Правила заполнения электронных орбиталей
1. Принцип минимума энергии: из множества возможных состояний электрона реализуется то, в котором энергия атома минимальна. Этот принцип конкретизируется правилами Клечковского.
1). Из множества свободных орбиталей электрон займет ту, где меньше значение суммы (n+L).
2). Из множества свободных орбиталей с одинаковыми значениями сумм (n+L) электрон займет ту, где меньше n.
Элементарный анализ дает следующую последовательность заполнения электронных подуровней:
1s®
2s®2p®
3s®3p®
4s®3d®4p®
5s®4d®5p®
6s®4f®5d®6p®
7s®5f®6d®7p
2. Принцип Паули: в атоме не могут одновременно находиться электроны, состояние которых описывается одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Следствие: на одной орбитали могут находиться максимум два электрона, у которых значения ms обязательно различны.
3. Правило Гунда:при заполнении подуровня модуль суммы спиновых квантовых чисел электронов должен быть максимально возможным. На практике это выполняется последовательным размещением на каждой орбитали подуровня сначала по одному электрону с параллельными спинами, а затем по второму с антипараллельными спинами.
Существуют некоторые нарушения правил заполнения электронных орбиталей, связанных с тем, что разница в энергиях электронов, расположенных на соседних электронных подуровнях, невелика. Это относится к подуровням 4s и 3d; 5s и 4d; 6s, 5d и 4f ; 7s, 6d и 5f.
Пример 1
Написать электронное строение атомов азота и титана.
Решение
Атом азота имеет №7, следовательно, в его атоме находится 7 электронов. На первом слое могут находиться максимум два электрона
| ↑↓ |
Следовательно, на втором слое будут находиться оставшиеся 5 электронов, два на 2s-орбитали и три на 3р-орбитали, причем, в соответствии с правилом Гунда, каждый р-электрон занимает отдельную орбиталь:
| ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ |
В итоге электронное строение атома азота будет иметь вид
| ↑↓ | |||||||||||||||||||||||
| ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ||||||||||||||||||||
В символьном виде
1s22s22p3 .
В последнем случае не видно, как расположены 2р- электроны. Если слой полностью заполнен, его можно указать с помощью буквы, обозначающей этот слой. В нашем примере полностью заполнен первый слой, поэтому электронное строение атома азота может быть записано в виде
К2s22p3.
Атом титана имеет №22. В соответствии с правилами заполнения в атоме титана сначала полностью заполняются первый и второй электронные слои:
| ↑↓ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | |||||||||||||||||||||||||||
Затем идет заполнение 3s- и 3p-подуровней:
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
После этого заполняется 4s-подуровень
| ↑↓ |
и лишь после этого недостающие два электроны поступают на 3d-подуровень:
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ |
Таким образом, электронное строение атома титана может быть описано схемой:
| ↑↓ | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | ||||||||||||||||||||||||||||
| ↑↓ | |||||||||||||||||||||||||||||||||
В символьном виде
КL3s23p63d24s2 .
Электронное строение атомов и таблица химических элементов
s-Элементами называются элементы, в атомах которых последний электрон поступает на s-подуровень. Аналогично определяются p-элементы, d-элементы и f-элементы.
Начало каждого периода соответствует открытию нового электронного слоя. Номер периода равен номеру открываемого электронного слоя. Каждый период, кроме первого, заканчивается заполнением р-подуровня слоя, открытого в начале этого периода. В первом периоде содержатся только s-элементы (два). В четвертом и пятом периодах между s-(два) и р-элементами (шесть) расположены d-элементы (десять). В шестом и седьмом за парой s-элементов расположен (в нарушение правил Клечковского) один d-элемент, затем четырнадцать f-элементов (они помещены отдельными строками в нижней части таблицы - лантаноиды и актиноиды), затем девять d-элементов и, как всегда, периоды заканчиваются шестью р-элементами.
По вертикали таблица делится на 8 групп, каждая группа - на главную и побочную подгруппы. В главных подгруппах находятся s- и р-элементы, в побочных - d-элементы. Главную подгруппу определить легко- в ней находятся элементы 1-3 периодов. Строго под ними расположены остальные элементы главной подгруппы. Элементы побочной подгруппы располагаются в стороне (слева или справа).
Валентность атомов
В классическом представлении валентность определяется числом неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии атомов. Основное состояние - электронное состояние атома, в котором его энергия минимальна. Возбужденное состояние - электронное состояние атома, соответствующее переходу одного или нескольких электронов с орбитали с меньшей энергией на свободную орбиталь с большей энергией. Для s- и р-элементов возможен переход электронов только в пределах внешнего электронного слоя. Для d-элементов возможны переходы в пределах d-подуровня предвнешнего слоя и s- и р-подуровней внешнего слоя. Для f-элементов возможны переходы в пределах (n-2)f-, (n-1)d-, ns- и np-подуровней, где n- номер внешнего электронного слоя. Валентными электронами называются электроны, определяющие валентность атома в его основном или возбужденном состоянии. Валентный электронный слой - слой, на котором расположены валентные электроны.
