Строение электронной оболочки атома

Основой современной теории строения атома являются законы и положения квантовой механики – раздела физики, изучающего движение микрообъектов (электронов, протонов и других частиц, которые имеют ничтожную массу).

Согласно квантово-механическим представлениям, движущимся микрообъектам присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волной характер движения, т.е. микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Для описания движения микрочастиц используется вероятностный подход, т.е. определяется не их точное положение, а вероятность нахождения в той или иной области околоядерного пространства.

Состояние (в квантовой механике синоним слова «движение») электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической модели - электронного облака. Электронное облако графически отражает вероятность пребывания электрона в каждом участке электронной орбитали. Под электронной орбиталью следует понимать область пространства, где с определенной долей вероятности (около 90-95%) возможно пребывание электрона. Электронная орбиталь каждого электрона в атоме называется атомной орбиталью (АО), в молекуле – молекулярной орбиталью (МО). Полное описание состояния электронного облака осуществляется с помощью уравнения Шредингера. Решение этого уравнения, т.е. математическое описание орбитали, возможно лишь при определенных дискретных (прерывных) значениях квантовых чисел

Главное квантовое число n

Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число l (l_n)

Магнитное квантовое число m (m_l)

Спиновое квантовое число S(m_s)

Главное квантовое число (n) определяет основной запас энергии электрона, т.е. степень его удаления от ядра или размер электронного облака (орбитали). Оно принимает любые целочисленные значения, начиная с единицы. Для реально существующих атомов в основном состоянии n = 1÷7.

Состояние электрона, которое характеризуется определенным значением n, называется энергетическим уровнем электрона в атоме. Электроны, имеющие одинаковые значения n, образуют электронные слои (электронные оболочки), которые можно обозначить и цифрами и буквами.

Значение n…………………………….1 2 3 4 5 6 7

Обозначение электронного слоя …….K L M N O P Q

Наименьшее значение энергии соответствует n = 1, и электроны с n = 1 образуют ближайший к ядру атома электронный слой, они более прочно связаны с ядром.

Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число l определяет орбитальный момент количества движения электрона и характеризует форму электронного облака. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до (п-1). Для реально существующих атомов в основном состоянии l принимает значение 0,1,2 и 3.

Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l=0 атомная орбиталь, независимо от значения главного квантового числа, имеет сферическую форму (S-орбиталь). Значению l=1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (p- орбиталь). Более сложные формы у d- и f-орбиталей (l=2, l=3).

Каждому n соответствует определенное число значений орбитального квантового числа, т.е. энергетический уровень представляет собой совокупность энергетических подуровней. Число энергетических подуровней каждого электронного слоя равно номеру слоя, т.е. значению главного квантового числа. Так первому энергетическому уровню (n=1) соответствуют один подуровень-s; второму (n=2) – два подуровня s и p; третьему (n=3) – три подуровня s, p, d; четвертому (n=4) – четыре подуровня s, p, d, f.

Таким образом, энергетический подуровень – это состояние электрона в атоме, которое характеризуется определенным набором квантовых чисел n и l. Такое состояние электрона, соответствующее определённым значениям n и l (тип орбитали), записывается в виде сочетания цифрового обозначения n и буквенного l, например 4p (n = 4; l = 1); 5d (n = 5; l = 2).

Таблица 1

Соответствие обозначений орбитального квантового числа и подуровня

Орбитальное квантовое число	0 1 2 3 4
Подуровень	s p d f g

Магнитное квантовое число определяет значение проекции орбитального момента количества движения электрона на произвольно выделенную ось, т.е. характеризует пространственную ориентацию электронного облака. Оно принимает все целочисленные значения от –l до +l, в том числе значение 0.

Так, при l=0 m=0. Это значит, что S- орбиталь имеет одинаковую ориентацию относительно трёх осей координат. При l =1 m может принимать три значения: -1; 0; +1. Это значит, что могут быть три р-орбитали с ориентацией по координатным осям x, y, z.

