Ключевые слова: электронная структура атомов, последовательность энергетических уровней и подуровней атомов, принципы заполнения атомных орбиталей электронами, периодический закон, периодическая система химических элементов, периодически изменяющиеся свойства атомов.
В атоме водорода атомные орбитали (АО) на одном энергетическом уровне «вырождены», т.е. имеют одинаковые значения для всех подуровней. Во многоэлектронных атомах из-за действия сил межэлектронного отталкивания уровни энергии расширяются в энергетическую зону с энергетическими подуровнями, обозначаемыми s-, p-, d-, f- подуровни. В пределах одного электронного слоя электронные состояния - s, p, d, f - отличаются по энергиям, причем Es < Ep < Ed <Ef. Поскольку состояния s, p, d, f в многоэлектронных атомах имеют разную энергию, их называют энергетическими подуровнями. Заполнение электронами квантовых слоев и энергетических подуровней в реальных атомах происходит с соблюдением трех основных принципов.
1.Принцип наименьшей энергии. Электроны занимают в атоме орбитали с наименьшей энергией. Последовательность расположения АО по уровням энергии при заполнении электронами определяется правилом Клечковского: электроны в невозбужденном атоме располагаются в состояниях, где меньше сумма (n+l), так как энергия электронов зависит от n и l и не зависит от ml и ms. При одинаковом значении этой суммы в первую очередь заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа (n). Последовательность заполнения электронами атомных орбиталей в порядке возрастания энергии представлена в таблице:
Вид атома
Энергетические состояния
Атом водорода
1s<2s=2p<3s=3p=3d<4s=4p=4d=4f<5s=5p=5d=5f
Многоэлектронные атомы
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d
2. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, имеющих четыре одинаковых квантовых числа. Один электрон от другого на атомной орбитали должен отличаться спиновым квантовым числом. Как следует из принципа Паули, на атомной орбитали максимально может быть два электрона, отличающихся спином, и это обозначается: ↑↓.
3. Правило Хунда. При заполнении энергетического подуровня, электроны стремятся заполнить свободные орбитали, сначала по одному с параллельными спинами, а затем по второму с противоположными спинами.
Распределение электронов по атомным орбиталям называют электронной конфигурацией атома и представляют в виде: а) полной электронной формулы, например: 22Ti 1s22s22p63s23p64s23d2; б) краткой электронной формулы: 22Ti [Ar]4s23d2; в) электроно-графической формулы, в которой атомные орбитали обозначают в виде клеток (энергетических или квантовых ячеек), а электроны – стрелками ↑↓.
Валентными электронами (атомными орбиталями) называют электроны внешнего слоя и того предвнешнего подуровня, который заполняется в данном атоме, например для титана валентные электроны: 22Ti …..4s23d2.
Периодическую систему химических элементов в настоящее время рассматривают как классификацию элементов в зависимости от зарядов ядра и от строения электронных оболочек невозбужденных атомов. Периодический закон: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов. Периодический закон основывается на современной теории строения атома: периодические изменения свойств элементов и их соединений происходят из-за периодически повторяющихся подобных структур электронных оболочек атомов. Последовательность заполнения электронных оболочек атомов периодической системы выглядит следующим образом.
1. Начало нового электронного слоя соответствует началу нового периода. Число элементов в данном периоде определяется максимальным количеством электронов на заполняемых подуровнях. Каждый период заканчивается элементом, имеющим заполненный внешний p - подуровень (инертные газы).
2. Элементы, атомы которых имеют подобную электронную конфигурацию, являются электронными аналогами и образуют группу периодической системы. В короткопериодной таблице к главной подгруппе относятся элементы, у которых на стадии заполнения находятся s- и p- атомные орбитали (s- и p-элементы). К побочной подгруппе относятся элементы, у которых заполняются d-орбитали (d-элементы).
Химическая природа атома зависит от способности отдавать или принимать внешние и предвнешние электроны. Периодически изменяются такие свойства атомов: атомные и ионные радиусы, энергии (потенциалы) ионизации атомов, сродство к электрону, электроотрицательность (ЭО), валентность и т.д. От изменения этих свойств атомов (увеличения или уменьшения) зависят металлические (восстановительные) или неметаллические (окислительные) свойства атомов.
Контрольные вопросы:
1. Правило Клечковского.
2. Сформулируйте основные принципы заполнения АО электронами.
3. Периодический закон Менделеева.
4. Периодическая система элементов. Электронная структура атомов химических элементов.
5. Периодически изменяющиеся свойства атомов и их влияние на химические свойства атомов.
Список рекомендуемой литературы:
1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - С. 88 - 106.
2. Коровин Н.В. Общая химия: учебник для технических направл. и спец. вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 25 – 34.
Н.М. Шаймарданов, О.Б.Чалова