Строение электронных оболочек атомов: квантовые числа, принцип Паули, правило Хунда
Строение электронных оболочек атомов: квантовые числа, принцип Паули, правило Хунда
В современной квантово-механической модели состояние каждого электрона в атоме однозначно описывается набором четырех квантовых чисел:
1. Главное квантовое число n (n = 1, 2, 3, 4, ...): определяет общий энергетический уровень электрона и размер электронного облака (совпадает с номером периода).
2. Орбитальное (побочное) квантовое число l (l = 0, 1, ..., n-1): определяет форму орбитали и подуровень (l=0 — s-орбиталь, сфера; l=1 — p-орбиталь, гантель; l=2 — d-орбиталь, четырехлепестковая розетка; l=3 — f-орбиталь).
3. Магнитное квантовое число ml (ml = -l, ..., 0, ..., +l): определяет пространственную ориентацию орбитали во внешнем магнитном поле (для s: 1 ориентация; для p: 3 ориентации px, py, pz; для d: 5 ориентаций; для f: 7 ориентаций).
4. Спиновое квантовое число ms (ms = +1/2 или -1/2): характеризует собственный квантовый момент импульса (спин) электрона.
Схема: Квантовые числа (n, l, m_l, m_s) и заполнение электронных уровней
Четыре квантовых числа
Подуровни s, p, d, f
Электронная плотность
Квадрат модуля волновой функции |Ψ|² определяет плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке пространства.
Определение n и l
Определение ml
Заполнение спинами
Распределение электронов по уровням и подуровням подчиняется трем строгим фундаментальным законам природы:
1. Принцип наименьшей энергии (Правила Клечковского):
Электроны последовательно заполняют орбитали в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n + l). При равных значениях суммы (n + l) сначала заполняется подуровень с меньшим n.
Ряд возрастания энергии: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d.
Именно поэтому 4s-подуровень заполняется РАНЬШЕ, чем 3d!
2. Принцип запрета Паули (1925 г.):
В одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех 4 квантовых чисел. На одной орбитали могут находиться не более двух электронов, причем только с противоположными (антипараллельными) спинами: ↑↓.
3. Правило Хунда (Гунда):
В пределах одного подуровня электроны располагаются так, чтобы суммарный спин был максимален (сначала по одному электрону в каждую ячейку подуровня с параллельными спинами: ↑ ↑ ↑, а затем происходит спаривание).
Правила Клечковского
Правило Хунда
Ионизация d-элементов
При заполнении 4s заполняется раньше 3d, но при ионизации атома электроны ПЕРВЫМИ уходят с внешнего 4s-уровня: Fe [Ar]3d⁶4s² - 2e⁻ -> Fe²⁺ [Ar]3d⁶.
Расчет сумм (n + l)
Применение запрета Паули
Применение правила Хунда
У переходных металлов (d-элементов 4-го периода от Sc до Zn) происходит достройка внутреннего 3d-подуровня при наличии двух электронов на внешнем 4s-уровне: Sc [Ar]3d¹4s², Ti [Ar]3d²4s², ..., Fe [Ar]3d⁶4s².
Феномен «проскока» (провала) электрона:
Особой термодинамической устойчивостью обладают наполовину заполненные (d⁵) и полностью заполненные (d¹⁰) d-подуровни благодаря симметрии и обменной стабилизации. Поэтому у атомов хрома Cr и меди Cu один электрон самопроизвольно «проскакивает» с 4s-подуровня на 3d-подуровень:
• Хром ₂₄Cr: ожидалось 3d⁴4s², фактически [Ar] 3d⁵ 4s¹ (наполовину завершенный устойчивый d⁵);
• Медь ₂₉Cu: ожидалось 3d⁹4s², фактически [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ (полностью завершенный устойчивый d¹⁰).
Аналогичный проскок наблюдается во 2-м и 3-м переходных рядах у Mo, Ag, Au.
Проскок электрона
d-семейство
Магнитные свойства
Вещества с неспаренными d-электронами парамагнитны (втягиваются в магнитное поле), а со спаренными — диамагнитны.
Определение Z
Проверка на проскок
Запись ионов
Анализ электронного строения d- и f-элементов:
Определение порядкового номера и числа электронов
Проверка на «проскок» (провал) электрона
Запись 4 квантовых чисел для последнего электрона
Опасные ловушки ЕНТ по строению атома:
1. Число валентных электронов d-элементов:
У s- и p-элементов валентными являются только электроны внешнего уровня. У d-элементов валентными являются электроны внешнего s-слоя И предвнешнего d-подуровня!
Например, у марганца Mn (Z = 25): [Ar] 4s² 3d⁵ число валентных электронов равно 2 + 5 = 7 (максимальная с.о. +7 в KMnO₄)!
2. Образование катионов d-металлов:
При ионизации электроны УХОДЯТ СНАЧАЛА С ВНЕШНЕГО 4s-уровня, а не с 3d!
Например: Fe⁰: [Ar] 4s² 3d⁶ → Fe²⁺: [Ar] 3d⁶ (а не 4s² 3d⁴!).
Ионизация d-металлов на ЕНТ
При образовании катионов переходных металлов первыми всегда отщепляются внешние s-электроны (4s⁰), и только затем — предвнешние d-электроны!
- 1. Четыре квантовых числа как квантовые координаты электрона~5 мин
- 2. Фундаментальные принципы заполнения электронных оболочек~5 мин
- 3. Электронные конфигурации d-элементов и феномен «проскока» электрона~5 мин
- 4. Пошаговый алгоритм составления электронных формул и определения наборов квантовых чисел~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Валентные электроны d-элементов и ионизация переходных металлов~5 мин