Любому значению l соответствует (2l +1) значений магнитного квантового числа, т.е. (2l + 1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве. S – состоянию соответствует 2×0 + 1 = 1 одна орбиталь, p- состоянию 2×1 + 1 = 3 три орбитали, d-состоянию 2×2 + 1 = 5 пять орбиталей, f-состоянию 2×3 + 1 = 7 семь орбиталей и т.д.

Состояние электрона в атоме, которое характеризуется определёнными значениями квантовых чисел n, l , m , т.е. определёнными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называется атомной электронной орбиталью.

Спиновое квантовое число S(m_s) характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно имеет только два значения + и – .

Итак, подводя итоги изложенному выше, можно составить блок-схему «Квантовые числа» (таблица 2).

Таблица 2. Блок-схема «Квантовые числа»

Квантовое число	Название	Физический смысл	Какие значения принимает
n(эн)	главное квантовое число	определяет общий запас энергии и размеры электронных орбиталей; характеризует энергетический уровень	nÎN (теоретически) n 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q (практически)
l(эль)	орбитальное (азимутальное) квантовое число	определяет форму атомной орбитали характеризует энергетические подуровни	lÎ[0;n-1] (теоретически) l 0 1 2 3 s p d f (практически)
ml(эм)	магнитное квантовое число	показывает ориентацию электронного облака в пространстве	от –l до +l все целые числа, включая ноль при l=3 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 сколько значений? (2×l+1) при l=3 2×3+1=7
S(ms) (эс)	спин	показывает собственный вращательный момент электрона	числа +½ и – ½ для каждого ml

Поведение электронов в атомах подчиняется принципу запрета, В. Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковыми все четыре квантовых числа.

Согласно принципу Паули, на одной орбитали, характеризующейся определёнными значениями квантовых чисел n, l и m может находиться либо один электрон, либо два, но различающихся значением s.

Орбиталь с двумя электронами, спины которых антипараллельны (квантовая ячейка), схематически можно изобразить так:

Максимально в одном электронном слое может быть 2n² электронов, так называемая емкость электронного слоя.

В таблице 3 приведены значения квантовых чисел для различных состояний электрона, а так же указано максимальное число электронов, которое может находиться на том или ином энергетическом уровне и подуровне в атоме.

Таблица 3.

Квантовое состояние электронов, емкость энергетических уровней и подуровней.

Квантовый	Магнитное квантовое число ml	Число квантовых состояний (орбиталей)	Максимальное число электронов
уровень	подуровень
обозначение	главное квантовое числоn	обозначение	орбитальное квантовое числоl	в подуровне (2l+1)	в уровне n2	в подуровне 2(2l+1)	в уровне 2n2
K L M N		S   s p s p d s p d f		0;   0; -1; 0; +1;   0; -1; 0; +1; -2; -1; 0; +1; +2;   -1; 0; + 1 -2; -1; 0; +1; +2 -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3;

Расположение электронов по слоям и орбиталям изображают в виде электронных конфигураций. При этом электроны размещаются согласно принципу минимальной энергии: наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению его энергии.

Конкретная реализация этого принципа отражается с помощью принципа Паули (см. стр. 8), правила Хунда, а также правила Клечковского.

Правило Хунда: в пределах энергетического подуровня электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальный.

Правило Клечковского: орбитали заполняются электронами в порядке возрастания их энергии, которая характеризуется суммой (n + l). При этом, если сумма (n + l) двух разных орбиталей одинакова, то раньше заполняется орбиталь, у которой главное квантовое число меньше.

Последовательность заполнения электронных энергетических подуровней в атоме смотрите в таблице 4.

Таблица 4.

Порядок заполнения орбиталей по сумме главного и побочного квантовых чисел (n + l).

n	l	n+l	Орбиталь	Порядок заполнения
		1+0=1	1s
		2+0=2 2+1=3	2s 2p
		3+0=3 3+1=4 3+2=5	3s 3p 3d
		4+0=4 4+1=5 4+2=6 4+3=7	4s 4p 4d 4f
		5+0=5 5+1=6 5+2=7 5+3=8	5s 5p 5d 5f
		6+0=6 6+1=7 6+2=8 6+3=9	6s 6p 6d 6f
		7+0=7 7+1=8	7s 7p

Итак, последовательность заполнения электронных энергетических подуровней в атоме: