.

Deoarece raza nucleului nu este o caracteristică pur geometrică și este asociată în primul rând cu raza de acțiune a forțelor nucleare, valoarea depinde de procesul în analiza căruia a fost obținută valoarea, valoarea medie a lui m, deci raza a nucleului în metri

Încărca

Numărul de protoni din nucleu determină direct sarcina electrică a acestuia, izotopii au același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni. .

Încărcările nucleelor ​​atomice au fost determinate pentru prima dată de Henry Moseley în 1913. Omul de știință și-a interpretat observațiile experimentale prin dependența lungimii de undă a razelor X de o anumită constantă, schimbându-se cu unu de la element la element și egal cu unul pentru hidrogen:

, Unde

Și - permanent.

Energia de legare a nucleelor.

Energia de legare a nucleului este egală cu energia minimă care trebuie cheltuită pentru divizarea completă a nucleului în particule individuale. Din legea conservării energiei rezultă că energia de legare este egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din particule individuale.

Energia de legare a oricărui nucleu poate fi determinată prin măsurarea precisă a masei acestuia. În prezent, fizicienii au învățat să măsoare masele de particule - electroni, protoni, neutroni, nuclee etc. - cu o precizie foarte mare. Aceste măsurători arată că masa oricărui nucleu M i este întotdeauna mai mic decât suma maselor protonilor și neutronilor săi constituenți:

Această energie este eliberată în timpul formării nucleului sub formă de radiație de γ-quanta.

Forțele nucleare.

forte nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune forte. Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul 10–15 m. Lungimea (1,5–2,2) 10–15 m se numește gama de forţe nucleare.

Forțele nucleare descoperă incarca independenta : atracția dintre doi nucleoni este aceeași indiferent de starea de încărcare a nucleonilor - proton sau neutron. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor de legare nuclee de oglindă . Cum se numesc nucleele?,în care numărul total de nucleoni este același,dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt.

Forţele nucleare au proprietatea de saturație , care se manifestă în, că un nucleon dintr-un nucleu interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni vecini cei mai apropiați de acesta. De aceea există o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor ​​de numărul lor de masă A. Saturația aproape completă a forțelor nucleare este realizată în particula α, care este o formațiune foarte stabilă.

Forțele nucleare depind de orientări de spin nucleonii care interacționează. Acest lucru este confirmat de caracterul diferit al împrăștierii neutronilor de către moleculele orto- și para-hidrogenului. În molecula de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce în molecula de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor de către parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea de către ortohidrogen. Forțele nucleare nu sunt centrale.

Deci hai să facem o listă proprietățile generale ale forțelor nucleare :

rază scurtă de forțe nucleare ( R~ 1 fm);

potențial nuclear mare U~ 50 MeV;

· dependența forțelor nucleare de spin-urile particulelor care interacționează;

· caracterul tensor al interacţiunii nucleonilor;

· forțele nucleare depind de orientarea reciprocă a spinului și a momentelor orbitale ale nucleonului (forțe spin-orbita);

interacțiunea nucleară are proprietatea de saturație;

independența de încărcare a forțelor nucleare;

caracterul de schimb al interacțiunii nucleare;

atracție între nucleoni la distanțe mari ( r> 1 fm), se înlocuiește cu repulsie la mic ( r < 0,5 Фм).

