Como distribuir elétrons em camadas. Distribuição de elétrons por níveis de energia
A distribuição de elétrons sobre os níveis de energia explica as propriedades metálicas e não metálicas de quaisquer elementos.
Fórmula eletrônica
Existe uma certa regra segundo a qual partículas negativas livres e emparelhadas são colocadas em níveis e subníveis. Vamos considerar com mais detalhes a distribuição dos elétrons sobre os níveis de energia.Existem apenas dois elétrons no primeiro nível de energia. O preenchimento do orbital com eles é realizado à medida que o fornecimento de energia aumenta. A distribuição de elétrons em um átomo de um elemento químico corresponde a um número ordinal. Os níveis de energia com o número mínimo têm a força de atração mais pronunciada dos elétrons de valência para o núcleo.
Um exemplo de compilação de uma fórmula eletrônica
Considere a distribuição de elétrons em níveis de energia usando o exemplo de um átomo de carbono. Seu número de série é 6, portanto, existem seis prótons carregados positivamente dentro do núcleo. Dado que o carbono é um representante do segundo período, é caracterizado pela presença de dois níveis de energia. O primeiro tem dois elétrons, o segundo tem quatro.A regra de Hund explica a localização em uma célula de apenas dois elétrons que têm spins diferentes. Há quatro elétrons no segundo nível de energia. Como resultado, a distribuição de elétrons em um átomo de um elemento químico tem a seguinte forma: 1s22s22p2.
Existem certas regras segundo as quais ocorre a distribuição de elétrons em subníveis e níveis.
Princípio de Pauli
Este princípio foi formulado por Pauli em 1925. O cientista estipulou a possibilidade de colocar no átomo apenas dois elétrons que tenham os mesmos números quânticos: n, l, m, s. Observe que a distribuição de elétrons sobre os níveis de energia ocorre à medida que a quantidade de energia livre aumenta.
Regra de Klechkovsky
O preenchimento dos orbitais de energia é realizado de acordo com o aumento dos números quânticos n + l e é caracterizado pelo aumento da reserva de energia.Considere a distribuição de elétrons em um átomo de cálcio.
No estado normal, sua fórmula eletrônica é a seguinte:
Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.
Para elementos de subgrupos semelhantes relacionados aos elementos d e f, há uma “falha” de um elétron de um subnível externo, que possui uma reserva de energia menor, para o subnível d ou f anterior. Um fenômeno semelhante é típico para cobre, prata, platina, ouro.
A distribuição de elétrons em um átomo envolve o preenchimento de subníveis com elétrons desemparelhados que possuem os mesmos spins.
Somente após o preenchimento completo de todos os orbitais livres com elétrons únicos, as células quânticas são suplementadas com segundas partículas negativas dotadas de spins opostos.
Por exemplo, no estado não excitado de nitrogênio:
1s2 2s2 2p3.
As propriedades das substâncias são influenciadas pela configuração eletrônica dos elétrons de valência. Por seu número, você pode determinar a atividade química de valência mais alta e mais baixa. Se um elemento estiver no subgrupo principal da tabela periódica, você pode usar o número do grupo para compor um nível de energia externa, determinar seu estado de oxidação. Por exemplo, o fósforo, que está no quinto grupo (o subgrupo principal), contém cinco elétrons de valência, portanto, é capaz de aceitar três elétrons ou dar cinco partículas a outro átomo.
Todos os representantes dos subgrupos secundários da tabela periódica atuam como exceções a essa regra.
Recursos da família
Dependendo da estrutura do nível de energia externa, há uma divisão de todos os átomos neutros incluídos na tabela periódica em quatro famílias:- os elementos s estão no primeiro e segundo grupos (subgrupos principais); a família p está localizada nos grupos III-VIII (subgrupos A); os elementos d podem ser encontrados em subgrupos semelhantes dos grupos I-VIII; a família f composto por actinídeos e lantanídeos.
