Квантовые числа.Атомныеорбитали

Состояние электрона в атоме любого химического элемента характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным и спиновым.

Главное квантовое число

Главное квантовое число п определяет энергию и размеры электронного облака. Энергия электрона, прежде всего, зависит от расстояния до ядра. Чем ближе электрон расположен к ядру, тем меньше его энергия, поэтому главное квантовое число характеризует расположение электрона на том или ином энергетическом уровне (квантовом слое).

Главное квантовое число n = 1 , причем при п=1 электрон находится на первом энергетическом уровне, расположенном на минимально возможном расстоянии от ядра. Полная энергия такого электрона наименьшая.

С другой стороны, электрон, находящийся на наиболее удаленном от ядра энергетическом уровне, обладает максимальной энергией, поэтому при переходе электрона с более удаленного уровня на менее удаленный выделяются кванты энергии.

Орбитальное квантовое число

Орбитальное квантовое число l определяет форму электронного облака. Различным формам электронного облака соответствуют различные значения энергии, т.е. в пределах одного энергетического уровня происходит его расщепление на энергетические подуровни. Орбитальное квантовое число l=0 (n-1). Энергетические подуровни обозначаются: s(l=0), р(1=1), d(l=2), f(l=3).

При п=1; 1=0. Такому значению l соответствует форма электронного облака в виде сферы. Электроны, l которых равно 0, называются s-электронами. На первом энергетическом уровне могут находиться только s-электроны, которые образуют один энергетический подуровень 1s.

При п = 2; I = 0, 1. Значению l = 1 соответствует электронное облако в виде "объемной восьмерки". Электроны, l которых равно 1, называются р-электронами. На втором энергетическом уровне могут находиться и s-, и р-электроны, которые образуют два энергетических подуровня 2s и 2р.

При п = 3; l = 0. 1, 2. Значению 1=2 соответствует форма электронного облака в виде "четырехлепесткового соцветия". Электроны, l которых равно 2, называются d - электронами. На третьем энергетическом уровне могут находиться и s-, и р-, и (d-электроны, которые могут образовывать три энергетических подуровня Зs, Зр, 3d.

При n = 4; l = 0, 1, 2, 3. Значению l = 3 соответствует сложная, трудно изображаемая форма электронного облака. Электроны, l которых равно 3, называются f-электронами. На четвертом энергетическом уровне могут находиться и s-, и р-, и с/-, и /-электроны, которые могут образовывать четыре энергетических подуровня 4s, 4p, 4d, 4f.

Количество подуровней в уровне равно номеру уровня, но не превышает 4.

Магнитное квантовое число

Магнитное квантовое число m_lхарактеризует пространственную ориентацию электронного облака. Магнитное квантовое число m_l = - l l.

При l = 0; m_l = 0, т.е. у s-электронного облака отсутствует ориентация.

При l = l, m_l = -1, 0, 1. Три значения m_l соответствуют трем ориентациям р-электронных облаков в пространстве по направлениям координатных осей X, Y, Z::р_x, р_у, р_z.

При l = 2; m_l = -2, -1, 0, 1, 2. Этим пяти значениям m_l соответствует пять пространственных положений d-электронных облаков, причем три d-орбитали имеют диагональное расположение между осями X, Y, Z (d_xy, d_xz d_yz;); две остальные d-орбитали направлены вдоль осей координат (d_x2y2, d_z2).

При l = 3; m_l = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3. Этим семи значениям m_l соответствуют семь пространственных положений f -электронных облаков.

Атомные орбитали

Совокупность положений электрона в атоме, характеризуемых тремя квантовыми числами п, l, m_l,называется атомной орбиталыо.

На s-подуровне содержится только одна атомная орбиталь, на р-подуровне - 3, на d-подуровне - 5, а на f -подуровне - 7.

Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель.

В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E_s <E_p <E_d <E_f <E_g. В первой оболочке (n = 1) может быть одна s-; во второй (n = 2) две s- и р-, в третьей (n = 3) s-, р- и d-, в четвертой (n = 4) s-, р-, d- и f- подоболочки и т. д.

Спиновое квантовое число

Наличие у электронов собственного механического момента, связанного с его вращением вокруг собственной оси, получило название спина (spin, англ. - веретено).

Величину и ориентацию этого спина характеризует спиновое квантовое число m_s = - 1/2, 1/2.

Поскольку спин - величина векторная, то электроны, имеющие одинаковое направление, называют параллельными, противоположное - антипараллельными.

Таким образом, состояние электрона в атоме однозначно характеризуется четырьмя квантовыми числами.

Спиновое квантовое число (m_s)характеризует механический момент движения электронов и имеет два значения +1/2 и –1/2, соответствующие противоположным направлениям вращения. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками ↑↓. Каждаяэлектроннаяорбитальватоме (или атомная орбиталь (АО)) характеризуется тремя квантовыми числами: n, l и m_l. Общие число атомных орбиталей в оболочках равно n². Условно атомную орбиталь обозначают в виде клеточки. Состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами n, l, m_l, и m_s.