Deoarece nucleele atomilor care reacţionează rămân neschimbate în timpul reacţiilor chimice, proprietăţile chimice ale atomilor depind în primul rând de structura învelişurilor de electroni ale atomilor. Prin urmare, ne vom opri mai detaliat asupra distribuției electronilor într-un atom și, în principal, asupra celor care determină proprietățile chimice ale atomilor (așa-numiții electroni de valență) și, în consecință, asupra periodicității proprietăților atomilor și a acestora. compuși. Știm deja că starea electronilor poate fi descrisă printr-un set de patru numere cuantice, dar pentru a explica structura învelișurilor electronice ale atomilor, trebuie să cunoașteți următoarele trei prevederi principale: 1) principiul Pauli, 2) principiul energiei minime și 3) a lovit Hund. principiul Pauli. În 1925, fizicianul elvețian W. Pauli a stabilit o regulă numită mai târziu principiul Pauli (sau excluderea lui Pauli): în atom ve pot exista doi electroni care au aceleași proprietăți. Știind că proprietățile electronilor sunt caracterizate de numere cuantice, principiul Pauli poate fi formulat și în acest fel: nu pot exista doi electroni într-un atom, în care toate cele patru numere cuantice ar fi la fel. Cel puțin unul dintre numerele cuantice l, /, mt sau m3 trebuie să difere în mod necesar. Deci, electronii cu aceeași cuantă - În cele ce urmează, suntem de acord să notăm grafic electronii care au valorile s = + lj2> prin săgeata T și cei care au valorile J- ~ lj2 - prin săgeata Doi electroni având aceiași spini sunt adesea numiți electroni cu spini paraleli și se notează cu ft (sau C). Doi electroni cu spini opuși se numesc electroni cu spini aptiparaleli și se notează cu | Numerele J-lea l, I și mt trebuie să difere în mod necesar în rotiri. Prin urmare, într-un atom pot exista doar doi electroni cu același n, / și m, unul cu m = -1/2, celălalt cu m = + 1/2. Dimpotrivă, dacă spinii a doi electroni sunt aceiași, unul dintre numerele cuantice trebuie să difere: n, / sau mh n= 1. Atunci /=0, mt-0 și t pot avea o valoare arbitrară: +1/ 2 sau -1/2. Vedem că dacă n - 1, pot exista doar doi astfel de electroni. În cazul general, pentru orice valoare dată a lui n, electronii diferă în primul rând în numărul cuantic lateral /, care ia valori de la 0 la n-1. Dat fiind dacă/ pot exista (2/+1) electroni cu valori diferite ale numărului cuantic magnetic m. Acest număr trebuie dublat, deoarece valorile date ale lui l, / și m( corespund a două valori diferite ale proiecției spin mx. În consecință, numărul maxim de electroni cu același număr cuantic l se exprimă prin sumă.De aici este clar de ce nu pot exista mai mult de 2 electroni la primul nivel de energie, 8 la al doilea, 18 la al treilea etc. Considerăm, de exemplu, atomul de hidrogen iH. Există un electron în atomul de hidrogen iH, iar spinul acestui electron poate fi direcționat în mod arbitrar (adică ms ^ + ij2 sau mt = -1 / 2), iar electronul este în starea s-co la primul nivel de energie. cu l- 1 (Reamintim încă o dată că primul nivel de energie constă dintr-un subnivel - 15, al doilea nivel de energie - din două subnivele - 2s și 2p, al treilea - din trei subnivele - 3 *, Zru 3d etc.). Subnivelul, la rândul său, este împărțit în celule cuantice * (stări de energie determinate de numărul de valori posibile \u200b\u200de m (, adică 2 / 4-1). Se obișnuiește să se reprezinte grafic celula ca dreptunghi , direcția spinului electronului este săgeți.De aceea, starea electronului din atomul de hidrogen iH poate fi reprezentată ca Ijt1, sau, ceea ce este același, Prin „celulă cuantică” înțelegeți * un orbital caracterizat de aceeași mulțime a valorilor numerelor cuantice n, I și m * în fiecare celulă pot fi plasați maximum doi electroni cu spini ayati-paraleli, care se notează cu ti - Distribuția electronilor în atomi În atomul de heliu 2He, cuantica numerele n-1, / \u003d 0 și m (-0) sunt aceleași pentru ambii electroni, iar numărul cuantic m3 este diferit. Proiecțiile spinului electronului cu heliu pot fi mt \u003d + V2 și ms \u003d - V2. structura învelișului de electroni a atomului de heliu 2He poate fi reprezentat ca Is-2 sau, ceea ce este același, 1S ȘI Să descriem structura învelișurilor de electroni a cinci atomi ai elementelor din a doua perioadă a tabelului periodic: Învelișurile de electroni 6C, 7N și VO trebuie umplute exact în acest fel, nu este evident în prealabil. Aranjamentul dat al spinurilor este determinat de așa-numita regulă a lui Hund (formulată pentru prima dată în 1927 de către fizicianul german F. Gund). regula lui Gund. Pentru o valoare dată a lui I (adică într-un anumit subnivel), electronii sunt aranjați în așa fel încât suta totală * să fie maximă. Dacă, de exemplu, este necesar să se distribuie trei electroni în trei / ^-celule ale atomului de azot, atunci ei vor fi amplasați fiecare într-o celulă separată, adică plasați pe trei orbitali p diferiți: În acest caz, totalul spin este 3/2, deoarece proiecția lui este m3 - 4-1/2 + A/2+1/2 = 3/2* Aceiași trei electroni nu pot fi aranjați astfel: 2p NI pentru că atunci proiecția totalului spin este mm = + 1/2 - 1/2+ + 1/2=1/2. Din acest motiv, exact ca mai sus, electronii sunt localizați în atomii de carbon, azot și oxigen. Să luăm în considerare în continuare configurațiile electronice ale atomilor din următoarea a treia perioadă. Începând cu sodiu uNa, al treilea nivel de energie cu numărul cuantic principal n-3 este umplut. Atomii primelor opt elemente ale celei de-a treia perioade au următoarele configurații electronice: Considerați acum configurația electronică a primului atom din perioada a patra de potasiu 19K. Primii 18 electroni umplu următorii orbitali: ls12s22p63s23p6. S-ar părea că; că al nouăsprezecelea electron al atomului de potasiu trebuie să cadă pe subnivelul 3d, care corespunde cu n = 3 și 1=2. Cu toate acestea, de fapt, electronul de valență al atomului de potasiu este situat în orbitalul 4s. Umplerea ulterioară a cochiliilor după al 18-lea element nu are loc în aceeași succesiune ca în primele două perioade. Electronii din atomi sunt aranjați în conformitate cu principiul Pauli și cu regula lui Hund, dar în așa fel încât energia lor să fie cea mai mică. Principiul energiei minime (cea mai mare contribuție la dezvoltarea acestui principiu a fost făcută de omul de știință V. M. Klechkovsky) - într-un atom, fiecare electron este situat astfel încât energia sa să fie minimă (ceea ce corespunde celei mai mari conexiuni cu nucleul) . Energia unui electron este determinată în principal de numărul cuantic principal n și de numărul cuantic lateral /, prin urmare, acele subnivele pentru care suma valorilor numerelor cuantice pi / este cea mai mică sunt completate mai întâi. De exemplu, energia unui electron la subnivelul 4s este mai mică decât la subnivelul 3d, deoarece în primul caz n+/=4+0=4, iar în al doilea n+/=3+2= 5; la subnivelul 5* (n+ /=5+0=5) energia este mai mică decât la Ad (l + /=4+ 4-2=6); cu 5p (l+/=5 +1 = 6) energia este mai mică decât cu 4/(l-f/= =4+3=7), etc. V. M. Klechkovsky a fost primul care a formulat în 1961 o propoziție generală conform căreia un electron în starea fundamentală ocupă un nivel nu cu valoarea minimă posibilă a lui n, ci cu cea mai mică valoare a sumei n + / ". În cazul în care sumele valorilor lui pi / sunt egale pentru două subniveluri, subnivelul cu o valoare mai mică n. ​​De exemplu, la subnivelurile 3d, Ap, 5s, suma valorilor lui pi/ este egală cu 5. În acest caz, subnivelurile cu valori mai mici ale lui n sunt mai întâi completate, adică 3dAp-5s etc. În sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev, succesiunea de umplere cu niveluri și subniveluri de electroni este următoarea (Fig. 2.4). Distribuția electronilor în atomi. Schema de umplere a nivelurilor de energie și a subnivelurilor cu electroni Prin urmare, conform principiului energiei minime, în multe cazuri este mai rentabil din punct de vedere energetic ca un electron să ocupe subnivelul nivelului „supraiacent”, deși subnivelul nivelului „inferior”. nu este umplut: De aceea în a patra perioadă se umple mai întâi subnivelul 4s și numai după aceea subnivelul 3d .