Os elementos d no estado não excitado têm elétrons de valência tanto no último subnível s quanto no penúltimo d.
Conclusão
O estado de qualquer elétron em um átomo pode ser descrito usando um conjunto de números básicos. Dependendo das características de sua estrutura, podemos falar sobre uma certa quantidade de energia. Usando a regra de Hund, Klechkovsky, Pauli para qualquer elemento incluído na tabela periódica, você pode fazer uma configuração de um átomo neutro.A menor reserva de energia no estado não excitado é possuída por elétrons localizados nos primeiros níveis. Quando um átomo neutro é aquecido, observa-se a transição de elétrons, que é sempre acompanhada por uma mudança no número de elétrons livres, levando a uma mudança significativa no estado de oxidação do elemento, uma mudança em sua atividade química.
Se partículas idênticas têm os mesmos números quânticos, então sua função de onda é simétrica em relação à permutação de partículas. Segue-se que dois férmions idênticos incluídos em um sistema não podem estar nos mesmos estados, porque para férmions, a função de onda deve ser antisimétrica. Resumindo os dados experimentais, V. Pauli formou princípio exceções , Através do qual sistemas férmions são encontrados na natureza apenas nos estados,descrito por funções de onda antisimétricas(formulação quântica-mecânica do princípio de Pauli).
Desta disposição segue uma formulação mais simples do princípio de Pauli, que foi introduzido por ele em teoria quântica(1925) mesmo antes da construção mecânica quântica: em um sistema de férmions idênticos quaisquer dois deles não podem simultaneamente estar no mesmo estado . Observe que o número de bósons idênticos no mesmo estado não é limitado.
Lembre-se de que o estado de um elétron em um átomo é determinado exclusivamente pelo conjunto quatro números quânticos :
a Principal n ;
orbital eu 
, geralmente esses estados denotam 1 s, 2d, 3f;
magnético ();
· rotação magnética ().
A distribuição de elétrons em um átomo ocorre de acordo com o princípio de Pauli, que pode ser formulado para um átomo na forma mais simples: no mesmo átomo não pode haver mais de um elétron com o mesmo conjunto de quatro números quânticos: n, eu, , :
Z (n, eu, , ) = 0 ou 1,
Onde Z (n, eu, , ) é o número de elétrons em um estado quântico, descrito por um conjunto de quatro números quânticos: n, eu, , . Assim, o princípio de Pauli afirma, que dois elétrons ,ligados no mesmo átomo diferem em valor ,pelo menos ,um número quântico .
O número máximo de elétrons em estados descritos por um conjunto de três números quânticos n, eu e m, e diferindo apenas na orientação dos spins dos elétrons é igual a:
| , | (8.2.1) |
porque o número quântico de spin pode assumir apenas dois valores 1/2 e –1/2.
O número máximo de elétrons que estão em estados determinados por dois números quânticos n e eu:
 .
|
(8.2.2) |
Neste caso, o vetor do momento angular orbital do elétron pode tomar no espaço (2 eu+ 1) diferentes orientações (Fig. 8.1).
O número máximo de elétrons em estados determinados pelo valor do número quântico principal n, é igual a:
 .
|
(8.2.3) |
O conjunto de elétrons em um átomo multieletrônico,com o mesmo número quântico principal n,chamado escudo do elétron ou camada .
Em cada uma das camadas, os elétrons são distribuídos ao longo subcamadas correspondente a isso eu.
área do espaço,em que há uma alta probabilidade de encontrar um elétron, chamado subcamada ou orbital . A visão dos principais tipos de orbitais é mostrada na fig. 8.1.
