電子を層に分散させる方法。 エネルギー準位による電子の分布
エネルギー準位にわたる電子の分布は、あらゆる元素の金属特性と非金属特性を説明します。
電子式
自由粒子と対になった負の粒子がレベルとサブレベルに配置される特定の規則があります。 エネルギー準位における電子の分布をより詳細に考えてみましょう。最初のエネルギー準位には 2 つの電子しかありません。 それらによる軌道の充填は、エネルギー供給が増加するにつれて実行されます。 化学元素の原子内の電子の分布は序数に対応します。 最小数のエネルギー準位は、原子核への価電子の引力の最も顕著な力を持っています。
電子式の作成例
炭素原子の例を使用して、エネルギー準位にわたる電子の分布を考えてみましょう。 その通し番号は 6 なので、核内には正に帯電した陽子が 6 個あります。 炭素が第2期の代表であることを考えると、2つのエネルギー準位が存在することが特徴です。 1つ目は2つ、2つ目は4つの電子を持っています。フントの法則は、異なるスピンを持つ 2 つの電子のみの 1 つのセル内の位置を説明します。 2 番目のエネルギー準位には 4 つの電子があります。 その結果、化学元素の原子内の電子の分布は、1s22s22p2 の形式になります。
サブレベルとレベルへの電子の分布が発生する特定の規則があります。
パウリの原理
この原則は、1925 年にパウリによって策定されました。 科学者は、同じ量子数を持つ2つの電子のみを原子に配置する可能性を規定しました：n、l、m、s. 自由エネルギーの量が増加するにつれて、エネルギー準位にわたる電子の分布が発生することに注意してください。
クレチコフスキーの法則
エネルギー軌道の充填は、量子数n + lの増加に従って実行され、エネルギーリザーブの増加によって特徴付けられます。カルシウム原子の電子の分布を考えてみましょう。
通常の状態では、その電子式は次のとおりです。
Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.
d および f 元素に関連する同様のサブグループの元素の場合、より低いエネルギー リザーブを持つ外部サブレベルから前の d または f サブレベルへの電子の「失敗」があります。 同様の現象は、銅、銀、プラチナ、金で一般的です。
原子内の電子の分布には、同じスピンを持つ不対電子によるサブレベルの充填が含まれます。
すべての自由軌道が単一電子で完全に満たされた後でのみ、量子セルは反対のスピンを持つ 2 番目の負の粒子で補完されます。
たとえば、窒素の非励起状態では、次のようになります。
1s2 2s2 2p3.
物質の性質は、価電子の電子配置に影響されます。 それらの数によって、最高および最低の原子価、化学活性を決定できます。 元素が周期表の主要なサブグループにある場合、グループ番号を使用して外部エネルギー準位を構成し、その酸化状態を決定できます。 たとえば、5番目のグループ（メインサブグループ）にあるリンには5つの価電子が含まれているため、3つの電子を受け入れるか、別の原子に5つの粒子を与えることができます.
周期表の二次サブグループのすべての代表者は、この規則の例外として機能します。
家族の特徴
外部エネルギー準位の構造に応じて、周期表に含まれるすべての中性原子が 4 つのファミリーに分類されます。- s 要素は第 1 および第 2 のグループ (主なサブグループ) にあり、p ファミリーはグループ III ～ VIII (A サブグループ) にあり、d 要素はグループ I ～ VIII の同様のサブグループに見られます; f ファミリーアクチニドとランタニドからなる。
非励起状態の d 元素は、最後の s 準位と最後から 2 番目の d 準準位の両方に価電子を持っています。
結論
原子内の電子の状態は、基本的な数のセットを使用して記述できます。 その構造の特徴に応じて、ある程度のエネルギーについて話すことができます。 周期表に含まれる任意の元素について、フント、クレチコフスキー、パウリの規則を使用して、中性原子の配置を作成できます。非励起状態での最小のエネルギー リザーブは、最初の準位にある電子によって所有されます。 中性原子が加熱されると、自由電子数の変化を常に伴う電子の遷移が観察され、元素の酸化状態、つまり化学的活性の変化が大幅に変化します。
