Энергетические подуровни - раздел Химия, Основы неорганической химии Орбитальное Квантовое Число L Фор...

Согласно пределам изменений орбитального квантового числа от 0 до (n-1), в каждом энергетическом уровне возможно строго ограниченное число подуровней, а именно: число подуровней равно номеру уровня.

Сочетание главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел полностью характеризует энергию электрона. Запас энергии электрона отражается суммой (n+l).

Так, например, электроны 3d-подуровня обладают более высокой энергией, чем электроны 4s-подуровня:

Порядок заполнения уровней и подуровней в атоме электронами определяется правилом В.М. Клечковского: заполнение электронных уровней атома происходит последовательно в порядке возрастания суммы (n+1).

В соответствии с этим определена реальная энергетическая шкала подуровней, по которой построены электронные оболочки всех атомов:

1s ï 2s2p ï 3s3p ï 4s3d4p ï 5s4d5p ï 6s4f5d6p ï 7s5f6d…

3. Магнитное квантовое число (m l) характеризует направление электронного облака (орбитали) в пространстве.

Чем сложнее форма электронного облака (т.е. чем выше значение l), тем больше вариаций в ориентации данного облака в пространстве и тем больше существует отдельных энергетических состояний электрона, характеризующихся определенным значением магнитного квантового числа.

Математически m l принимает целочисленные значения от -1 до +1, включая 0, т.е. всего (21+1) значений.

Обозначим каждую отдельную атомную орбиталь в пространстве как энергетическую ячейку ð, тогда число таких ячеек в подуровнях составит:

Подуро-вень	Возможные значения m l	Число отдельных энергетичес-ких состояний (орбиталей, ячеек) в подуровне
s (l=0)		одно
p (l=1)	-1, 0, +1	три
d (l=2)	-2, -1, 0, +1, +2	пять
f (l=3)	-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	семь

Например, шарообразная s-орбиталь однозначно направлена в пространстве. Гантелеобразные орбитали каждого p-подуровня ориентируются по трем осям координат

4. Спиновое квантовое число m s характеризует собственное вращение электрона вокруг своей оси и принимает всего два значения:

p- подуровень + 1 / 2 и – 1 / 2 , в зависимости от направления вращения в ту или другую сторону. Согласно принципу Паули, в одной орбитали может расположиться не более 2 электронов с противоположно направленными (антипараллельными) спинами:.

Такие электроны называютсяспаренными.Неспаренныйэлектрон схематически изображается одной стрелкой:.

Зная емкость одной орбитали (2 электрона) и число энергетических состояний в подуровне (m s), можно определить количество электронов в подуровнях:

Можно записать результат иначе: s 2 p 6 d 10 f 14 .

Эти цифры необходимо хорошо запомнить для правильного написания электронных формул атома.

Итак, четыре квантовых числа – n, l, m l , m s – полностью определяют состояние каждого электрона в атоме. Все электроны в атоме с одинаковым значением n составляют энергетический уровень, с одинаковыми значениями n и l – энергетический подуровень, с одинаковыми значениями n, l и m l – отдельную атомную орбиталь (квантовую ячейку). Электроны одной орбитали отличаются спинами.

Учитывая значения всех четырех квантовых чисел, определим максимальное количество электронов в энергетических уровнях (электронных слоях):

Большие количества электронов (18,32) содержатся только в глубоко лежащих электронных слоях атомов, внешний электронный слой может содержать от 1 (у водорода и щелочных металлов) до 8 электронов (инертные газы).

Важно помнить, что заполнение электронами электронных оболочек происходит по принципу наименьшей энергии : сначала заполняются подуровни с минимальным значением энергии, затем с более высокими значениями. Эта последовательность соответствует энергетической шкале подуровней В.М. Клечковского.

Электронную структуру атома отображают электронные формулы, в которых указываются энергетические уровни, подуровни и число электронов в подуровнях.

Например, у атома водорода 1 H всего 1 электрон, который располагается в первом от ядра слое на s-подуровне; электронная формула атома водорода 1s 1 .

У атома лития 3 Li всего 3 электрона, из них 2 находятся в s-подуровне первого слоя, а 1 помещается во второй слой, который также начинается s-подуровнем. Электронная формула атома лития 1s 2 2s 1 .