Como o número quântico orbital assume valores de 0 a , o número de subcamadas é igual ao número ordinal n cartuchos. O número de elétrons em uma subcamada é determinado pelos números quânticos de spin magnético e magnético: o número máximo de elétrons em uma subcamada com um dado eué igual a 2(2 eu+ 1). As designações das camadas, bem como a distribuição dos elétrons nas camadas e subcamadas, são fornecidas na Tabela. 1.
tabela 1
| Número quântico principal n |
|||||||||||||||
| símbolo de concha |
|||||||||||||||
| Número máximo de elétrons na camada |
|||||||||||||||
| Número quântico orbital eu |
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| Caractere subshell |
|||||||||||||||
| Numero maximo elétrons em subcamada |
|||||||||||||||
A distribuição de elétrons em um átomo é realizada de acordo com 3 disposições da mecânica quântica: o princípio de Pauli; o princípio da energia mínima; Regra de Hund.
De acordo com o princípio de Pauli Um átomo não pode ter dois elétrons com os mesmos valores de todos os quatro números quânticos. O princípio de Pauli determina o número máximo de elétrons em um orbital, nível e subnível. Como AO é caracterizado por três números quânticos n, l, ml, os elétrons de um determinado orbital podem diferir apenas no número quântico de spin EM. Mas EM só pode ter dois valores +½ e -½.
Portanto, não mais do que dois elétrons com spins de direções opostas podem estar em um orbital. O número máximo de elétrons em um nível de energia é definido como 2 n 2 , e no subnível - como 2 (2 eu+1). O número máximo de elétrons localizados em diferentes níveis e subníveis é dado na Tabela. 2.1.
Número máximo de elétrons em níveis quânticos e subníveis
| Nível de energia | Subnível de energia | Valores possíveis do número quântico magnético ml | Número de JSCs em | Número máximo de elétrons por | ||
| subnível | nível | subnível | nível | |||
| K (n= 1) | s (eu= 0) | |||||
| eu (n= 2) | s (eu= 0) p (eu= 1) | -1, 0, 1 | ||||
| M (n= 3) | s (eu= 0) p (eu= 1) d (eu= 2) | -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 | ||||
| N (n= 4) | s (eu= 0) p (eu= 1) d (eu= 2) f (eu= 3) | -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 |
A sequência de orbitais de preenchimento com elétrons é realizada de acordo com princípio de energia mínima, Através do qual os elétrons preenchem os orbitais em ordem crescente de nível de energia dos orbitais. A ordem dos orbitais em termos de energia é determinada por Regra de Klechkovsky : um aumento de energia e, consequentemente, o preenchimento de orbitais ocorre em ordem crescente de soma (n + l) e com uma soma igual (n + l) - em ordem crescente de n.
A ordem de distribuição dos elétrons sobre os níveis e subníveis de energia na camada de um átomo chamou ele configuração eletronica. Ao escrever uma configuração eletrônica, o número do nível (número quântico principal) é indicado pelos números 1, 2, 3, 4 ..., o subnível (número quântico orbital) - por letras s, p, d, f. O número de elétrons em um subnível é indicado por um número, que é escrito no topo do símbolo do subnível. Por exemplo, a configuração eletrônica de um átomo de enxofre é 16 S 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4, e vanádio 23 V 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d°/i> 3 4 s 2 .
As propriedades químicas dos átomos são determinadas principalmente pela estrutura dos níveis de energia externos, que são chamados de valência. Níveis de energia completados não participam da interação química. Portanto, por brevidade, eles são frequentemente indicados pelo símbolo do gás nobre anterior para brevidade. Então, para enxofre: 3 s 2 3p quatro; para vanádio: 3 d 3 4s 2. Ao mesmo tempo, a notação abreviada destaca claramente os elétrons de valência que determinam Propriedades quimicasátomos do elemento.
Dependendo de qual subnível no átomo é preenchido por último, todos elementos químicos são divididos em 4 famílias eletrônicas: s-, p-, d-, f- elementos. Elementos cujos átomos são os últimos a preencher o subnível s do nível externo são chamados de elementos s. No s- elementos são valência s-elétrons do nível de energia externo.