同一の粒子が同じ量子数を持つ場合、それらの波動関数は粒子順列に関して対称です。 したがって、1 つのシステムに含まれる 2 つの同一のフェルミ粒子が同じ状態になることはありません。 フェルミオンの場合、波動関数は反対称でなければなりません。 実験データを要約すると、V. パウリは 原理 例外 、それによって フェルミオン系は自然界に見られる 州のみ,非対称波動関数で記述(パウリの原理の量子力学的定式化)。
この規定から、彼が 量子論(1925) 建設前でも 量子力学: 同一のフェルミオンのシステムで それらのいずれか2つを同時にすることはできません 同じ状態になる . 同じ状態の同一のボソンの数は制限されないことに注意してください。
原子内の電子の状態は集合によって一意に決定されることを思い出してください。 4 つの量子数 :
主要 n ;
軌道 l 
、通常これらの状態は 1 を表します s, 2d, 3へ;
磁気 ();
・磁気スピン（）。
原子内の電子の分布は、最も単純な形式で原子に対して定式化できるパウリの原理に従って発生します。 同じ原子内に、同じ 4 つの量子数のセットを持つ複数の電子が存在することはできません。 n, l, , :
Z (n, l, , ) = 0 または 1,
どこ Z (n, l, , ) は量子状態にある電子の数であり、4 つの量子数のセットで表されます。 n, l、 、 。 したがって、パウリの原理は次のように述べています。 その2つの電子 ,同じ原子にバインドされている値が異なる ,少なくとも ,1つの量子数 .
3 つの量子数のセットによって記述される状態の電子の最大数 n, lと メートル、および電子スピンの向きのみが異なると、次のようになります。
| , | (8.2.1) |
スピン量子数は 1/2 と –1/2 の 2 つの値しか取り得ないからです。
2 つの量子数によって決まる状態にある電子の最大数 nと l:
 .
|
(8.2.2) |
この場合、電子の軌道角運動量のベクトルは空間 (2 l+ 1) 異なる向き (図 8.1)。
主量子数の値によって決まる状態の電子の最大数 n、等しい:
 .
|
(8.2.3) |
多電子原子の電子のセット,同じ主量子数 n を持つ,と呼ばれる 電子殻また 層 .
各シェルでは、電子はに沿って分布しています サブシェル これに相当する l.
宇宙の面積,電子を見つける確率が高い、と呼ばれる サブシェル また 軌道 . 軌道の主な種類のビューを図に示します。 8.1.
軌道量子数は 0 から までの値を取るので、サブシェルの数は序数に等しい nシェル。 サブシェル内の電子の数は、磁気および磁気スピン量子数によって決定されます。サブシェル内の電子の最大数は、特定の l 2(2 に等しい l+ 1)。 シェルの指定、およびシェルとサブシェル上の電子の分布を表に示します。 1.
表1
| 主量子数 n |
|||||||||||||||
| シェル記号 |
|||||||||||||||
| 殻の電子の最大数 |
|||||||||||||||
| 軌道量子数 l |
|||||||||||||||
| サブシェル文字 |
|||||||||||||||
| 最大数 中の電子 サブシェル |
|||||||||||||||
原子内の電子の分布は、量子力学の 3 つの規定に従って実行されます。パウリの原理。 最小エネルギーの原則; フントの法則。
パウリの原理によると 原子は、4 つの量子数すべての値が同じ 2 つの電子を持つことはできません。パウリの原理は、1 つの軌道、レベル、およびサブレベル内の電子の最大数を決定します。 AO は 3 つの量子数によって特徴付けられるため、 n、l、ml、特定の軌道の電子は、スピン量子数のみが異なる場合があります MS. だが MS+½ と -½ の 2 つの値しか持てません。
したがって、逆方向のスピンを持つ電子は 2 つまでしか 1 つの軌道に入ることができません。 エネルギー準位の電子の最大数は 2 と定義されます n 2 、およびサブレベルで - as 2 (2 l+1)。 異なるレベルとサブレベルにある電子の最大数を表に示します。 2.1.