Атом фосфора 15 P имеет 15 электронов, расположенных в трех электронных слоях. Помня, что s-подуровень содержит не более 2 электронов, а p-подуровень содержит не более 6, постепенно размещаем все электроны по подуровням и составляем электронную формулу атома фосфора: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .

При составлении электронной формулы атома марганца 25 Mn необходимо учесть последовательность возрастания энергии подуровней: 1s2s2p3s3p4s3d…

Распределяем постепенно все 25 электронов Mn: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 .

Окончательная электронная формула атома марганца (с учетом удаленности электронов от ядра) выглядит так:

1s 2

2s 2 2p 6

3s 2 3p 6 3d 5

4s 2

Электронная формула марганца полностью соответствует положению его в периодической системе: число электронных слоев (энергетических уровней) – 4 равно номеру периода; во внешнем слое 2 электрона, предпоследний слой не завершен, что характерно для металлов побочных подгрупп; общее количество подвижных, валентных электронов (3d 5 4s 2) – 7 равно номеру группы.

В зависимости от того, какой из энергетических подуровней в атоме –s-, p-, d- или f- застраивается в последнюю очередь, все химические элементы подразделяются на электронные семейства: s-элементы (H, He, щелочные металлы, металлы главной подгруппы 2-й группы периодической системы); p-элементы (элементы главных подгрупп 3, 4, 5, 6, 7, 8-й групп периодической системы); d-элементы (все металлы побочных подгрупп); f- элементы (лантаноиды и актиноиды).

Электронные структуры атомов являются глубоким теоретическим обоснованием структуры периодической системы, длина периодов (т.е. количество элементов в периодах) непосредственно вытекает из емкости электронных слоев и последовательности возрастания энергии подуровней:

Каждый период начинается s-элементом со структурой внешнего слоя s 1 (щелочной металл) и заканчивается p-элементом со структурой внешнего слоя …s 2 p 6 (инертный газ). I-й период содержит только два s-элемента (H и He), II-й и III-й малые периоды содержат по два s-элемента и шесть p-элемента. В IV-м и V-м больших периодах между s- и p-элементами «вклиниваются» по 10 d-элементов – переходных металлов, выделенных в побочные подгруппы. В VI и VII периодах к аналогичной структуре добавляется еще по 14 f-элементов, по свойствам близких соответственно лантану и актинию и выделенных в виде подгрупп лантаноидов и актиноидов.

При изучении электронных структур атомов обратите внимание на их графическое изображение, например:

13 Аl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

применяют оба варианта изображения: а) и б):

Для правильного расположения электронов на орбиталях необходимо знать правило Гунда: электроны в подуровне располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Иными словами, электроны прежде по одному занимают все свободные ячейки данного подуровня.

Например, если необходимо разместить три p-электрона (p 3) в p-подуровне, который всегда имеет три орбитали, то из двух возможных вариантов правилу Гунда отвечает первый вариант:

В качестве примера рассмотрим графическую электронную схему атома углерода:

6 C·1s 2 2s 2 2p 2

Количество неспаренных электронов в атоме – очень важная характеристика. Согласно теории ковалентной связи, только неспаренные электроны могут образовывать химические связи и определяют валентные возможности атома.

Если в подуровне имеются свободные энергетические состояния (незанятые орбитали), атом при возбуждении «распаривает», разъединяет спаренные электроны, и его валентные возможности повышаются:

6 C· 1s 2 2s 2 2p 3

Углерод в нормальном состоянии 2-х-валентен, в возбужденном – 4-х-валентен. Атом фтора не имеет возможностей для возбуждения (т.к. все орбитали внешнего электронного слоя заняты), поэтому фтор в своих соединениях одновалентен.

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение. Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9-0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m l ). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m l) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму (рис. 1). Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (n, l, m 1 и m 5).

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Основные законы и понятия химии
Раздел химии, рассматривающий количественный состав веществ и количественные соотношения (массовые, объемные) между реагирующими веществами, называется стехиометрией. В соответствии с этим,

Химическая символика
Современные символы химических элементов были введены в 1813 г. Берцелиусом. Элементы обозначаются начальными буквами их латинских названий. Например, кислород (Oxygenium) обозначается буквой О, се

Латинские корни некоторых элементов
Порядковый номер в таблице периодической системы Символ Русское название Латинский корень

Групповые названия элементов
Название группы элементов Элементы группы Благородные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Галогены

