Cum se distribuie electronii în straturi. Distribuția electronilor după niveluri de energie
Distribuția electronilor pe niveluri de energie explică proprietățile metalice și nemetalice ale oricăror elemente.
Formula electronica
Există o anumită regulă conform căreia particulele negative libere și pereche sunt plasate la niveluri și subniveluri. Să luăm în considerare mai detaliat distribuția electronilor pe niveluri de energie.Există doar doi electroni în primul nivel de energie. Umplerea orbitalului cu ele se realizează pe măsură ce aprovizionarea cu energie crește. Distribuția electronilor într-un atom al unui element chimic corespunde unui număr ordinal. Nivelurile de energie cu numărul minim au cea mai pronunțată forță de atracție a electronilor de valență către nucleu.
Un exemplu de compilare a unei formule electronice
Luați în considerare distribuția electronilor pe nivelurile de energie folosind exemplul unui atom de carbon. Numărul său de serie este 6, prin urmare, în nucleu există șase protoni încărcați pozitiv. Având în vedere că carbonul este un reprezentant al celei de-a doua perioade, se caracterizează prin prezența a două niveluri de energie. Primul are doi electroni, al doilea are patru.Regula lui Hund explică locația într-o celulă a doar doi electroni care au spinuri diferite. Există patru electroni în al doilea nivel de energie. Ca urmare, distribuția electronilor într-un atom al unui element chimic are următoarea formă: 1s22s22p2.
Există anumite reguli conform cărora are loc distribuția electronilor în subniveluri și niveluri.
principiul Pauli
Acest principiu a fost formulat de Pauli în 1925. Omul de știință a stipulat posibilitatea de a plasa în atom doar doi electroni care au aceleași numere cuantice: n, l, m, s. Rețineți că distribuția electronilor pe nivelurile de energie are loc pe măsură ce cantitatea de energie liberă crește.
regula lui Klechkovsky
Umplerea orbitalilor de energie se realizează în funcție de creșterea numerelor cuantice n + l și se caracterizează printr-o creștere a rezervei de energie.Luați în considerare distribuția electronilor într-un atom de calciu.
În stare normală, formula sa electronică este următoarea:
Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.
Pentru elementele subgrupurilor similare legate de elementele d și f, există o „eșec” a unui electron de la un subnivel extern, care are o rezervă de energie mai mică, la subnivelul d sau f anterior. Un fenomen similar este tipic pentru cupru, argint, platină, aur.
Distribuția electronilor într-un atom implică umplerea subnivelurilor cu electroni nepereche care au aceleași spini.
Numai după umplerea completă a tuturor orbitalilor liberi cu electroni unici, celulele cuantice sunt completate cu particule negative secundare dotate cu spini opuși.
De exemplu, în starea neexcitată a azotului:
1s2 2s2 2p3.
Proprietățile substanțelor sunt influențate de configurația electronică a electronilor de valență. După numărul lor, puteți determina cea mai mare și cea mai mică valență, activitate chimică. Dacă un element se află în subgrupul principal al tabelului periodic, puteți utiliza numărul grupului pentru a compune un nivel de energie extern, pentru a determina starea sa de oxidare. De exemplu, fosforul, care se află în al cincilea grup (subgrupul principal), conține cinci electroni de valență, prin urmare, este capabil să accepte trei electroni sau să dea cinci particule unui alt atom.
Toți reprezentanții subgrupurilor secundare ale tabelului periodic fac excepții de la această regulă.
Caracteristici de familie
În funcție de structura pe care o are nivelul de energie externă, există o împărțire a tuturor atomilor neutri incluși în tabelul periodic în patru familii:- elementele s sunt în prima și a doua grupă (subgrupe principale); familia p este situată în grupele III-VIII (subgrupe A); elementele d pot fi găsite în subgrupe similare din grupele I-VIII; familia f constă din actinide și lantanide.
Elementele d în starea neexcitată au electroni de valență atât pe ultimul s- cât și pe penultimul subnivel d.
