Принцип Паули. Электронные конфигурации атомов. Принцип построения периодической системы (ПС) элементов
В системе одинаковых фермионов, описываемой антисимметричной волновой функцией, любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. В противном случае их ничего не меняющая перестановка давала бы состояние с симметричной функцией. Отметим, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не лимитируется.
Для электронов в атоме может быть использована простейшая формулировка принципа Паули. В одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, ml , ms .
Таблица 2.1. Электронные конфигурации элементов ПС в основном состоянии
| n | 5 … | ||||||||||||
| Символ оболочки, уровня | K | L | M | N | O … | ||||||||
| 2n2 | |||||||||||||
| l = 0 … n-1 | … | ||||||||||||
| Символ подоболочки, подуровня | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | … | ||
| 2(2l + 1) | |||||||||||||
| Пе-риод | Z | Эле-мент | |||||||||||
| I | H | ||||||||||||
| He | |||||||||||||
| II | Li | ||||||||||||
| Be | |||||||||||||
| B | |||||||||||||
| … | |||||||||||||
| Ne | |||||||||||||
| III | Na | ||||||||||||
| … | |||||||||||||
| Ar | |||||||||||||
| IV | K | - * | |||||||||||
| Ca | - | ||||||||||||
| Sc | |||||||||||||
| … |
Примечание*. Первое исключение в основном порядке заполнения орбиталей:
19K[1s22s22p63s23p6]3d04s1. При преимущественном увеличении энергии орбиты с ростом n положение ее уровня в многоэлектронном атоме определяется как главным квантовым числом n, так иорбитальным l .
Принцип Паули и экспериментальные данные по атомным спектрам и потенциалам ионизации положены в основу важного обобщения, названного принципом построения ПС:
Электронная конфигурация атома с номером Z определяется конфигурацией предшествующего атома с номером (Z - 1) и дополнительным определением квантовых чисел только одного добавочного электрона, который занимает самую низкую по энергии из доступных орбиталей на подуровнях, расположенных примерно в следующем порядке:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.
Символически орбитали атома изображают ячейками, а электроны – стрелками внутри них, направленными вверх при ms = +1/2 и вниз при ms = -1/2.
| 4s | ||||||||||||||||||||
| 3p | ↑ | 3d | ||||||||||||||||||
| 3s | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | 4s | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ||||||||||||
| 2p | ↑↓ | 24Cr | [Ar] | ↑↓ | ||||||||||||||||
| 2s | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | 3d | ||||||||||||||||
| 1s | ↑↓ | 4s | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | |||||||||||||
| 19K | ↑↓ | 24Cr | [Ar] | ↑ | ||||||||||||||||
Орбитальная схема, соответствующая электронному строению атома 19K, условно отражает энергетическое различие подуровней, определяемых значениями главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел. В сокращенном представлении орбитальной схемы 24Cr для заполненных подуровней 1s, 2s, 2p, 3s, 3p использовано обозначение, соответствующее электронной конфигурации аргона ([Ar]).
Орбитали внутри каждого подуровня отличаются значениями магнитного квантового числа (ml), а электроны на орбиталях – значениями спинового (ms). В отсутствии магнитного поля несколько орбиталей в пределах подуровня совпадают по энергии и носят название вырожденных. Возникающую при этом неопределенность в размещении электронов на не полностью заполненных подоболочках устраняет эмпирическое правило Хунда.
Заполнение электронами вырожденных энергетических уровней в атоме или молекуле происходит таким образом, чтобы суммарное спиновое число системы имело максимальное значение.
Из орбитальной диаграммы 24Crвидно, что электроны заполняют орбитали очередного подуровня так, чтобы по возможности располагаться на них поодиночке. Однако более низкой энергией для атома 24Cr обладает вторая из приведенных конфигураций с наполовину заполненным 3d-подуровнем. В этом и подобных случаях на правилоХунда, даже усиливая его, накладывается фактор симметрии электронного распределения.
Периодическая система (ПС) элементов Д.И. Менделеева – это расположение химических элементов в порядке возрастания заряда ядра в горизонтальные ряды (периоды), в которых по вертикали выделены группы элементов с одинаковым числом внешних, валентных электронов в подобных электронных конфигурациях, а потому обладающих сходными химическими свойствами.
- Восемь главных подгрупп (вертикальные столбцы) – это так называемые s- и p-элементы с заполняемыми s- и p-подоболочками, которые заканчиваются заполненными 1s2 (Не), ns2np6 (Ar, Kr, Xe, Rn) и устойчивыми конфигурациями химически инертных благородных газов. Главное квантовое число n соответствует номеру периода, а номер подгруппы NA = x+y равен сумме чисел электронов в конфигурации основного состояния атомов nsxnpy.Например, четыре электрона углерода в конфигурации 2s22p2 определяют его место вIVA группе.
- Побочные подгруппы – d-элементы, в которых к внешним валентным электронам ns-подоболочки примыкаeт валентно активная (n-1)d-подобо-лочка (NБ = x+y в конфигурации (n-1)d y nsx ), а также f-элементы, в которых к здесь указанным добавляются электроны подоболочки (n-2) f. Чтобы чрезмерно не удлинять таблицу Менделеева, а также в виду близости химических свойств четырнадцати (2∙(2∙(l=3)+1)) f-элементов, следующих за La (лантаноидов), они вынесены в отдельный ряд, помещенный внизу под таблицей. Тоже самое сделано с актиноидами в седьмом периоде.
Открытые в последнее время искусственные элементы прекрасно «вписываются» в неё, как это случилось со многими естественными элементами, найденными после создания периодической таблицы.