No elementos p o subnível p do nível externo é preenchido por último. Possuem elétrons de valência em p- e s- subníveis da camada externa. No elementos d, o subnível d do nível pré-externo é preenchido por último e valência são s- elétrons do exterior e d- elétrons dos níveis de energia pré-externos. No elementos f, o subnível f do terceiro nível de energia externa é preenchido por último.
A configuração eletrônica de um átomo também pode ser representada na forma de esquemas de colocação de elétrons em células quânticas, que são uma representação gráfica do orbital atômico. Cada célula quântica não pode conter mais do que dois elétrons com spins de direções opostas. A ordem de colocação dos elétrons dentro de um subnível é determinada pela regra de Hund: dentro de um subnível, os elétrons são organizados de modo que seu spin total seja máximo. Em outras palavras, os orbitais de um determinado subnível são preenchidos primeiro por um elétron com os mesmos spins e depois pelo segundo elétron com spins opostos.
Rotação total R- elétrons do terceiro nível de energia do átomo de enxofre S EM= ½ - ½ + ½ + ½ = 1; d- elétrons do átomo de vanádio -
S EM\u003d ½ + ½ + ½ \u003d 3/2.
Muitas vezes, nem toda a fórmula eletrônica é representada graficamente, mas apenas os subníveis nos quais os elétrons de valência estão localizados, por exemplo,
16S…3 s 2 3p quatro; 23V…3 d 3 4s 2 .
Em uma representação gráfica da configuração eletrônica de um átomo em estado excitado, juntamente com os preenchidos, estão representados os orbitais de valência vagos. Por exemplo, no átomo de fósforo no terceiro nível de energia existe um s-AO, três R-ao e cinco d-AO. A configuração eletrônica do átomo de fósforo no estado fundamental tem a forma
15 R… 3 s 2 3p 3 .
A valência do fósforo, determinada pelo número de elétrons desemparelhados, é 3. Quando um átomo passa para um estado excitado, os elétrons do estado 3 são desemparelhados s e um dos elétrons s-sublevel pode ir para d-subnível:
R*… 3 s2 3p 3 3d 1
Neste caso, a valência do fósforo muda de três (PCl 3) no estado fundamental para cinco (PCl 5) no estado excitado.
Cada elétron em um átomo se move na primeira aproximação em um campo não Coulombiano simétrico centralmente O estado de um elétron neste caso é determinado por três números quânticos, cujo significado físico foi esclarecido no § 28. Em conexão com a existência de um spin do elétron, deve-se adicionar aos números quânticos indicados um número quântico que pode assumir valores e determinar a projeção do spin na direção dada. A seguir, para o número quântico magnético, usaremos a notação para enfatizar o fato de que esse número determina a projeção do momento angular orbital, cujo valor é dado pelo número quântico l.
Assim, o estado de cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro números quânticos:
A energia de um estado depende principalmente de números.
Além disso, há uma fraca dependência da energia dos números, pois seus valores estão relacionados à orientação mútua dos momentos, da qual depende a magnitude da interação entre os momentos magnéticos orbital e intrínseco do elétron. A energia de um estado aumenta mais fortemente com o aumento do número do que com o aumento Portanto, como regra, um estado com um grande tem, independentemente do valor, mais energia.
No estado normal (não excitado) de um átomo, os elétrons devem estar localizados nos níveis de energia mais baixos disponíveis para eles. Portanto, parece que em qualquer átomo no estado normal, todos os elétrons deveriam estar no estado e os termos básicos de todos os átomos deveriam ser do tipo -term, mas a experiência mostra que não é assim.
A explicação dos tipos de termos observados é a seguinte. De acordo com uma das leis da mecânica quântica, chamada de princípio de Pauli, no mesmo átomo (ou em qualquer outro sistema quântico) não pode haver dois elétrons que tenham o mesmo conjunto de números quânticos. Em outras palavras, dois elétrons não podem estar no mesmo estado ao mesmo tempo.