Concluzie
Starea oricărui electron dintr-un atom poate fi descrisă folosind un set de numere de bază. În funcție de caracteristicile structurii sale, putem vorbi despre o anumită cantitate de energie. Folosind regula lui Hund, Klechkovsky, Pauli pentru orice element inclus în tabelul periodic, puteți realiza o configurație a unui atom neutru.Cea mai mică rezervă de energie în starea neexcitată este deținută de electronii aflați la primele niveluri. Când un atom neutru este încălzit, se observă tranziția electronilor, care este întotdeauna însoțită de o modificare a numărului de electroni liberi, duce la o schimbare semnificativă a stării de oxidare a elementului, o modificare a activității sale chimice.
Dacă particulele identice au aceleași numere cuantice, atunci funcția lor de undă este simetrică în raport cu permutarea particulelor. Rezultă că doi fermioni identici incluși într-un sistem nu pot fi în aceleași stări, deoarece pentru fermioni, funcția de undă trebuie să fie antisimetrică. Rezumând datele experimentale, V. Pauli a format principiu excepții , Prin care sistemele fermionilor se găsesc în natură numai în state,descrise prin funcţii de undă antisimetrice(formularea mecanică cuantică a principiului Pauli).
Din această prevedere rezultă o formulare mai simplă a principiului Pauli, care a fost introdus de el în teoria cuantica(1925) chiar înainte de construcţie mecanica cuantică: într-un sistem de fermioni identici oricare dintre ele nu poate simultan fi in aceeasi stare . Rețineți că numărul de bozoni identici în aceeași stare nu este limitat.
Amintiți-vă că starea unui electron într-un atom este determinată în mod unic de mulțime patru numere cuantice :
principal n ;
orbital l 
, de obicei aceste stări indică 1 s, 2d, 3f;
magnetic ();
· spin magnetic ().
Distribuția electronilor într-un atom are loc conform principiului Pauli, care poate fi formulat pentru un atom în cea mai simplă formă: în același atom nu poate exista mai mult de un electron cu același set de patru numere cuantice: n, l, , :
Z (n, l, , ) = 0 sau 1,
Unde Z (n, l, , ) este numărul de electroni într-o stare cuantică, descris de un set de patru numere cuantice: n, l, , . Astfel, principiul Pauli spune: că doi electroni ,legate în același atom diferă ca valoare ,macar ,un număr cuantic .
Numărul maxim de electroni în stări descrise de un set de trei numere cuantice n, lși m, și care diferă numai în orientarea spinilor electronilor este egal cu:
| , | (8.2.1) |
deoarece numărul cuantic de spin poate lua doar două valori 1/2 și –1/2.
Numărul maxim de electroni care se află în stări determinate de două numere cuantice nși l:
 .
|
(8.2.2) |
În acest caz, vectorul momentului unghiular orbital al electronului poate lua în spațiu (2 l+ 1) orientări diferite (Fig. 8.1).
Numărul maxim de electroni în stări determinat de valoarea numărului cuantic principal n, este egal cu:
 .
|
(8.2.3) |
Setul de electroni dintr-un atom cu mai mulți electroni,având același număr cuantic principal n,numit învelișul de electroni sau strat .
În fiecare dintre învelișuri, electronii sunt distribuiți de-a lungul subcochilii corespunzătoare acesteia l.
zona spatiului,în care există o mare probabilitate de a găsi un electron, numit subshell sau orbital . Vederea principalelor tipuri de orbitali este prezentată în fig. 8.1.