Fiecărui orbital atomic îi corespunde o anumită energie. Ordinea AO în energie este determinată de două reguli Klechkovsky:

1) energia unui electron este determinată în principal de valorile principalului (n) și orbitalului ( l) numere cuantice, deci mai întâi electronii umplu acele subniveluri pentru care suma (n + l) Mai puțin.

De exemplu, s-ar putea presupune că subnivelul 3d este mai mic în energie decât 4s. Cu toate acestea, conform regulii Klechkovsky, energia stării 4s este mai mică decât 3d, deoarece pentru 4s suma (n + l) = 4 + 0 = 4, iar pentru 3d - (n + l) = 3 + 2 = 5.

2) Dacă suma (n + l) este același pentru două subniveluri (de exemplu, pentru subnivelurile 3d și 4p această sumă este egală cu 5), nivelul cu cel mai mic n. Prin urmare, formarea nivelurilor energetice ale atomilor elementelor din perioada a patra are loc în următoarea secvență: 4s - 3d - 4p. De exemplu:

21 Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 , 31 Ga 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1

Astfel, ținând cont de regulile Klechkovsky, energia orbitalilor atomici crește în funcție de serie

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

Notă. Semnul ≤ înseamnă că energiile AO sunt apropiate, deci aici este posibilă o încălcare a regulilor Klechkovsky.

