Электронная конфигурация атома

Распределение электронов по АО называют электронной конфигурацией атома. Порядок заполнения АО электронами определяется двумя важнейшими принципами.

Согласно принципу минимума энергии наиболее устойчивому (основному) состоянию атома отвечает размещение электронов на орбиталях с наименьшей энергией, т.е. обеспечивается минимум потенциальной электронов с ядром.

Согласно принципу Паули любые два электрона в атоме во избежание бесконечно большого взаимного отталкивания должны отличаться друг от друга хотя бы одним квантовым числом. Так, если два электрона находятся на одной АО, то они должны иметь противоположные спины.

В соответствии с указанными принципами атом гелия в основном состоянии имеет электронную конфигурацию Is2, при которой оба электрона находятся на ls-орбитали и имеют противоположные спины. Суммарный спин атома равен нулю. Схематически эту ситуацию можно изобразить в виде ячейки с двумя стрелками: .

Атом лития, следующий за гелием в периодической системе, содержит три электрона. По принципу минимума энергии два из них расположатся, как и в атоме гелия, на ls-орбитали. Третий электрон в соответствии с принципом Паули должен располагаться на АО с п = 2. Однако таких орбиталей две — 2s и 2р, и электрон будет иметь меньшую энергию на той из них, где он будет испытывать действие более высокого эффективного заряда.

Рассмотрим с этой точки зрения кривые распределения электронной плотности в атоме лития в зависимости от расстояния от ядра (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Проникновение 2s- и 2/;-орбиталей в замкнутый 1$2-слой в атоме лития

Из этих кривых очевидно, что замкнутый слой Is расположен гораздо ближе к ядру, чем основная плотность 2s- или 2/?-электрона. Однако внутренний максимум 25-электрона практически полностью проникает в ls-электроп- ную плотность в близкой в ядру области, и определенная часть его плотности «чувствует» на себе почти полный зяряд ядра Z = +3. Единственный максимум 2/?-электрона далек от ядра, а в области сосредоточения ls-элек- тронов находится лишь незначительная его часть. Следовательно, в атоме лития электрон на 25-орбитали испытывает на себе действие несколько более высокого эффективного заряда, он несколько хуже экранирован от ядра 1 s- электронами, чем электрон на 2р-орбитали, и прочнее связан с ядром. Соответственно, в основном состоянии атом лития будет иметь электронную конфигурацию ls22sl, а конфигурация 1 s22px отвечает возбужденному состоянию.

Рассматривая одноэлектронный атом, мы пришли к заключению, что при одинаковых п за счет внутренних максимумов ближе к ядру находится большая часть плотности того электрона, который расположен на орбитали с меньшим значением /. Это в основном и определяет тот важнейший для всей химии факт, что в одном слое 5-электроны испытывают на себе самый большой эффективный заряд, p-электроны — меньший, ^/-электроны — еще меньше и т.д. Другими словами, я5-электроны наиболее прочно связаны с ядром и находятся на наиболее низком энергетическом уровне, далее следуют ир-электроны, а затем — /^/-электроны. Таким образом, энергия электронов в многоэлектронных атомах зависит не только от п, но и от /; при равных п она возрастает в порядке увеличения /.

Порядок заполнения АО для любого атома описывается эмпирическими правилами Клейновского (рис. 2.12):

АО заполняются в порядке увеличения суммы п + /.

При одинаковых значениях суммы п + I АО заполняются в порядке увеличения п.

Рис. 2.12. Порядок заполнения атомных орбиталей электронами (правила Клечковского). Стрелки показывают, что АО заполняются, начиная с 15, в порядке увеличения суммы п + /, а при одинаковых значениях суммы п + I АО заполняются в порядке увеличения п

Отметим, что одному и тому же сочетанию значений nwl могут отвечать несколько атомных орбиталей, различающихся значениями магнитного квантового числа т. Например, 2р-электрон может находиться в любой из трех ячеек с т> равным -1,0 или +1:

Во всех этих трех случаях электрон будет иметь одну и ту же энергию, но pars- ные волновые функции (АО). В таких случаях говорят, что состояние электрона вырождено. В данном случае оно трижды вырождено, т.е. три состояния

имеют одинаковую энергию. Если в атоме появляется второй р-электрон, то межэлектронное отталкивание будет минимальным, если оба электрона находятся в разных ячейках и имеют одинаковые спины. В общем случае при определении электронной конфигурации основного состояния атома удобно пользоваться правилом Хунда: минимальной энергии отвечает максимальный суммарный спин.