Deoarece numărul cuantic orbital ia valori de la 0 la , numărul de subshell este egal cu numărul ordinal n scoici. Numărul de electroni dintr-un subshell este determinat de numerele cuantice de spin magnetic și magnetic: numărul maxim de electroni dintr-un subshell cu un anumit l este egal cu 2(2 l+ 1). Denumirile învelișurilor, precum și distribuția electronilor pe învelișuri și subînvelișuri sunt date în tabel. unu.
tabelul 1
| Numărul cuantic principal n |
|||||||||||||||
| simbolul cochiliei |
|||||||||||||||
| Numărul maxim de electroni în înveliș |
|||||||||||||||
| Numărul cuantic orbital l |
|||||||||||||||
| Caracter subshell |
|||||||||||||||
| Număr maxim electroni în subshell |
|||||||||||||||
Distribuția electronilor într-un atom se realizează în conformitate cu 3 prevederi ale mecanicii cuantice: principiul Pauli; principiul energiei minime; regula lui Hund.
Conform principiului Pauli Un atom nu poate avea doi electroni cu aceleași valori ale tuturor celor patru numere cuantice. Principiul Pauli determină numărul maxim de electroni într-un orbital, nivel și subnivel. Deoarece AO este caracterizat de trei numere cuantice n, l, ml, electronii unui orbital dat pot diferi doar prin numărul cuantic de spin Domnișoară. Dar Domnișoară poate avea doar două valori +½ și -½.
Prin urmare, nu pot fi mai mult de doi electroni cu spini direcționați opus într-un orbital. Numărul maxim de electroni într-un nivel de energie este definit ca 2 n 2, iar la subnivel - ca 2 (2 l+1). Numărul maxim de electroni localizați la diferite niveluri și subnivele este dat în tabel. 2.1.
Numărul maxim de electroni la niveluri cuantice și subnivele
| Nivel de energie | Subnivelul energetic | Valori posibile ale numărului cuantic magnetic ml | Numărul de SA în | Numărul maxim de electroni per | ||
| subnivel | nivel | subnivel | nivel | |||
| 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 |
Secvența de umplere a orbitalilor cu electroni este efectuată în conformitate cu principiul energiei minime, Prin care electronii umplu orbitalii în ordinea creșterii nivelului de energie al orbitalilor. Ordinea orbitalilor în termeni de energie este determinată de regula lui Klechkovsky : o creștere a energiei și, în consecință, umplerea orbitalilor are loc în ordinea sumei crescătoare (n + l) și cu o sumă egală (n + l) - în ordinea crescătoare a n.
Ordinea distribuției electronilor pe nivelurile și subnivelurile de energie din învelișul unui atom l-am sunat configuratie electronica. La scrierea unei configurații electronice, numărul nivelului (numărul cuantic principal) este notat cu numerele 1, 2, 3, 4 ..., subnivelul (numărul cuantic orbital) - prin litere s, p, d, f. Numărul de electroni dintr-un subnivel este indicat printr-un număr, care este scris în partea de sus a simbolului subnivelului. De exemplu, configurația electronică a unui atom de sulf este 16 S 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 și vanadiu 23 V 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d°/i> 3 4 s 2 .
Proprietățile chimice ale atomilor sunt determinate în principal de structura nivelurilor exterioare de energie, care sunt numite valenţă. Nivelurile de energie finalizate nu participă la interacțiunea chimică. Prin urmare, pentru concizie, ele sunt adesea notate prin simbolul gazului nobil precedent pentru concizie. Deci, pentru sulf: 3 s 2 3p patru; pentru vanadiu: 3 d 3 4s 2. În același timp, notația prescurtată evidențiază clar electronii de valență care determină Proprietăți chimice atomi de element.
În funcție de ce subnivel al atomului este umplut ultimul, toate elemente chimice sunt împărțite în 4 familii electronice: s-, p-, d-, f- elemente. Elementele ai căror atomi sunt ultimii care umple subnivelul s al nivelului exterior se numesc elemente s. La s- elementele sunt valența s-electronii nivelului energetic exterior.
La p-elemente subnivelul p al nivelului exterior este umplut ultimul. Au electroni de valență în p-și s- subnivelurile stratului exterior. La elementele d, subnivelul d al nivelului pre-exterior este completat ultimulși valența sunt s- electronii exteriorului şi d- electronii nivelurilor energetice pre-externe. La elementele f, subnivelul f al celui de-al treilea nivel de energie exterior este umplut ultimul.