Folosind această serie, se poate determina structura electronică a oricărui atom. Pentru a face acest lucru, trebuie să adăugați și să plasați secvențial electroni pe subniveluri și orbitali atomici. În acest caz, este necesar să se țină cont de principiul Pauli și de regulile lui Two Hund.

3. Principiul Pauli determină capacitatea AO: Un atom nu poate avea doi electroni cu același set de toate cele patru numere cuantice.

Cu alte cuvinte, un AO caracterizat prin trei numere cuantice poate găzdui doar doi electroni cu rotiri opuse, adică pentru un AO, se pot scrie două opțiuni posibile pentru umplerea acestuia:

un electron și doi electroni ↓ .

În acest caz, direcția specifică a spinului pentru un electron din orbital nu contează, este important doar ca spinurile pentru doi electroni dintr-un AO să aibă semne opuse. Principiul Pauli și interdependența dintre valorile lui n, l, și m determină numărul maxim posibil de electroni pe orbital, subnivel și nivel (Tabelul 2.4):

-pe un AO - 2 electron;

- la subnivel l- 2(2l+1) electron;

- la nivelul n - 2n 2 electronii.

Tabelul 2.4

Distribuția electronilor

după niveluri de energie, subniveluri și orbitali

Nivel de energie	Numărul cuantic principal	Subnivelul energetic	orbitali atomici	Numărul maxim de electroni
				subnivel	nivel
1		s( l= 0)
		s( l= 0)
2		p( l= 1)
		s( l= 0)
3		p( l= 1)
		d( l=2)

4. Regulile lui Two Hund descriu ordinea în care electronii umplu AO a unui subnivel:

Prima regulă: într-un subnivel dat, electronii tind să umple stările energetice (AO) în așa fel încât suma spinurilor lor în valoare absolută să fie maximă. În acest caz, energia sistemului este minimă.

De exemplu, luați în considerare configurația electronică a unui atom de carbon. Numărul atomic al acestui element este 6. Aceasta înseamnă că în atom sunt 6 electroni și sunt localizați pe 2 niveluri de energie (atomul de carbon este în a doua perioadă), adică. 1s 2 2s 2 2p 2 . Grafic, subnivelul 2p poate fi reprezentat în trei moduri:

m 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1

A B C

Numărul de rotiri din opțiune A este egal cu zero. În opțiuni bși în suma spinurilor este: ½ +½ = 1 (doi electroni perechi însumează întotdeauna zero, deci luăm în considerare electronii neperechi).

Când alegeți între opțiuni bși în urmează a doua regulă a lui Hund : starea cu suma maximă (în valoare absolută) a numerelor cuantice magnetice are energia minimă.

Conform regulii lui Hund, opțiunea are un avantaj b(suma lui |1+ 0| este egală cu 1) , deoarece în variantă în suma |+1–1| este egal cu 0.

Să definim, de exemplu, formula electronică a elementului vanadiu (V). Deoarece numărul său atomic este Z = 23, 23 de electroni trebuie plasați pe subniveluri și niveluri (există patru, deoarece vanadiul este în a patra perioadă). Completam succesiv: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 (niveluri și subniveluri neterminate subliniate). Amplasarea electronilor pe 3d-AO conform regulii lui Hund va fi:

Pentru seleniu (Z = 34) formula electronică completă este: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4, al patrulea nivel este incomplet.

Completarea acestui subnivel conform regulii lui Hund: 4p

Un rol special în chimie îl joacă electronii ultimelor niveluri și subniveluri neocupate, care se numesc valenţă(în formulele V, Se sunt subliniate). De exemplu, în vanadiu aceștia sunt electronii celui de-al patrulea nivel neumplut 4s 2 și subnivelul neumplut 3d 3 , adică. 5 electroni vor fi valență 4s 2 3d 3 ; seleniul are 6 electroni - 4s 2 4p 4 .

După numele ultimului subnivel care trebuie completat, elementele sunt numite elemente s, elemente p, elemente d și elemente f.

Se numesc formulele electronilor de valență găsite conform regulilor descrise canonic. De fapt, formulele reale determinate din experiment sau din calculul mecanic cuantic diferă oarecum de cele canonice, deoarece Regulile lui Klechkovsky, principiul lui Pauli și regulile lui Gund sunt uneori încălcate. Motivele acestor încălcări sunt discutate mai jos.

Exemplul 1. Scrieți formula electronică a unui atom al unui element cu număr atomic 16. Desenați grafic electronii de valență și caracterizați unul dintre ei prin numere cuantice.