量子準位とサブ準位における電子の最大数
| エネルギーレベル | エネルギーサブレベル | 磁気量子数の可能な値 ミリリットル | JSCの数 | あたりの最大電子数 | ||
| サブレベル | レベル | サブレベル | レベル | |||
| 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) へ (l= 3) | -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 |
軌道を電子で満たすシーケンスは、次に従って実行されます。 最小エネルギー原理、それによって 電子は、軌道のエネルギー準位が高くなる順に軌道を満たします。エネルギーに関する軌道の順序は、 クレチコフスキーの法則 : エネルギーの増加、したがって、軌道の充填は、合計（n + l）が増加する順序で発生し、合計（n + l）が等しい-nの増加する順序で発生します。
原子の殻のエネルギー準位および準準位における電子の分布の順序彼を呼んだ 電子構成. 電子配置を書くとき、レベル番号（主量子数）は数字1、2、3、4 ...で示され、サブレベル（軌道量子数）は文字で示されます s、p、d、f. サブレベルの電子の数は、サブレベル記号の上部に書かれた数字で示されます。 たとえば、硫黄原子の電子配置は 16 S 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4、バナジウム 23 V 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d°/i> 3 4 s 2 .
原子の化学的性質は、主に外部エネルギー準位の構造によって決まります。 原子価. 完全なエネルギー準位は、化学的相互作用には関与しません。 したがって、簡潔にするために、前にある希ガスの記号で表すことがよくあります。 したがって、硫黄の場合: 3 s 2 3p四 ; バナジウム用: 3 d 3 4s 2. 同時に、省略表記は、決定する価電子を明確に強調しています。 化学的特性要素原子。
アトムのどのサブレベルが最後に埋められるかに応じて、すべて 化学元素は 4 つの電子ファミリに分類されます。 s-、p-、d-、f-要素。 アトムが外側のレベルの s サブレベルを最後に埋める要素は、s 要素と呼ばれます。. で s-要素は原子価です s-外部エネルギー準位の電子。
で p-elements 外部レベルの p-サブレベルが最後に埋められる. それらは価電子を持っています p-と s-外層のサブレベル。 で d 要素、プレアウター レベルの d サブレベルが最後に埋められると原子価は s-外側の電子と d-前外部エネルギー準位の電子。 で f 要素、3 番目の外部エネルギー レベルの f サブレベルが最後に満たされます。
原子の電子配置は、原子軌道のグラフィカルな表現である量子セルの電子配置スキームの形で表すこともできます。 各量子セルには、反対方向のスピンを持つ電子を 2 つまで含めることができます。 1 つのサブレベル内の電子の配置順序は、フントの規則によって決定されます。 サブ準位内では、電子はその総スピンが最大になるように配置されます。言い換えれば、特定のサブレベルの軌道は、最初に同じスピンを持つ 1 つの電子によって満たされ、次に反対のスピンを持つ 2 番目の電子によって満たされます。
トータルスピン R-硫黄原子 S の第 3 エネルギー準位の電子 MS= ½ - ½ + ½ + ½ = 1; d- バナジウム原子の電子 -
S MS\u003d ½ + ½ + ½ \u003d 3 / 2.
多くの場合、電子式全体がグラフィカルに描かれているわけではなく、価電子が配置されているサブレベルのみが示されています。たとえば、
16S…3 s 2 3p四 ; 23V…3 d 3 4s 2 .
励起状態の原子の電子配置のグラフ表示では、空の原子価軌道とともに、空の原子価軌道が描かれています。 たとえば、第 3 エネルギー準位のリン原子には、 s-AO、3 R-aoと5 d-あお。 基底状態のリン原子の電子配置は、次の形をしています。
15R…3 s 2 3p 3 .
不対電子の数によって決定されるリンの価数は 3 です。原子が励起状態になると、状態 3 の電子は脱対になります。 sそして電子の1つ s-サブレベルに行くことができます d-サブレベル:
R*… 3 s2 3p 3 3d 1
この場合、リンの価数は、基底状態の 3 (PCl 3) から励起状態の 5 (PCl 5) に変化します。
原子内の各電子は、中心対称の非クーロン場で最初の近似で移動します。この場合の電子の状態は、3 つの量子数によって決定され、その物理的意味は§ 28 で明確化されています。電子スピン、指定された量子数に、値を取り、指定された方向へのスピンの投影を決定できる量子数を追加する必要があります。 以下では、磁気量子数の代わりに表記法を使用して、この数が軌道角運動量の射影を決定し、その値が量子数 l によって与えられるという事実を強調します。
したがって、原子内の各電子の状態は、4 つの量子数によって特徴付けられます。
状態のエネルギーは主に数値に依存します。
さらに、電子の軌道磁気モーメントと固有磁気モーメントの間の相互作用の大きさが依存するモーメントの相互の向きにそれらの値が関連しているため、エネルギーの数値への依存性は弱いです。 状態のエネルギーは、数値の増加よりも数値の増加に伴ってより強く増加します。したがって、原則として、数値が大きい状態は、値に関係なく、より多くのエネルギーを持ちます。
原子の通常の (励起されていない) 状態では、電子は利用可能な最低のエネルギー準位に位置する必要があります。 したがって、通常の状態にある任意の原子では、すべての電子がその状態にあり、すべての原子の基本項が - 項型である必要があるように思われます. しかし、経験から、そうではないことが示されています.