Configurația electronică a unui atom poate fi descrisă și sub forma unor scheme de plasare a electronilor în celule cuantice, care sunt o reprezentare grafică a orbitalului atomic. Fiecare celulă cuantică nu poate conține mai mult de doi electroni cu spini direcționați opus. Ordinea de plasare a electronilor într-un subnivel este determinată de regula lui Hund: într-un subnivel, electronii sunt aranjați astfel încât spinul lor total să fie maxim. Cu alte cuvinte, orbitalii unui subnivel dat sunt umpluți mai întâi de un electron cu aceiași spini, iar apoi de al doilea electron cu spini opuși.
Rotire totală R- electronii celui de-al treilea nivel energetic al atomului de sulf S Domnișoară= ½ - ½ + ½ + ½ = 1; d- electronii atomului de vanadiu -
S Domnișoară\u003d ½ + ½ + ½ \u003d 3 / 2.
Adesea, nu întreaga formulă electronică este reprezentată grafic, ci doar acele subniveluri pe care sunt localizați electronii de valență, de exemplu,
16S…3 s 2 3p patru; 23V…3 d 3 4s 2 .
Într-o reprezentare grafică a configurației electronice a unui atom într-o stare excitată, împreună cu cele umplute, sunt reprezentați orbitalii de valență liberi. De exemplu, în atomul de fosfor la al treilea nivel de energie există unul s-AO, trei R-ao și cinci d-AO. Configurația electronică a atomului de fosfor în starea fundamentală are forma
15 R... 3 s 2 3p 3 .
Valența fosforului, determinată de numărul de electroni nepereche, este 3. Când un atom trece într-o stare excitată, electronii din starea 3 sunt deprimați. sși unul dintre electroni s-subnivelul poate merge la d-subnivel:
R*… 3 s2 3p 3 3d 1
În acest caz, valența fosforului se schimbă de la trei (PCl 3) în starea fundamentală la cinci (PCl 5) în starea excitată.
Fiecare electron dintr-un atom se mișcă în prima aproximare într-un câmp non-Coulomb simetric central. Starea unui electron în acest caz este determinată de trei numere cuantice, al căror sens fizic a fost clarificat în § 28. În legătură cu existența un spin de electron, trebuie adăugat la numerele cuantice indicate un număr cuantic care poate lua valori și determină proiecția spinului pe direcția dată. În cele ce urmează, pentru numărul cuantic magnetic, vom folosi în schimb notația pentru a sublinia faptul că acest număr determină proiecția momentului unghiular orbital, a cărui valoare este dată de numărul cuantic l.
Astfel, starea fiecărui electron dintr-un atom este caracterizată de patru numere cuantice:
Energia unui stat depinde în principal de numere.
În plus, există o dependență slabă a energiei de numere, deoarece valorile lor sunt legate de orientarea reciprocă a momentelor, de care depinde mărimea interacțiunii dintre momentele magnetice orbitale și intrinseci ale electronului. Energia unei stări crește mai puternic cu creșterea numărului decât cu creșterea Prin urmare, de regulă, o stare cu una mare are, indiferent de valoare, mai multă energie.
În starea normală (neexcitată) a unui atom, electronii ar trebui să fie localizați la cele mai scăzute niveluri de energie disponibile pentru ei. Prin urmare, s-ar părea că în orice atom în stare normală, toți electronii ar trebui să fie în stare și termenii de bază ai tuturor atomilor ar trebui să fie de tipul -termen.Cu toate acestea, experiența arată că nu este așa.
Explicația tipurilor de termeni observate este următoarea. Conform uneia dintre legile mecanicii cuantice, numită principiul Pauli, în același atom (sau în orice alt sistem cuantic) nu pot exista doi electroni care să aibă același set de numere cuantice. Cu alte cuvinte, doi electroni nu pot fi în aceeași stare în același timp.
