Характеристика состояния электрона квантовыми числами

 

Главное квантовой число n в значительной степени определяет значение энергии электрона в атоме и размеры электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные значения от 1 до бесконечности. С ростом n возрастают размеры электронного облака и энергия электронов.

Совокупность электронов, характеризующихся одним и тем же значением главного квантового числа, называют электронным слоем.

Второе квантовое число (ℓ), называемое орбитальным (побочным, в иностранной литературе – азимутальным) квантовым числом, характеризует энергию электрона внутри слоя (уровня) и определяет форму электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные значения, начиная с нуля, но имеет ограничение: при данном значении главного квантового числа n величина ℓ не может превысить значение (n-1). На практике побочное квантовое число чаще обозначается буквами:

ℓ =0,1,2,3,4,…,n-1

s,p,d,f,g…

Совокупность электронов в одним и тем же значением побочного квантового числа называют электронной оболочкой (подуровнем).

Третье квантовое число (m ℓ), называемое магнитным, определяет ориентацию орбитали в пространстве. Орбиталь же образуется совокупность электронов с одним и тем же значением магнитного квантового числа, её традиционно обозначают клеточкой (квантовая ячейка). При данном значении ℓ, магнитное квантовое число принимает значения:

1,2,3,4,…,L

m ℓ =0

-1,-2,-3,-4,…-L

Общее число значений составляет(2 ℓ +1).

У электронов есть и четвертая квантовая характеристика – спиновое квантовое число mS, отражающее четвертую координату нашего мира – время. Спиновое квантовое число принимает (в единицах атомного мира) лишь два значения: +½и -½. Договоримся считать значение +½больше значения -½и будем обозначать электроны со спином +½стрелочкой ↑, а электроны со спином -½– стрелочкой ↓.

Четыре квантовых числа есть полная и однозначная характеристика состояния электрона в атоме. Более того, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел (Принцип Паули). Это – основной закон мира электронов. Принцип Паули позволяет рассчитать максимальное число электронов в слое, оболочке и на орбитали.

Орбиталь характеризуется постоянным значением m ℓ. Это возможно лишь при известном значении ℓ, что в свою очередь требует постоянства значения n. Таким образом, для орбитали изменяется только спиновое квантовое число, отсюда следует, что на орбитали может быть максимально два электрона и они в соответствии с принципом Паули обязательно должны иметь противоположные спины: ↑↓.Если на орбитали находится один электрон, то его состояние регулируется правилом Хунда: суммарный спин электронов оболочки должен быть максимальным. Таким образом, в рамках принятых договоренностей единственный электрон на орбитали имеет спиновое квантовое число +½

 

. 2Правила и принципы заполнения электронных орбиталей электронами в атомах. Паули.Хунда

Заполнение электронами атомных орбиталей (АО) подчиняется трём правилам:

1. Принцип минимальной энергии (принцип устойчивости). Орбитали заполняются, начиная с имеющих самую низкую энергию, в порядке её повышения. Такое состояние называется основным. В этом случае энергия атома является минимальной, а устойчивость — максимальной.

Как выяснилось, в повышении энергии АО имеется закономерность, которая определяется с помощью правила Клечковского: ниже по энергии находится та орбиталь, для которой сумма значений главного и орбитального квантовых чисел (n+l) минимальна. Например, орбиталь 4s, для которой n+l = 4+0 = 4, заполняется раньше, чем 3d, где сумма n+l = 3+2 = 5. При равенстве сумм ниже по энергии находится орбиталь с меньшим значением главного кантового числа. Так, орбиталь 3d имеет более низкую энергию, чем4р.

Обычный порядок заполнения атомных орбиталей имеет следующий вид:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f =5d < 6p < 7s < 5f=6d …

2. Принцип Паули. Согласно этому принципу (запрету), в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми наборами значений квантовых чисел n, l, ml, ms. На любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют антипараллельные спины.

3. Правило Хунда (Гунда). В каждом квантовом слое одноимённые орбитали (орбитали одного подуровня) вначале заполняются однократно электронами с параллельными спинами, с тем, чтобы суммарный спин атома был максимальным; лишь после этого начинается спаривание электронов.

Эти три правила характеризуют электронную конфигурацию атомов различных элементов в основном состоянии. Электроны внешнего энергетического уровня иногда называют валентными электронами. Г.Н.Льюис предложил изображать валентные электроны с помощью точек, которые ставятся рядом с химическим знаком элемента:

Такие обозначения получили название символов Льюиса.

Любая атомная орбиталь, в том числе и валентная, может иметь только три состояния:

- орбиталь не занята электронами — свободная или вакантная орбиталь;

- орбиталь занята одним электроном (неспаренный электрон), спин не компенсирован;

- орбиталь занята парой электронов с компенсированными спинами (неподелённой электронной парой).

Приведённые выше изображения атомных орбиталей (рис. 1-5) и соответствующие им наборы квантовых чисел справедливы, независимо от того, имеется ли на них неспаренный электрон, неподелённая электронная пара или не содержится ни одного электрона.

Если атом в пределах одного квантового слоя имеет неподелённую электронную пару и свободную орбиталь, он может переходить в возбуждённое состояние, переводя один электрон на следующий подуровень с изменением спина. У химического знака атома в возбуждённом состоянии ставится звёздочка (*), например, С*.

Очень важными характеристиками атома являются его магнитные свойства, в частности — диамагнетизм и парамагнетизм. Парамагнитными называются частицы, имеющие неспаренные электроны (некомпенсированные спины) и обладающие собственным магнитным моментом. Они взаимодействуют с внешним магнитным полем (втягиваются в него). Диамагнитные частицы не имеют неспаренных электронов, все их спины компенсированы. У них отсутствует собственный магнитный момент, потому они не взаимодействуют с магнитным полем