Например, основному состоянию атома азота отвечает электронная конфигурация:

Указанные принципы позволяют легко определить электронную конфигурацию любого атома; для основных состояний электронные конфигурации атомов приведены в табл. 2.3.

Электронные конфигурации атомов инертных газов выделены серым фоном; для всех последующих атомов указаны лишь те электроны, которые вхо-

Таблица 23

Электронные конфигурации атомов в основном состоянии

Атомный

номер

Атом

Конфигурация

3 O-

S S o 2

H X <

Atom

Конфигурация

Атомный

номер

Атом

Конфигурация

3 dG4s2

4d'°5s25p3

Не

Is2

3d74s2

Те

4rf'°5s25p4

2s1

3d4s2

4d'°5s25p3

2s2

3d'4s'

4d'°5s25p6

2s22p'

3 d'°4s2

6s'

2s22p2

3 d'°4s24p'

6s2

2s22p'

3d'°4s24p2

5d'6s2

2s12pi

3dl04s24p3

2s22p5

3dm4s24pt

4/145«f26s2

2s22p6

3d'"4s24pr’

Та

4/H5<7i6.v2

3s'

3d'°4s24p6

4/'4546s2

3s2

5s'

Af"5dr‘6s2

З.тЗр'

5s2

4/H5(i6s2

3s23p2

4d'5s2

4/14576s2

3s23p3

4d25s2

4/l45(796sl

З.г'3/P

Ad'Ss'

4fu5d'%s'

3s23p5

4d55s'

4/145(7‘°6s2

3s23pfi

4d65s'

4/l45,06s26pl

4s1

4d75s'

4/'45106s26p2

4s2

4ds5s'

4/l45106s26p3

3d'4s2

Pel

4d'°

4/M5('/l06.v26/P

3d24s2

4d'°5s'

4/l45l06s26p5

3d4s2

4d'°5s2

4/145l06s26p6

3 d4s'

4d'°5s25p'

7.V1

3d2 As1

4d'°5s25p2

Is1

6 d'ld2

дят в их состав сверх конфигурации предшествующего инертного газа. Сведения об электронных конфигурациях лантаноидов (атомные номера 58—71) и актиноидов (90—103) приведены в параграфах 30.1 и 30.2.

Энергия электронов, находящихся на различных орбиталях атома, которую для краткости принято называть энергией атомных орбиталей, показана на рис. 2.13 в зависимости от атомного номера.

Рис. 2.13. Зависимость энергии атомных орбиталей от атомного номера

При Z = 1 (атом водорода) число энергетических уровней соответствует числу значений п. При Z > 1 (многоэлектронные атомы) уровни расщепляются на подуровни с разными значениями /, причем энергия подуровней увеличивается в порядке возрастания /. Хотя ход отдельных кривых довольно сложен, но в целом он разумно объясняется в терминах эффективных зарядов таким же образом, как и различие 2s- и 2р-подуровней.

Возвращаясь к литию, отметим, что этот элемент в какой-то степени аналогичен водороду из-за того, что его атом содержит один 25-электрон, и литий легко образует ион Li+. Однако первый потенциал ионизации лития /,(Li) = 5,39 эВ существенно меньше, чем у водорода, здесь уже сказывается рост главного квантового числа (вспомним формулу (2.2)). Поэтому литий легко реагирует с большинством неметаллов, хорошо растворяется в кислотах, теряя электрон и переходя в ион Li+, т.е. проявляет свойства типичного активного металла.

Второй потенциал ионизации лития /2(Li) = 75,7 эВ очень велик, так как его 15-электроны расположены гораздо ближе к ядру, чем 25-электрон (см. рис. 2.10). На этом примере хорошо видно, что электроны внутренних замкнутых слоев не распространяются на периферию атома и настолько прочно связаны с ядром, что, как правило, непосредственно не затрагиваются в химических процессах. В химии существует разделение электронов на внешние или валентные и внутренние или остовные. «Химическая» роль последних сводится к участию в формировании эффективного заряда, действующего на валентные электроны.

Авторы: Суворов Андрей, Никольский Алексей

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