Строение электронной оболочки атома

1.2.1 Квантовые числа электрона. При химических реакциях ядро атома не претерпевает изменений. Изменению подвергается внешняя часть электронной оболочки атомов, строением которой объясняются многие свойства химических элементов.

В современной модели атома состояние в нем электронов определяется четырьмя параметрами – квантовыми числами. Первые три характеризуют движение электронов в пространстве (получаются при решении уравнения Шрёдингера), а четвертое – вокруг собственной оси (вводится дополнительно).

Главное квантовое числоn определяет энергию электрона в атоме и среднее удаление электрона от ядра. n принимает целочисленные значения от 1 до ∞. В многоэлектронных атомах электроны с одинаковыми значениями n образуют слой или уровень, обозначаемый буквами (K, L, M, N, O, P и Q) или цифрами. Буква K соответствует первому уровню, L – второму и т. д.

Уровень содержит строго определенное число электронов – максимально N= 2n², где N – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра) или главное квантовое число. В соответствии с уравнением, на первом, ближайшем к ядру, энергетическом уровне может находится не более двух электронов, на втором – не более 8, на третьем – не более 18, на четвертом – не более 32.

Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. То есть, наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня, электроны последующих уровней характеризуются большим запасом энергии. Поэтому они менее прочно связаны с ядром, вследствие чего могут принимать участие в образовании химических связей. Бесконечно большое значение n говорит о том, что электрон находится на бесконечно большом расстоянии от ядра, т. е. является свободным, или не связанным с ядром.

Из периодической системы для любого элемента, находящегося в невозбуждённом состоянии, по номеру периода можно определить максимальное число энергетических уровней атома (№ периода = n) и то, какой энергетический уровень является внешним. Например, элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).

Начиная со значения главного квантового числа n = 2, энергетические уровни (слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром и характеризующиеся орбитальным квантовым числом l. Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый уровень имеет один подуровень, второй уровень – два, третий - три и т. д.

Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Атомная орбиталь – этообластьпространства около ядра, в котором вероятность нахождения электрона наиболее велика (≈ 95 %). То есть, энергетическим подуровнем называется совокупность электронов с одинаковым значением n и l, поскольку орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию.

Побочное (орбитальное или азимутальное) квантовое число l определяет энергию электрона на подуровне и форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n-1 (l = 0, 1, 2, …, (n-1)). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 атомная орбиталь имеет сферическую форму (s- орбиталь). Она самая устойчивая и располагается довольно близко к ядру. Значению l = 1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (p-орбиталь). Изменение формы объясняется тем, что чем дальше располагается электрон от ядра, чем больше возрастает его энергия в атоме, тем быстрее он вращается, тем сильнее вытягивается область его пребывания и наконец превращается в гантелеобразную p-орбиталь Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие более высоким значениями l, равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали). Таким образом, каждому цифровому значению соответствует буквенное:

l	=						…
l	=	s	p	d	f	g	…

По цифровому значению l можно рассчитать число электронов на энергетическом подуровне: максимально N = 2(2l+1), где N – число электронов; l – номер подуровня.

Магнитное квантовое число m_l определяет пространственное расположение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2 l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.

Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует m_l = 0. Гантелеобразные p-орбитали могут занимать три положения (2l + 1 = 3) вдоль осей координат пространства x, y и z: ведь все электроны заряжены отрицательно, поэтому электронные облака взаимно отталкиваются и стремятся разместиться как можно дальше друг от друга. Орбитали d - (2l + 1 = 5) и f- (2l + 1 = 7) могут занимать пять и семь положений соответственно.

Форма и ориентация s-, p- и d-орбиталей изображена на рисунке 1.

Одна s - орбиталь	Три p – орбитали
Пять d – орбиталей
Рисунок 1 - Форма и ориентация s-, p- и d – орбиталей

 

Квантовые числа n, l и m_l не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установлено, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число m_s имеет только два значения m_s = ±1/2, соответствующие противоположным направлениям вращения. Электроны с разными m_s обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз.

Всё вышесказанное можно обобщить с помощью таблицы 1.

 

Таблица 1 –Количество орбиталей и электронов на уровнях и подуровнях

 

Главное квантовое число	Орбитальное квантовое число	Магнитное квантовое число	Число орбиталей с данным значением l	Максимальное число электронов на подуровне	Максимальное число электронов на уровне
n (1 - ∞)	l (0 - (n-1))	ml (–l- 0 -+l)	2l + 1	Nl = 2(2 l + 1)	Nn = 2n^2
	0 (s)
	0 (s)
1 (p)	–1, 0, +1
	0 (s)
1 (p)	–1, 0, +1
2 (d)	–2, –1, 0, +1, +2
	0 (s)
1 (p)	–1, 0, +1
2 (d)	–2, –1, 0, +1, +2
3 (f)	–3,–2,–1,0,+1,+2,+3