Строение атома
Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Атомной орбитали (АО)–это область пространства вблизи ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.
Состояние электрона в атоме полностью определяется четырьмя квантовыми числами (главным, орбитальным, магнитным и спиновым).
Главное квантовое число n - определяет энергию и размеры электронных орбиталей, принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7… и характеризует оболочку или энергетический уровень.
Орбитальное квантовое число l – определяет форму атомной орбитали, принимает значения 0, 1, 2, 3… и характеризует энергетические подуровни:
l =0,орбиталь имеют сферическую форму, называется s-орбиталью и в пределах одного уровня образует s- подуровень;
l =1, орбитали имеют форму гантели, называются p-орбиталями и в пределах одного уровня образуют p- подуровень;
l =2, орбитали имеют сложную форму (две скрещенные гантели), называются d–орбиталями и в пределах одного уровня образуют d– подуровень;
l =3, орбитали имеют сложную форму (три скрещенные гантели), называются f-орбиталями и в пределах одного уровня образуют f- подуровень.
Число подуровней равно номеру уровня, при этом в пределах одного уровня энергия подуровней возрастает в ряду: E s < E p < E d < E f
| n | l | число подуровней | Обозначение подуровней |
| 1s | |||
| 0, 1 | 2s, 2p | ||
| 0, 1, 2 | 3s, 3p, 3d | ||
| 0, 1, 2, 3 | 4s, 4p, 4d, 4f |
Магнитное квантовое число ml - характеризует ориентацию орбитали в пространстве (рис.1), принимает целочисленные значения от ─ l до + l, включая ноль.
Если l= 0, то ml= 0 (одно значение), следовательно, s–орбиталь имеет только одно положение в пространстве. Следовательно, s–подуровень состоит из одной s–орбитали и обозначается одной квантовой ячейкой
Если l= 1, то ml= -1,0, +1 (три значения) и существуют три взаимно перпендикулярные р–орбитали. Следовательно, p–подуровень состоит из трех р-орбиталей иобозначается тремя квантовыми ячейками
Если l= 2, то ml =- 2, -1,0, +1,+2 (пять значений) и существуют пять
d–орбиталей, различным образом ориентированных в пространстве. Следовательно, d–подуровень состоит из пяти d–орбиталей и обозначается пятью квантовыми ячейками
Если l= 3, то ml = -3, - 2, -1,0, +1,+2,+3 (семь значений) и существуют семь
f –орбиталей. Следовательно, f –подуровень состоит из семи f –орбиталей, обозначается семью квантовыми ячейками
Спиновое квантовое число ms – имеет толькодва значения + ½ и - ½ и характеризует собственный механический момент движения электрона. Электроны с разными спинами обозначаются противоположно направленными стрелками: ↑ (+ ½) и ↓ (- ½).
Электронное строение атома элемента изображается электронной конфигурацией (электронной формулой), которая показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. При этом энергетические уровни обозначаются цифрами (1,2,3…), подуровни – буквами s, p, d, f. Число электронов на подуровне записывается в виде степени (справа вверху от буквы).
При составлении электронных конфигураций многоэлектронных атомов следует учитывать принцип минимальной энергии, принцип Паули, правила Гунда и Клечковского.
1. Принцип минимальной энергии: в основном состоянии первыми заполняются орбитали с наименьшей энергией, соответствующие наиболее устойчивому состоянию.
2. Правило В.Клечковского: увеличение энергии орбиталей происходит в порядке возрастания суммы n + l, а при равной сумме n+l в порядке возрастания n
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<5d≈4f<6p<7s< 6d≈5f<7p
3. Принцип запрета Паули – в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m l, m s
Следовательно, на одной орбитали может находиться не более двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины ↓↑
4. Правило Гунда – заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами (правило максимального спина). Последовательность заполнения электронами p- подуровня:
| 1↑4↓ | 2↑5↓ | 3↑6↓ |
Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим и определяет тип элемента (s, p, d, или f - элемент). Следует запомнить, что s и p- элементы находятся в главных подгруппах, а d и f – элементы - в побочных подгруппах ПСЭ.
Сокращенная конфигурация валентных электронов
Для описания свойств элемента используют краткую (сокращенную) электронную конфигурацию, включающую только валентные электроны (способные принимать участие в образовании химических связей).
Для s-элементов (подгруппы IА, IIА, 1Н и 2Не) валентные электроны находятся на внешнем уровне …ns1-2 (n -главное квантовое число совпадает с номером периода):
| 3Li | 1s22s1 | …2s1 |
| 11Na | 1s22s22p63s1 | …3s1 |
| 19К | 1s22s22p63s23p64s1 | …4s1 |
3Li; 11Na; 19К; 37Rb; 55Cs; 87Fr - элементы-аналоги расположены в одной подгруппе и имеют одинаковое строение валентных электронных оболочек.
Для p-элементов (подгруппы IIIА – VIIIА) валентные электроны находятся на внешнем уровне …ns2np1-6:
| 5B | 1s22s22p1 | …2s22p1 |
Для d -элементов (подгруппы IБ – VIIIБ) валентные электроны находятся на внешнем n-уровне и предвнешнем n-1 уровне, d-подуровне …(n-1)d1-10ns2(1)(0)
| 21Sc | 1s22s22p63s23p63d14s2 | …3d14s2 |
У некоторых d-элементов (24Cr, 29Cu, 41Nb, 42Mo, 44Ru, 45Rh, 46Pd, 47Ag, 78Pt, 79Au) происходит «проскок» электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний. Например: 47Ag …4d105s1 (это связано с более низкой энергией конфигурации 4d105s1 по сравнению с 4d95s2)
Для f-элементов (лантаноидов и актиноидов) валентные электроны находятся на внешнем n-уровне и двух предвнешних достраивающихся уровнях. Краткая электронная формула: … (n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2:
| 62Sm | [Xe]4f 66s2 | …4f 66s2 |
Запись [Xe] обозначает электронную оболочку атома ксенона.