Принципы построения электронной структуры атомов элементов.

В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние каждого электрона можно характеризовать квантовыми числами n, l, m_l, m_S. Межэлектронное отталкивание приводит к тому, что энергия электронов, имеющих одно и тоже значение n, но разные значения l, становится различной. Последовательность заполнения электронами подуровней в многоэлектронных атомах определяется принципом наименьшей энергии, принципом Паули и правилом Хунда.

Принцип наименьшей энергии гласит: заполнение электронами АО происходит в порядке возрастания их энергии. На основании изучения спектров атомов и квантово-механических расчетов установлена энергетическая диаграмма (рис.3) для различных АО в многоэлектронных нейтральных атомах, находящихся в основном состоянии (состоянии с наименьшей энергией).

Рис. 3. Энергетическая диаграмма атома водорода.

Последовательность АО в порядке возрастания их энергии имеет вид

Порядок возрастания энергии АО в сложных атомах описывается правилом (n+l) (или правилом Клечковского):

энергия АО возрастает в соответствии с увеличением суммы n+l главного и орбитального квантовых чисел. При одинаковом значении суммы, энергии меньше у АО с меньшим значением главного квантового числа.

Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел. Каждый электрон в атоме имеет свой набор четырех квантовых чисел, который полностью определяет энергетическое состояние электрона. Так, для АО-1s существует два набора квантовых чисел:

Таблица 4

Сумма значений главного и орбитального квантовых чисел

Следовательно, на s-АО может находиться только два электрона с различными значениями спинового квантового числа.

Для каждой из трех 2р-АО также возможно только два набора квантовых чисел. Например, для одной из 2р-АО:

Значит, на р-подуровне любого уровня может находиться шесть электронов.

Таким образом, на одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными по знаку значениями спинового квантового числа. Два электрона, находящиеся на одной орбитали, то есть имеющие одинаковые значения квантовых чисел n, l, m_l, но различные значения спинового квантового числа m_S, называют спаренными. Принцип определения максимального числа электронов, которые могут находиться на уровне с главным квантовым числом, показан в табл.5.

Общее число орбиталей на энергетическом уровне со значение главного квантового числа n равно n². Так как на одной орбитали может находиться лишь два электрона, получаем, что максимальная электронная емкость энергетического уровня составляет 2 n².

Правило Хунда определяет последовательность заполнения АО электронами в пределах одного подуровня и формулируется следующим образом:

при данном значении квантового числа l (то есть в пределах одного подуровня) в основном состоянии электроны располагаются таким образом, что значение суммарного спина атома максимально.

Это означает, что на подуровне должно быть максимально возможное число неспаренных электронов.

Таблица 5

Максимальное число электронов на первых четырех энергетических уровнях