În § 28, s-a arătat că stările cu o valoare dată corespund stărilor care diferă în valorile lui l și numărul cuantic poate lua două valori: Prin urmare, în stările cu o valoare dată, nu pot fi mai mult de electroni într-un atom:
Un set de electroni având aceleași valori ale numărului cuantic formează o înveliș. Învelișurile sunt subdivizate în subcochilii care diferă prin valoarea numărului cuantic l. În conformitate cu semnificația, cochilii primesc denumiri împrumutate din spectroscopia cu raze X:
Tabelul 36.1
Împărțirea stărilor posibile ale unui electron dintr-un atom în învelișuri și subînvelișuri este prezentată în tabel. 36.1, în care se folosesc simboluri în loc de simboluri pentru claritate: . Subshell-urile, așa cum este indicat în tabel, pot fi desemnate în două moduri (de exemplu, fie ).
Fiecărui orbital atomic îi corespunde o anumită energie. Ordinea AO în energie este determinată de două reguli Klechkovsky:
1) energia unui electron este determinată în principal de valorile principalului (n) și orbitalului ( l) numere cuantice, deci mai întâi electronii umplu acele subniveluri pentru care suma (n + l) Mai puțin.
De exemplu, s-ar putea presupune că subnivelul 3d este mai mic în energie decât 4s. Cu toate acestea, conform regulii Klechkovsky, energia stării 4s este mai mică decât 3d, deoarece pentru 4s suma (n + l) = 4 + 0 = 4, iar pentru 3d - (n + l) = 3 + 2 = 5.
2) Dacă suma (n + l) este același pentru două subniveluri (de exemplu, pentru subnivelurile 3d și 4p această sumă este egală cu 5), nivelul cu cel mai mic n. Prin urmare, formarea nivelurilor energetice ale atomilor elementelor din perioada a patra are loc în următoarea secvență: 4s - 3d - 4p. De exemplu:
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
Astfel, ținând cont de regulile Klechkovsky, energia orbitalilor atomici crește în funcție de serie
1s< 2s < 2p < 3 < 3p < 4s ≤3d< 4p < 5s ≤ 4d < 5p < 6s ≤ 4f ≤ 5d < 6p < 7s ≤ 5f ≤ 6d < 7p
Notă. Semnul ≤ înseamnă că energiile AO sunt apropiate, deci aici este posibilă o încălcare a regulilor Klechkovsky.
Folosind această serie, se poate determina structura electronică a oricărui atom. Pentru a face acest lucru, trebuie să adăugați și să plasați secvențial electroni pe subniveluri și orbitali atomici. În acest caz, este necesar să se țină cont de principiul Pauli și de regulile lui Two Hund.
3. Principiul Pauli determină capacitatea AO: Un atom nu poate avea doi electroni cu același set de toate cele patru numere cuantice.
Cu alte cuvinte, un AO caracterizat prin trei numere cuantice poate găzdui doar doi electroni cu rotiri opuse, adică pentru un AO este posibil să scrieți două opțiuni posibile umplerea lui:
un electron și doi electroni ↓ .
În acest caz, direcția specifică a spinului pentru un electron din orbital nu contează, este important doar ca spinurile pentru doi electroni dintr-un AO să aibă semne opuse. Principiul Pauli și interdependența dintre valorile lui n, l, și m determină numărul maxim posibil de electroni pe orbital, subnivel și nivel (Tabelul 2.4):
-pe un AO - 2 electron;
- la subnivel l- 2(2l+1) electron;
- la nivelul n - 2n 2 electroni.
Tabelul 2.4
Distribuția electronilor
după niveluri de energie, subniveluri și orbitali
| Nivel de energie | Numărul cuantic principal | Subnivelul energetic | orbitali atomici | Numărul maxim de electroni | |
| subnivel | nivel | ||||
| 1 | s( l= 0) | ||||
| s( l= 0) | |||||
| 2 | p( l= 1) | ||||
| s( l= 0) | |||||
| 3 | p( l= 1) | ||||
| d( l=2) |
4. Regulile lui Two Hund descriu ordinea în care electronii umplu AO a unui subnivel:
Prima regulă: într-un subnivel dat, electronii tind să umple stările energetice (AO) în așa fel încât suma spinurilor lor în valoare absolută să fie maximă. În acest caz, energia sistemului este minimă.