No § 28, foi mostrado que o dado corresponde a estados que diferem nos valores de l e o número quântico pode assumir dois valores: Portanto, não mais do que os elétrons podem estar em estados com um determinado valor:
Um conjunto de elétrons com os mesmos valores do número quântico, forma uma concha. As camadas são subdivididas em subcamadas que diferem no valor do número quântico l. De acordo com o significado, as conchas recebem designações emprestadas da espectroscopia de raios-X:
Tabela 36.1
A divisão dos possíveis estados de um elétron em um átomo em camadas e subcamadas é mostrada na Tabela. 36.1, em que são usados símbolos em vez de símbolos para maior clareza: . Os subshells, conforme indicado na tabela, podem ser designados de duas maneiras (por exemplo, ).
Cada orbital atômico corresponde a uma determinada energia. A ordem do AO em energia é determinada por duas regras de Klechkovsky:
1) a energia de um elétron é determinada principalmente pelos valores do principal (n) e do orbital ( eu) números quânticos, então primeiro os elétrons preenchem os subníveis para os quais a soma (n + eu) menos.
Por exemplo, pode-se supor que o subnível 3d é menor em energia do que 4s. No entanto, de acordo com a regra de Klechkovsky, a energia do estado 4s é menor que 3d, porque para 4s a soma (n + eu) = 4 + 0 = 4, e para 3d - (n + eu) = 3 + 2 = 5.
2) Se a soma (n + eu) é a mesma para dois subníveis (por exemplo, para os subníveis 3d e 4p esta soma é igual a 5), o nível com o menor n. Portanto, a formação dos níveis de energia dos átomos dos elementos do quarto período ocorre na seguinte sequência: 4s - 3d - 4p. Por exemplo:
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
Assim, levando em conta as regras de Klechkovsky, a energia dos orbitais atômicos aumenta de acordo com a série
1s< 2s < 2p < 3 < 3p < 4s ≤3d< 4p < 5s ≤ 4d < 5p < 6s ≤ 4f ≤ 5d < 6p < 7s ≤ 5f ≤ 6d < 7p
Observação. O sinal ≤ significa que as energias AO estão próximas, então aqui é possível uma violação das regras de Klechkovsky.
Usando esta série, pode-se determinar a estrutura eletrônica de qualquer átomo. Para fazer isso, você precisa adicionar sequencialmente e colocar elétrons em subníveis e orbitais atômicos. Nesse caso, é necessário levar em consideração o princípio de Pauli e as regras de dois Hund.
3. Princípio de Pauli determina a capacidade de AO: Um átomo não pode ter dois elétrons com o mesmo conjunto de todos os quatro números quânticos.
Em outras palavras, um AO caracterizado por três números quânticos pode acomodar apenas dois elétrons com spins opostos, ou seja, para um AO é possível escrever dois opções possíveis seu recheio:
um elétron e dois elétrons ↓ .
Nesse caso, a direção específica do spin de um elétron no orbital não importa, é importante apenas que os spins de dois elétrons em um AO tenham sinais opostos. O princípio de Pauli e a interdependência entre os valores de n, eu, e m determinam o número máximo possível de elétrons por orbital, subnível e nível (Tabela 2.4):
-em um AO - 2 elétron;
- no subnível eu- 2(2l+1) elétron;
- no nível n - 2n 2 elétrons.
Tabela 2.4
Distribuição de elétrons
por níveis de energia, subníveis e orbitais
| Nível de energia | Número quântico principal | Subnível de energia | orbitais atômicos | Número máximo de elétrons | |
| subnível | nível | ||||
| 1 | s( eu= 0) | ||||
| s( eu= 0) | |||||
| 2 | p( eu= 1) | ||||
| s( eu= 0) | |||||
| 3 | p( eu= 1) | ||||
| d( eu=2) |
4. As regras de Two Hund descrevem a ordem em que os elétrons preenchem o AO de um subnível:
A primeira regra: em um determinado subnível, os elétrons tendem a preencher estados de energia (AO) de tal forma que a soma de seus spins em valor absoluto seja máxima. Neste caso, a energia do sistema é mínima.