観測される用語の種類の説明は次のとおりです。 パウリの原理と呼ばれる量子力学の法則の 1 つによると、同じ原子 (または他の量子系) には、同じ量子数のセットを持つ 2 つの電子は存在できません。 つまり、2つの電子が同時に同じ状態になることはありません。
§ 28 では、与えられた状態は l の値が異なる状態に対応し、量子数は 2 つの値を取ることができることが示されました。
量子数の同じ値を持つ電子のセットは、シェルを形成します。 シェルは、量子数 l の値が異なるサブシェルに分割されます。 その意味に従って、シェルには X 線分光法から借用した呼称が与えられます。
表 36.1
原子内の電子の可能な状態のシェルとサブシェルへの分割を表に示します。 36.1 では、明確にするために記号の代わりに記号が使用されています。 表に示されているように、サブシェルは 2 つの方法で指定できます (たとえば、いずれか)。
各原子軌道は特定のエネルギーに対応しています。 エネルギーにおける AO の順序は、次の 2 つのクレチコフスキー規則によって決定されます。
1) 電子のエネルギーは、主にプリンシパル (n) と軌道 ( l) 量子数であるため、最初に電子が合計 (n + l) 小さい.
たとえば、3d サブレベルは 4s よりもエネルギーが低いと仮定できます。 ただし、クレチコフスキーの規則によれば、4s の場合、合計 (n + l) = 4 + 0 = 4、3d の場合 - (n + l) = 3 + 2 = 5.
2) 合計 (n + l) は 2 つのサブレベルで同じです (たとえば、3d および 4p サブレベルの場合、この合計は 5 に等しくなります)。 n. したがって、第4周期の元素の原子のエネルギーレベルの形成は、4s - 3d - 4pの順序で発生します。 例えば：
21 Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 , 31 Ga 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1
したがって、クレチコフスキー規則を考慮に入れると、原子軌道のエネルギーは級数に従って増加します
1秒< 2s < 2p < 3 < 3p < 4s ≤3D< 4p < 5s ≤ 4d < 5p < 6s ≤ 4f ≤ 5d < 6p < 7s ≤ 5f ≤ 6d < 7p
ノート。 記号 ≤ は AO エネルギーが近いことを意味するため、ここではクレチコフスキー規則に違反する可能性があります。
この系列を使用すると、任意の原子の電子構造を決定できます。 これを行うには、サブレベルと原子軌道に電子を順番に追加して配置する必要があります。 この場合、パウリの原理と 2 つのフントの規則を考慮する必要があります。
3. パウリの原理 AO の容量を決定します。 原子は、4 つすべての量子数の同じセットを持つ 2 つの電子を持つことはできません。
つまり、3 つの量子数によって特徴付けられる 1 つの AO は、 2つの電子反対のスピン、つまり 1つのAOに対して2つ書くことができます 可能なオプションその詰め物：
1つの電子と2つの電子 ↓ .
