Главная Обратная связь

Дисциплины:






Неспаренный электрон



Электроны с различными значениями спиновых квантовых чисел обычно обозначаются противоположно направленными стрелками:

 
 


Спаренные электроны

Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, а если два – то это спаренные электроны.

Четыре квантовых числа n, l, m, ms полностью характеризуют энергетическое состояние электрона в атоме.

Рассматривая строение электронной оболочки многоэлектронных атомов различных элементов, необходимо учитывать три основных положения:

· принцип Паули,

· принцип наименьшей энергии,

· правило Гунда.

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на одной орбитали, уровне и подуровне. Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами n, l, m, то электроны данной орбитали могут различаться только спиновым квантовым числом ms. Но спиновое квантовое число ms может иметь только два значения +1/2 и –1/2. Следовательно, на одной орбитали может находиться не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

 

 

Рис. 4.6. Максимальная емкость одной орбитали – 2 электрона.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется как 2n2, а на подуровне – как 2(2l + 1). Максимальное число электронов, размещающихся на различных уровнях и подуровнях, приведено в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Энергети-ческий уровень Энергети-ческий подуровень Возможные значения магнитного квантового числа m Число орбиталей на Максимальное число электронов на
подуровне уровне подуровне уровне
K (n=1) s (l=0)
L (n=2) s (l=0) p (l=1) –1, 0, 1
M (n=3) s (l=0) p (l=1) d (l=2) –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2
N (n=4) s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3) –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3

 

Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии.

Согласно прнципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали в порядке повышения их энергии.

Очередность заполнения орбиталей определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и, соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) – в порядке возрастания главного квантового числа n.



Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне 3d, так как в первом случае сумма n + l = 4 + 0 = 4 (напомним, что для s-подуровня значение орбитального квантового числа l = = 0), а во втором n + l = 3 + 2= 5 (d - подуровень, l = 2). Поэтому, сначала заполняется подуровень 4s, а затем 3d (см. рис. 4.8).

На подуровнях 3d (n = 3, l = 2) , 4р (n = 4, l = 1) и 5s (n = 5, l = 0) сумма значений п и l одинаковы и равны 5. В случае равенства значений сумм n и l сначала заполняется подуровень с минимальным значением n, т.е. подуровень 3d.

В соответствии с правилом Клечковского энергии атомных орбиталей возрастает в ряду:

1s < 2s < 2р < 3s < 3р < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d »

»4f < 6p < 7s….

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы.

4f

44d

 

4p

3d

3 4s

3p

3s

2p

1 2s

1s

 

Уровни Подуровни

Рис. 4.8. Энергия атомных орбиталей.

 

Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называются s-элементами. У s-эле-ментов валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня.

У р-элементов последним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p- и s-под-уровнях внешнего уровня. У d-элементов в последнюю очередь заполняется d-подуровень предвнешнего уровня и валентными являются s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетического уровней.

У f-элементов последним заполняется f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Гунда:

в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.

Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковым значением спинового квантового числа, а затем по второму электрону с противоположным значением.

Например, если в трех квантовых ячейках необходимо распределить 3 электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке, т.е. занимать отдельную орбиталь:

 
 

 

 


В этом случае сумма спиновых квантовых чисел максимальна:

∑ms= ½ + ½ + ½ = 3/2.

Эти же 3 электрона не могут быть расположены иначе, так как ∑ms будет меньше, например:

 
 

 

 


ms= ½ – ½ + ½ = ½.

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией, или электронной формулой. Составляя электронную конфигурацию номер энергетического уровня (главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровень (орбитальное квантовое число) – буквами s, p, d, f. Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня.

Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы. Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать:

1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме.

2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома.

3. Квантовые числа и связь между ними.

Так, например, атом водорода с порядковым номером 1 имеет 1 электрон. Водород - элемент первого периода, поэтому единственный электрон занимает находящуюся на первом энергетическом уровне s-орбиталь, имеющую наименьшую энергию. Электронная формула атома водорода будет иметь вид:

1Н 1s1.

Электронно-графическая формула водорода будет иметь вид:

1H 1s

Электронная и электронно-графическая формулы атома гелия:

2Не 1s2

2Не 1s

отражают завершенность электронной оболочки, что обусловливает ее устойчивость. Гелий – благородный газ, характеризующийся высокой химической устойчивостью (инертностью).

Атом лития 3Li имеет 3 электрона, это элемент II периода, значит, электроны расположены на 2-х энергетических уровнях. Два электрона заполняют s - подуровень первого энергетического уровня и 3-й электрон расположен на s - подуровне второго энергетического уровня:

3Li 1s22s1

Валентность I

 

s

У атома лития электрон, находящийся на 2 s-подуровне, менее прочно связан с ядром, чем электроны первого энергетического уровня, поэтому в химических реакциях атом лития может легко отдавать этот электрон, превращаясь в ион Li+ (ион - электрически заряженная частица). В этом случае ион лития приобретает устойчивую завершенную оболочку благородного газа гелия:

3Li+ 1s2.

Следует заметить, что, число неспаренных (одиночных) электронов определяет валентность элемента, т.е. его способность образовывать химические связи с другими элементами.

Так, атом лития имеет один неспаренный электрон, что обусловливает его валентность, равную единице.

Электронная формула атома бериллия:

4 Bе 1s2 2s2.

Электронно-графическая формула атома бериллия:

 

2 Валентность в основном

Состоянии равна 0

s

Легче других у бериллия отрываются электроны подуровня 2s2, образуя ион Be+2:

4+2 1s2.

Можно заметить, что атом гелия и ионы лития 3Li+ и бериллия 4+2 имеют одинаковое электронное строение, т.е. характеризуются изоэлектронным строением.





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...