Por exemplo, considere a configuração eletrônica de um átomo de carbono. O número atômico deste elemento é 6. Isso significa que existem 6 elétrons no átomo e eles estão localizados em 2 níveis de energia (o átomo de carbono está no segundo período), ou seja, 1s 2 2s 2 2p 2 . Graficamente, o subnível 2p pode ser representado de três maneiras:
m 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1
A B C
A quantidade de rodadas na opção uma igual a zero. Em variantes b e dentro a soma dos spins é: ½ +½ = 1 (dois elétrons pareados sempre somam zero, então levamos em conta os elétrons desemparelhados).
Ao escolher entre as opções b e dentro siga a segunda regra de Hund : o estado com a soma máxima (em valor absoluto) de números quânticos magnéticos tem a energia mínima.
De acordo com a regra de Hund, a opção tem uma vantagem b(a soma de |1+0| é igual a 1), pois na variante dentro soma |+1–1| igual a 0.
Definamos, por exemplo, a fórmula eletrônica do elemento vanádio (V). Como seu número atômico é Z = 23, 23 elétrons devem ser colocados em subníveis e níveis (são quatro, pois o vanádio está no quarto período). Preenchemos sequencialmente: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 (níveis e subníveis inacabados sublinhados). A colocação de elétrons em 3d-AO de acordo com a regra de Hund será:
Para o selênio (Z = 34) a fórmula eletrônica completa é: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4, o quarto nível está incompleto.
Preenchendo este subnível de acordo com a regra de Hund: 4p
Um papel especial na química é desempenhado pelos elétrons dos últimos níveis e subníveis desocupados, chamados valência(nas fórmulas V, Se estão sublinhados). Por exemplo, no vanádio estes são os elétrons do quarto nível não preenchido 4s 2 e do subnível não preenchido 3d 3 , ou seja, 5 elétrons serão de valência 4s 2 3d 3 ; selênio tem 6 elétrons - 4s 2 4p 4 .
Pelo nome do último subnível a ser preenchido, os elementos são chamados de elementos-s, elementos-p, elementos-d e elementos-f.
As fórmulas dos elétrons de valência encontradas de acordo com as regras descritas são chamadas de canônico. De fato, as fórmulas reais determinadas por experimentos ou cálculos mecânicos quânticos diferem um pouco das canônicas, pois As regras de Klechkovsky, o princípio de Pauli e as regras de Gund são às vezes violadas. As razões para essas violações são discutidas abaixo.
Exemplo 1. Escreva a fórmula eletrônica de um átomo de um elemento com número atômico 16. Desenhe graficamente os elétrons de valência e caracterize um deles por números quânticos.
Solução. O número atômico 16 tem um átomo de enxofre. Portanto, a carga nuclear é 16, em geral, o átomo de enxofre contém 16 elétrons. A fórmula eletrônica do átomo de enxofre é escrita: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. (Elétrons de valência sublinhados).
Fórmula gráfica dos elétrons de valência: 
O estado de cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro números quânticos. A fórmula eletrônica fornece os valores do número quântico principal e do número quântico orbital. Assim, para um elétron marcado, o estado 3p significa que n = 3 e eu= 1(p). A fórmula gráfica dá o valor de mais dois números quânticos - magnético e spin. Para o elétron marcado m = -1 e s = 1/2.
Exemplo 2. Caracterize os elétrons de valência do átomo de escândio por quatro números quânticos.
Solução. Scandium está no 4º período, ou seja, a última camada quântica é a quarta, no 3º grupo, ou seja. três elétrons de valência.
A fórmula eletrônica dos elétrons de valência é: 4s 2 3d 1 .
Fórmula gráfica: 