De exemplu, luați în considerare configurația electronică a unui atom de carbon. Numărul atomic al acestui element este 6. Aceasta înseamnă că în atom sunt 6 electroni și sunt localizați pe 2 niveluri de energie (atomul de carbon este în a doua perioadă), adică. 1s 2 2s 2 2p 2 . Grafic, subnivelul 2p poate fi reprezentat în trei moduri:
m 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1
A B C
Numărul de rotiri din opțiune A este egal cu zero. În opțiuni bși în suma spinilor este: ½ +½ = 1 (doi electroni perechi însumează întotdeauna zero, deci luăm în considerare electronii neperechi).
Când alegeți între opțiuni bși în urmează a doua regulă a lui Hund : starea cu suma maximă (în valoare absolută) a numerelor cuantice magnetice are energia minimă.
Conform regulii lui Hund, opțiunea are un avantaj b(suma lui |1+ 0| este egală cu 1) , deoarece în variantă în suma |+1–1| este egal cu 0.
Să definim, de exemplu, formula electronică a elementului vanadiu (V). Deoarece numărul său atomic este Z = 23, 23 de electroni trebuie plasați pe subniveluri și niveluri (există patru, deoarece vanadiul este în a patra perioadă). Completam succesiv: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 (niveluri și subniveluri neterminate subliniate). Amplasarea electronilor pe 3d-AO conform regulii lui Hund va fi:
Pentru seleniu (Z = 34) formula electronică completă este: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4, al patrulea nivel este incomplet.
Completarea acestui subnivel conform regulii lui Hund: 4p
Un rol special în chimie îl joacă electronii ultimelor niveluri și subniveluri neocupate, care se numesc valenţă(în formulele V, Se sunt subliniate). De exemplu, în vanadiu aceștia sunt electronii celui de-al patrulea nivel neumplut 4s 2 și subnivelul neumplut 3d 3 , adică. 5 electroni vor fi valență 4s 2 3d 3 ; seleniul are 6 electroni - 4s 2 4p 4 .
După numele ultimului subnivel care trebuie completat, elementele sunt numite elemente s, elemente p, elemente d și elemente f.
Se numesc formulele electronilor de valență găsite conform regulilor descrise canonic. De fapt, formulele reale determinate din experiment sau din calculul mecanic cuantic diferă oarecum de cele canonice, deoarece Regulile lui Klechkovsky, principiul lui Pauli și regulile lui Gund sunt uneori încălcate. Motivele acestor încălcări sunt discutate mai jos.
Exemplul 1. Scrieți formula electronică a unui atom al unui element cu număr atomic 16. Desenați grafic electronii de valență și caracterizați unul dintre ei prin numere cuantice.
Soluţie. Numărul atomic 16 are un atom de sulf. Prin urmare, sarcina nucleară este 16, în general, atomul de sulf conține 16 electroni. Formula electronică a atomului de sulf se scrie: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. (Electroni de valență subliniați).
Formula grafică a electronilor de valență: 
Starea fiecărui electron dintr-un atom este caracterizată de patru numere cuantice. Formula electronică oferă valorile numărului cuantic principal și ale numărului cuantic orbital. Deci, pentru un electron marcat, starea 3p înseamnă că n = 3 și l= 1(p). Formula grafică oferă valoarea a încă două numere cuantice - magnetice și spin. Pentru electronul marcat m = -1 și s = 1/2.
Exemplul 2. Caracterizați electronii de valență ai atomului de scandiu prin patru numere cuantice.
Soluţie. Scandiul este în perioada a 4-a, adică. ultimul strat cuantic este al patrulea, în grupa a 3-a, adică. trei electroni de valență.
Formula electronică a electronilor de valență este: 4s 2 3d 1 .
Formula grafica: 