Пример 2
Описать с помощью квантовых чисел электроны внешнего слоя атома серы и валентные электроны железа (основное состояние). Указать возможные валентности и степени окисления атомов этих элементов.
Решение
1). Атом серы.
Сера имеет порядковый номер 16. Она находится в третьем периоде, шестой группе, главной подгруппе. Следовательно, это р-элемент, внешний электронный слой - третий, он и является валентным. На нем шесть электронов. Электронное строение валентного слоя имеет вид
Œ Ž ‘
| ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ |
Для всех электронов n=3, т. к. они расположены на третьем слое. Рассмотрим их по порядку:
Œ n=3, L=0 (электрон расположен на s-орбитали), ml=0 (для s-орбитали возможно только такое значение магнитного квантового числа), ms=+1/2 (вращение вокруг собственной оси происходит по часовой стрелке);
n=3, L=0, ml=0 (эти три квантовых числа такие же, как и у первого электрона, т. к. оба электрона находятся на одной орбитали), ms= -1/2 (только здесь проявляется различие, требуемое по принципу Паули);
Ž n=3, L=1 (это р-электрон), ml=+1 (из трех возможных значений ml= ±1, 0 для первой р-орбитали выбираем максимальное, это рх-орбиталь), ms= +1/2;
n=3, L=1, ml= +1, ms=-1/2;
n=3, L=1, ml= 0 (это ру-орбиталь), ms= +1/2;
‘ n=3, L=1, ml= -1 (это рz-орбиталь), ms= +1/2.
Рассмотрим валентности и степени окисления серы. На валентном слое в основном состоянии атома имеются две электронные пары, два неспаренных электрона и пять свободных орбиталей. Следовательно, валентность серы в этом состоянии II. Сера - неметалл. До завершения слоя ей не хватает двух электронов, поэтому в соединениях с атомами менее электроотрицательных элементов, например, с металлами, она может проявлять минимальную степень окисления -2. Распаривание электронных пар возможно, т. к. на этом слое есть свободные орбитали. Следовательно, в первом возбужденном состоянии (S* )
| ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
атом серы может иметь валентность IV, а во втором (S**) VI:
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
В соединениях с атомами более электроотрицательных элементов, например, кислородом, все шесть валентных электронов могут быть смещены от атомов серы, поэтому ее максимальная степень окисления +6.
2). Железо.
Порядковый номер железа 26. Оно расположено в четвертом периоде, в восьмой группе, побочной подгруппе. Это d-элемент, шестой в ряду d-элементов четвертого периода. Валентные электроны железа (восемь) расположены на 3d-подуровне (шесть, в соответствии с положением в ряду d-элементов) и на 4s-подуровне (два):
Œ Ž ‘
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
’“
| ↑↓ |
Рассмотрим их по порядку:
Πn=3, L=2, ml= +2, ms= +1/2;
n=3, L=2, ml= +2, ms= -1/2;
Ž n=3, L=2, ml= +1, ms= +1/2;
n=3, L=2, ml= 0, ms= +1/2;
n=3, L=2, ml= -1, ms= +1/2;
‘ n=3, L=2, ml= -2, ms= +1/2;
’ n=4, L=0, ml= 0, ms= +1/2;
“ n=4, L=0, ml= 0, ms= -1/2.
Валентность
На внешнем слое нет неспаренных электронов, поэтому минимальная валентность железа (II) проявляется в возбужденном состоянии атома:
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ||||||||||||||
| ↑ | ↑ | |||||||||||||||||||||
После того, как будут использованы электроны внешнего слоя, в образование химических связей могут быть задействованы 4 неспаренных электрона 3d-подуровня. Следовательно, максимальная валентность железа VI.
Степень окисления
Железо – металл, поэтому для него характерны положительные степени окисления от +2 (задействованы электроны 4s-подуровня) до +6 (задействованы 4s- и все неспаренные 3d-электроны).
Задания для самостоятельной работы
Индивидуальные задания
1. А. Какие значения квантовых чисел ml и ms возможны для 2р- состояния электрона?
Б. Охарактеризовать квантовыми числами электроны атома натрия (основное состояние).
В. Чем отличаются 1s- и 2s-орбитали?
2. А. Указать максимально возможное число электронов в s- и d-оболочках атома. Ответ обосновать.
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома цинка (основное состояние).
В. Изобразить s- и f-орбитали.
3. А. Какие значения квантовых чисел ml и ms возможны для 3р- состояния электрона?
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома кобальта (основное состояние).
В. Изобразить p- и d-орбитали.
4. А. Сколько орбиталей в атоме могут быть описаны значением квантового числа l=3 при фиксированном значении главного квантового числа?
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома хрома (основное состояние).
В. Изобразить d-орбитали.
5. А. Каков физический смысл побочного квантового числа?
Б. Описать квантовыми числами f-электроны атома гольмия (основное состояние).