Soluţie. Numărul atomic 16 are un atom de sulf. Prin urmare, sarcina nucleară este 16, în general, atomul de sulf conține 16 electroni. Formula electronică a atomului de sulf se scrie: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. (Electroni de valență subliniați).

Formula grafică a electronilor de valență:

Starea fiecărui electron dintr-un atom este caracterizată de patru numere cuantice. Formula electronică oferă valorile numărului cuantic principal și ale numărului cuantic orbital. Deci, pentru un electron marcat, starea 3p înseamnă că n = 3 și l= 1(p). Formula grafică oferă valoarea a încă două numere cuantice - magnetice și spin. Pentru electronul marcat m = -1 și s = 1/2.

Exemplul 2. Caracterizați electronii de valență ai atomului de scandiu prin patru numere cuantice.

Soluţie. Scandiul este în perioada a 4-a, adică. ultimul strat cuantic este al patrulea, în grupa a 3-a, adică. trei electroni de valență.

Formula electronică a electronilor de valență este: 4s 2 3d 1 .

Formula grafica:

Dacă particulele identice au aceleași numere cuantice, atunci funcția lor de undă este simetrică în raport cu permutarea particulelor. Rezultă că doi fermioni identici incluși într-un sistem nu pot fi în aceleași stări, deoarece pentru fermioni, funcția de undă trebuie să fie antisimetrică. Rezumând datele experimentale, V. Pauli a format principiu excepții , Prin care sistemele fermionilor se găsesc în natură numai în state,descrise prin funcţii de undă antisimetrice(formularea mecanică cuantică a principiului Pauli).

Din această poziție urmează o formulare mai simplă a principiului Pauli, care a fost introdus de el în teoria cuantică (1925) chiar înainte de construcția mecanicii cuantice: într-un sistem de fermioni identici oricare dintre ele nu poate simultan fi in aceeasi stare . Rețineți că numărul de bozoni identici în aceeași stare nu este limitat.

Amintiți-vă că starea unui electron într-un atom este determinată în mod unic de mulțime patru numere cuantice :

principal n ;

orbital l , de obicei aceste stări indică 1 s, 2d, 3f;

magnetic ();

· spin magnetic ().

Distribuția electronilor într-un atom are loc conform principiului Pauli, care poate fi formulat pentru un atom în cea mai simplă formă: în același atom nu poate exista mai mult de un electron cu același set de patru numere cuantice: n, l, , :

Z (n, l, , ) = 0 sau 1,

Unde Z (n, l, , ) este numărul de electroni într-o stare cuantică, descris de un set de patru numere cuantice: n, l, , . Astfel, principiul Pauli spune: că doi electroni ,legate în același atom diferă ca valoare ,macar ,un număr cuantic .

Numărul maxim de electroni în stări descrise de un set de trei numere cuantice n, lși m, și care diferă numai în orientarea spinilor electronilor este egal cu:

,

(8.2.1)

deoarece numărul cuantic de spin poate lua doar două valori 1/2 și –1/2.

Numărul maxim de electroni care se află în stări determinate de două numere cuantice nși l:

.

(8.2.2)

În acest caz, vectorul momentului unghiular orbital al electronului poate lua în spațiu (2 l+ 1) orientări diferite (Fig. 8.1).

Numărul maxim de electroni în stări determinat de valoarea numărului cuantic principal n, este egal cu:

.

(8.2.3)

Setul de electroni dintr-un atom cu mai mulți electroni,având același număr cuantic principal n,numit învelișul de electroni sau strat .

În fiecare dintre învelișuri, electronii sunt distribuiți de-a lungul subcochilii corespunzătoare acesteia l.

zona de spatiu,în care există o mare probabilitate de a găsi un electron, numit subshell sau orbital . Vederea principalelor tipuri de orbitali este prezentată în fig. 8.1.

Deoarece numărul cuantic orbital ia valori de la 0 la , numărul de subshell este egal cu numărul ordinal n scoici. Numărul de electroni dintr-un subshell este determinat de numerele cuantice de spin magnetic și magnetic: numărul maxim de electroni dintr-un subshell cu un anumit l este egal cu 2(2 l+ 1). Denumirile învelișurilor, precum și distribuția electronilor pe învelișuri și subînvelișuri sunt date în tabel. unu.

tabelul 1

Numărul cuantic principal n

simbolul cochiliei

Numărul maxim de electroni în înveliș

Numărul cuantic orbital l

Caracter subshell

Număr maxim electroni în subshell