Названия наиболее часто употребляемых кислот и кислотных остатков
Формулы кислоты Название кислоты Формула кислотного остатка Название кислотного остатка Кислородные кислоты

Получение кислот
1 . Взаимодействие кислотных оксидов (большинства) с водой: SO3 + Н2О=H2SO4; N2O5 + Н2

Номенклатура неорганических соединений (по правилам ИЮПАК)
ИЮПАК – международный союз теоретической и прикладной химии. Правила ИЮПАК 1970 г. являются международной моделью, по которой создаются номенклатурные правила для химических соединений на языке соо

Первые модели атома
В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909г. Р. Малликен определил его заряд, который равен 1,6 · 10-19 Кл. Масса электрона составляет 9,11 · 10-28 г. В

Атомные спектры
При нагреве вещество испускает лучи (излучение). Если излучение имеет одну длину волны, то оно называется монохроматическим. В большинстве же случаев излучение характеризуется неско

Кванты и модель Бора
В 1900 г. М. Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и испускают энергию дискретными порциями, названными им квантами. Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения (ко

Двойственная природа электрона
В 1905 г. А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую

Значения квантовых чисел и максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях
Квантовый Магнитное квантовое число ml Число кванто-вых состояний (орбиталей) Максимальное число электронов  

Изотопы водорода
Изотоп Заряд ядра (порядковый номер) Число элект-ронов Атомная масса Число нейтронов N=A-Z Протий

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и электронная структура атомов
Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последую­щего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдущ

Электронные конфигурации элементов первых двух периодов
Атом-ный номер Элемент Электрон-ные кон-фигурации Атом-ный номер Элемент Электрон-ные кон-фигурации

Электронные конфигурации элементов
Пе-риод Поряд-ковый номер Эле-мент Элект-ронная конфи-гурация Пе-риод Поряд-ковый номер Эле-мент

Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодиче­ски, то соответственно периодически изменяются и свойства элемен­тов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,

Электроотрицательность элементов по Полингу
Н 2,1 &

Степени окисления мышьяка, селена, брома
Элемент Степень окисления Соединения высшая низшая

Сокращенные и полные уравнения ядерных реакций
Сокращенные уравнения Полные уравнения 27Al(p,

Определение химической связи
Свойства веществ зависят от их состава, строения, от типа химической связи между атомами в веществе. Химическая связь имеет электрическую природу. Под химической связью понимают вид

Ионная связь
При образовании любой молекулы, атомы этой молекулы «связываются» друг с другом. Причина образования молекул состоит в том, что между атомами в молекуле действуют электро­статические силы. Образова

Ковалентная связь
Химическая связь, осуществляемая за счет перекрывания элек­тронных облаков взаимодействующих атомов, называется кова­лентной связью. 4.3.1. Неполярная ковале

Метод валентных связей (МВС, ВС)
Для глубокого понимания сущности ковалентной связи, характера распределения электронной плотности в молекуле, принципов построения молекул простых и сложных веществ необходим метод валентных связей

Метод молекулярных орбиталей (ММО, МО)
Хронологически метод МО появился позже метода ВС, по­скольку оставались в теории ковалентной связи вопросы, кото­рые не могли получить объяснение методом ВС. Укажем некото­рые из них. Как

Основные положения ММО, МО
1. В молекуле все электроны являются общими. Сама молекула - это единое целое, совокупность ядер и электронов. 2. В молекуле каждому электрону соответствует молекулярная орбиталь, подобно

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул
Тип молекулы Исходные орбитали атома А Тип гибридизации Число гиб-ридных ор-биталей атома А Пр

Металлическая связь
Само название говорит, что речь пойдет о внутренней структуре металлов. Атомы большинства металлов на внешнем энергетиче­ском уровне содержат небольшое число электронов. Так, по одному электрону со

Водородная связь
Водородная связь - это своеобразная химическая связь. Она возникает между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент. Такими элементами являют­ся фтор, кислор

Взаимодействия между молекулами
При сближении молекул появляется притяжение, что обусловли­вает возникновение конденсированного состояния вещества. К основ­ным видам взаимодействия молекул следует отнести вандерваальсовы силы, во

Вклад отдельных составляющих в энергию межмолекулярного взаимодействия
Ве-щест-во Элект-ричес-кий момент диполя, D Поля-ризуе-мость, м3∙1030 Энергия взаимодействия, кДж/м

Общие понятия
При протекании химических реакций изменяет­ся энергетическое состояние системы, в которой идет эта реакция. Состояние системы характеризуется термодинами-ческими парамет­рами (р, Т, с и др.)

Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики
При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощение

Энтальпия системы. Тепловые эффекты химических реакций
Теплота Q и работа A функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях А - это работа против внешнег

Термохимические расчеты
Термохимические расчеты основаны на законе Гесса, позволяющее рассчитать энтальпию химической реакции: тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ

Стандартные теплоты (энтальпии) образования
некоторых веществ Вещест-во

Химическое сродство. Энтропия химических реакций. Энергия Гиббса
Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождаю­щиеся не только выделением, но и поглощением теплоты. Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температу

Второй и третий законы термодинамики
Для систем, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом (изолированные системы), второй закон термодинамики имеет следующую формулировку: в изолированных системах са­мо

Понятие о скорости химических реакций
Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (в случае гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (в

Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов
Чтобы атом и молекулы смогли вступить в реакцию, необходимо их столкновение друг с другом, так как силы химического взаимодействия действуют только на очень малом расстоянии. Чем больше молекул реа

Влияние температуры на скорость реакции
Зависимость скорости реакции от температуры определя-ется правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повыше-нии температуры на каждые 10 градусов скорость большин-ства реакций увеличивается в 2-

Энергия активации
Быстрое изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Почему нагревание вызывает столь значительное ускорение химических превращений? Для ответа на этот вопрос нуж

Понятие о катализе и катализаторах
Катализом называется изменение скорости химических реакций в присутствии веществ – катализаторов. Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость реакции за счет участия в промежуточном хим

Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
Реакции, которые протекают в одном направлении и идут до конца, называются необратимыми. Их не так много. Большинство реакций являются обратимыми, т.е. они протекают в противоположных направ

Способы выражения концентрации растворов
Концентрацией раствора называется содержание раство­ренного вещества в определенной массе или известном объеме раствора или растворителя. Различают массовую, молярную (мольно-объемную), мо

Коллигативные свойства растворов
Коллигативными являются свойства растворов, которые зависят от концентрации и практически не зависят от природы растворенных веществ. Они также называются общими (коллективными). Т

Растворы электролитов
Примерами растворов электролитов могут служить растворы щелочей, солей и неорганических кислот в воде, растворы ряда солей и жидком аммиаке и некоторых органических растворителях, например ацетонит

В растворах при 298 К
Концентрация, моль/1000г Н2О Коэффициент активности для электролитов NaCl KCl NaOH KOH

Гидролиз солей
Химическое обменное взаимодействие ионов растворен-ной соли с водой, приводящее к образованию слабодисcоци-ирующих продуктов (молекул слабых кислот или оснований, анионов кислых или катионов основн

Константы и степени диссоциации некоторых слабых электролитов
Электролиты Формула Численные значе-ния констант диссоциации Степень диссо-циации в 0,1 н. растворе, % Азотистая кислот

Процессы
Окислительно-восстановительными называют реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

Валентности и степени окисления атомов в некоторых соединениях
Моле-кула Ион-ность связи, % Атом Кова-лент-ность Электро-валент-ность Валент-ность: v = ve

Окислительно-восстановительные реакции
Рассмотрим основные положения теории окислительно-восстановительных реакций. 1. Окислением называют процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. Степень окисления при этом

Важнейшие восстановители и окислители
Восстановители Окислители Металлы, водород, уголь Оксид углерода (II) СО Сероводород H2S, сульфид натрия Na2S, оксид се

Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций
Для составления уравнений окислительно-восстанови-тельных реакций и определения коэффициентов применяют два метода: метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций).

Определение комплексных соединений
Такие соединения, как оксиды, кислоты, основания, соли образованы из атомов в результате возникновения между ними химической связи. Это соединения обычные, или соединения первого по

Лиганды
К числу лигандов относятся простые анионы, та­кие как F-, СI-, Вr-, I-, S2-, сложные анионы, например CN– , NCS – , NO

Номенклатура комплексных соединений
Название комплекс­ного катиона записывается одним словом, начинающимся с названия отрицательного лиганда с прибавлением буквы «о», затем приводятся нейтральные молекулы и центральный атом с указани

Диссоциация комплексных соединений
Комплексные соединения - неэлектролиты в водных растворах диссоциации не подвергаются. У них отсутствует внешняя сфера комплекса, например: , }