Структура электронных оболочек атомов

2.1.5. Структура электронных оболочек атомов.

Полная электронно-энергитическая структура атомов предопределяется набором рассмотренных квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет не только номер квантового уровня, но и указывает на число подуровней содержащихся в данном уровне. Например, при n=3, имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней: s-, p-, d-подуровня. Чем дальше от ядра находится квантовый уровень, тем он более емкий, тем из большего числа подуровней он состоит. Число орбиталей на уровне можно определять по формуле к_n=n², а число орбиталей на подуровне, как уже указывалось, по формуле к_l=2l+1.

Рассмотрим теоретическую схему взаимного расположения квантовых уровней и подуровней. /Фрагмент для первых четырех уровней/. На четырех вертикальных линиях отложим значения квантовых чисел n, l, m_l и m_s.(рис.2.8.) На первой вертикальной линии изобразим квантовые уровни соответственно значениям квантового числа n /см. рис.2.8.). Мы уже знаем, что чем больше числовое значение n, тем более емкий квантовый уровень. По этому на рисунке он сделан более длинным по высоте. На второй вертикальной линии, отнесенной к квантовому числу l показано деление квантовых уровней на подуровни. Первый квантовый уровень состоит только из одного подуровня /обозначенного как s-подуровень/. Второй квантовый уровень делится уже на два подуровня: s-подуровень и р-подуровень. Третий уровень делится на три подуровня /s, p и d/, а четвертый – на четыре подуровня /s, p, d и f/.

n l m_l m_s

кванто- подуровни орбитали электроны

вый уро- на орбиталях

вень рис.2.8.

m_l = –1, 0, +1

d-подуровень содержит уже пять орбиталей.

m_l = –2, –1, 0, +1, +2

f-подуровень увеличил свою емкость до семи орбиталей

m_l = –3, –2, –1, 0, +1, +2 +3

Четвертая вертикальная линия отнесена к спиновому квантовому числу m_s. Забегая вперед отметим, что это квантовое число предопределяет возможное количество электронов на орбитале. По соответствующему постулату на орбитале может быть два электрона, но они должны иметь разные спины, т.е. разные значения m_s: +1/2 и –1/2. В связи с этим на четвертой вертикальной линии представлена максимальная заполняемость электронами квантового подуровня и уровня.

На s-подуровне – 2 электрона

На p-подуровне – 6 электрона

На d-подуровне – 10 электрона

На f-подуровне – 14 электрона

Максимальное число электронов на подуровне можно определить по формуле:

К=2(2l+1).

Теоретическая последовательность расположения квантовых уровней и подуровней выглядит так:

1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f7s 7p7d7f…

Однако при расщеплении квантовых уровней на подуровни приведенная теоретическая последовательность нарушается. Реальное расположение подуровней определяется правилом Клечковского, согласно которого последовательность расположения подуровней определяется суммарным значением двух квантовых чисел n и l. В том случае, когда для двух и более подуровней n + l имеет одинаковое значение, то сначала идет тот подуровень, у которого меньшее значение n.

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 3d – 4s – 4p – 4d – 4f – 5s –5p – 5d – 5f

(n+l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8

По правилу Клечковского фактическая последовательность расположения подуровней следующая:

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s5d4f5d^2–56p7s6d¹

5f 6d^2–57p.

Структура электронных оболочек атомов изображена на следующей схеме (рис2.9.):