この場合、軌道内の 1 つの電子のスピンの特定の方向は問題ではなく、1 つの AO 内の 2 つの電子のスピンが反対の符号を持っていることだけが重要です。 パウリの原理と n の値の間の相互依存性、 l、および m は、軌道、サブレベル、およびレベルごとに可能な最大電子数を決定します (表 2.4)。
-1つのAOで - 2電子;
- サブレベルで l- 2(2l+1)電子;
- レベル n - 2n 2電子。
表 2.4
電子分布
エネルギー準位、サブ準位、軌道による
| エネルギーレベル | 主量子数 | エネルギーサブレベル | 原子軌道 | 最大電子数 | |
| サブレベル | レベル | ||||
| 1 | s( l= 0) | ||||
| s( l= 0) | |||||
| 2 | p( l= 1) | ||||
| s( l= 0) | |||||
| 3 | p( l= 1) | ||||
| d( l=2) |
4. Two Hund のルールは、電子が 1 つのサブレベルの AO を埋める順序を示しています。
最初のルール: 特定のサブレベルでは、電子はスピンの絶対値の合計が最大になるようにエネルギー状態 (AO) を満たす傾向があります。 この場合、システムのエネルギーは最小限です。
たとえば、炭素原子の電子配置を考えてみましょう。 この元素の原子番号は 6 です。これは、原子に 6 個の電子があり、それらが 2 つのエネルギー準位にあることを意味します (炭素原子は第 2 周期にあります)。 1s 2 2s 2 2p 2 . グラフィカルに、2p サブレベルは次の 3 つの方法で表すことができます。
メートル 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1
A B C
オプションのスピン量 aゼロに等しい。 バリアントで bと のスピンの合計は: ½ +½ = 1 (2 つのペア電子は常にゼロになるため、不対電子を考慮に入れます)。
オプションを選択するとき bと のフントの第 2 規則に従う : 磁気量子数の合計が最大 (絶対値) の状態のエネルギーは最小になります。
フントの法則によると、オプションには利点があります。 b( |1+ 0| の合計は 1 に等しい) 、バリアントでは の合計 |+1–1| 0 に等しい。
たとえば、元素バナジウム (V) の電子式を定義してみましょう。 その原子番号は Z = 23 であるため、23 個の電子をサブ準位と準位に配置する必要があります (バナジウムは第 4 周期にあるため、そのうちの 4 個があります)。 順番に記入します： 1秒 2 2秒 2 2p 6 3秒 2 3p 6 4s 2 3d 3 (下線が引かれた未完成のレベルとサブレベル)。 フントの法則によると、3d-AO 上の電子の配置は次のようになります。
セレン (Z = 34) の完全な電子式は次のとおりです。 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4, 4 番目のレベルは不完全です。
フントの法則に従ってこのサブレベルを埋める: 4p
化学における特別な役割は、最後に占有されていない準位とサブ準位の電子によって演じられます。 原子価(式 V では、Se に下線が引かれています)。 たとえば、バナジウムでは、これらは、満たされていない第 4 レベル 4s 2 と満たされていないサブレベル 3d 3 の電子です。 5個の電子が価電子になります 4s 2 3d 3 ; セレンには6つの電子があります - 4s 2 4p 4 .
埋められる最後のサブレベルの名前によって、要素は s 要素、p 要素、d 要素、および f 要素と呼ばれます。
記述されたルールに従って見つかった価電子の式は呼び出されます 正規の. 実際、実験または量子力学的計算から決定された実際の式は、正規のものとは多少異なります。 Klechkovsky の規則、Pauli の原則、および Gund の規則に違反することがあります。 これらの違反の理由については、以下で説明します。
例 1. 原子番号 16 の元素の原子の電子式を書き留めます。価電子をグラフで描き、そのうちの 1 つを量子数で特徴付けます。
決断. 原子番号16には硫黄原子があります。 したがって、核電荷は16です。一般に、硫黄原子には16個の電子が含まれています。 硫黄原子の電子式は、1s 2 2s 2 2p 6 と書かれています。 3s 2 3p 4. (価電子には下線が引かれています)。
価電子の図式: 
原子内の各電子の状態は、4 つの量子数によって特徴付けられます。 電子式は、主量子数と軌道量子数の値を与えます。 したがって、マークされた電子の場合、状態 3p は n = 3 を意味し、 l= 1(p)。 グラフィック式は、さらに 2 つの量子数 (磁気とスピン) の値を示します。 マークされた電子の場合、m = -1 および s = 1/2 です。
例 2. スカンジウム原子の価電子を 4 つの量子数で特徴付けます。
決断. スカンジウムは第4期、つまり 最後の量子層は、3 番目のグループの 4 番目、つまり 3 つの価電子。
価電子の電子式は、4s 2 3d 1 です。
グラフィック式: 