В. Изобразить р-орбитали.
6. А. Сколько электронов в атоме стронция (основное состояние) имеют значение l=0?
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома селена (основное состояние).
В. Чем отличаются 2р- и 3р-орбитали?
7. А. Какую составляющую движения электрона определяет спиновое квантовое число?
Б. Описать квантовыми числами электроны атома кремния (основное состояние)?
В. Изобразить 2рx – и 3s-орбитали.
8. А. Сколько электронов атома теллура (основное состояние) имеют значение квантового числа l=1?
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома сурьмы (основное состояние).
В. Изобразить рy – и dxy –орбитали.
9. А. Сколько электронов атома марганца (основное состояние) имеют значение квантового числа l=1?
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома полония (основное состояние).
В. Изобразить pz – и dxz –орбитали.
10.А. Какое квантовое число обозначается буквами s, p, d, f ? Какие его значения соответствуют этим числам?
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома осмия (основное состояние).
В. Изобразить 4dyz – и 3s-орбитали.
11.А. Каковы значения орбитального квантового числа для следующих состояний электрона: 3p, 3d, 4s, 5f, 2p, 4f, 5d?
Б. Описать квантовыми числами электроны атома кислорода (основное сотояние).
В. Изобразить 2рх – и 3рх –орбитали.
12.А. Какие значения магнитного квантового числа возможны для 4f-состояния электрона?
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома молибдена (основное состояние).
В. Изобразить 2ру- и 3ру-орбитали.
13.А. Какие значения магнитного квантового числа возможны для 4d-состояния электрона?
Б. Описать квантовыми числами электроны атома фтора (основное состояние).
В. Изобразить 2рz- и 3pz-орбитали.
14.А. Сколько орбиталей в атоме могут характеризоваться значением главного квантового числа 3?
Б. Описать квантовыми числами электроны атома магния (основное состояние).
В. Изобразить 3dxy- и 4dxy-орбитали.
15.А. Каков физический смысл побочного квантового числа?
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома ниобия (основное состояние).
В. Изобразить 3dxz- и 4dxz-орбитали.
16.А. Каков физический смысл главного квантового числа?
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома сурьмы (основное состояние).
В. Изобразить 3dyz- и 4dyz-орбитали.
17.А. Указать максимальное число электронов в атоме, обладающих определенным значением главного квантового числа.
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома свинца (основное состояние).
В. Изобразить d(x2)- и d(x2-y2)-орбитали.
18.А. В приведенном ряду указать невозможные обозначения состояния электронов: 1s, 3d, 2d, 4f, 5f, 1p, 3p, 3f. Ответ обосновать.
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома ксенона (основное состояние).
В. Изобразить 3d(x2)- и 4d(x2)-орбитали.
19. А. Сформулировать правило Хунда и приведите иллюстрирующий его пример.
Б. Описать квантовыми числами электроны атома алюминия (основное состояние).
В. Изобразить 3d(x2-y2)- и 4d(x2-y2)-орбитали.
20. А. Каковы значения квантового числа l для следующих состояний электрона: 3p, 3d, 5f, 2s, 4d,4f?
Б. Описать квантовыми числами электроны внешнего слоя атома германия (основное состояние).
В. В каком случае размеры орбитали прямо пропорциональны квадрату главного квантового числа?
21. А. Указать максимально возможное число электронов в р- и f-оболочках атома. Ответ обосновать.
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома никеля (основное состояние).
В. Какой физический смысл магнитного квантового числа?
Привести иллюстрирующие примеры.
22.А. Перечислить квантовые числа электронов в атоме и указать диапазон их изменений.
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома кобальта (основное состояние).
В. Изобразить 1s- и 2s-орбитали.
23.А. Каковы значения квантового числа l для следующих состояний электрона: 1s, 3s, 4s, 4f, 4p,3d, 4f ?
Б. Описать квантовыми числами f-электроны атома самария (основное состояние).
В. В каких правилах заключен принцип минимума энергии электронов в атоме? Привести примеры исключений.
24. А. Расположить орбитали атома водорода в порядке увеличения их энергии: 3d, 1s, 5p, 2s, 4f.
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома железа (основное состояние).
В. Изобразить 2р и 3р орбитали.
25.А. В приведенном ряду выделите обозначения состояния электронов, которые невозможны: 2s, 2p, 3p, 3f, 2d, 5f, 6p.
Ответ обосновать.
Б. Описать квантовыми числами d-электроны атома марганца (основное состояние).
В. В каком случае больше разница в энергиях электронных состояний: 1s и 2s, 2s и 3s? Ответ обосновать.
Многовариантное задание
1). Написать электронные формулы атомов с зарядами ядер А, Б, В.
2). К какому типу элементов (s, p, d, f) они относятся?
3). Описать их положение в периодической системе элементов.
4). Какие валентности и степени окисления для них возможны?
5). Привести примеры электронных аналогов этих элементов.
| № | А | Б | В |
ПРИЛОЖЕНИЕ