Правило Гунда.

Заполнение ячеек электронами происходит по правилу Гунда, согласно которому в пределах подуровня электроны располагаются сначала каждый в отдельной ячейке (в виде так называемых «холостых» — валентных электронов), затем, когда все ячейки данного подуровня окажутся занятыми, начинается уплотнение электронов вновь поступающими, т. е. их «спаривание». Иначе говоря, электроны в пределах данного подуровня <(s, p, d, f) заполняются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Так, например, если в трех р-ячейках (атома азота, стр. 200) необходимо распределить три электрона, то они будут располагаться каждый в отдельной ячейке: — в этом случае суммарный спин равен 3/2, т. е. =3/2, но не так - когда суммарный спин =1/2. Сложение спинов производится по правилу сложения векторов, так как спин электрона, определяющий величину собственного момента количества движения электрона, является вектором.

Следовательно, заполнение энергетических уровней в атомах происходит таким образом, что при обычном состоянии атомов в первую очередь заполняются наиболее низкие энергетические уровни. В целом, строение электронных оболочек атомов тесно связано с периодической системой элементов (табл. 17).

Чем ближе к ядру концентрируется электронная плотность, тем прочнее связан электрон. Электроны каждого следующего уровня находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего уровня. Поэтому, когда электроны расположены в первом, ближайшем к ядру, квантовом слое, атом характеризуется минимальным запасом энергии. Напротив, если электроны находятся в наиболее удаленном от ядра седьмом квантовом слое, атом обладает наибольшим запасом энергии.

Можно вычислить число электронов на различных орбитах атомов и классифицировать их по строению электронных оболочек. Если побочное квантовое число равняется l, тогда за счет различия магнитного квантового числа возможно 2l+1 спинов каждое состояние может еще удвоиться. В итоге при каждом главном квантовом числе n может быть по 2(2l+1) электронов с различными квантовыми числами l.

Следовательно, на первом уровне могут быть только s-электроны; число их не может быть больше двух; на втором уровне (s и р-электроны) может быть 2+6=8 электронов; на третьем уровне (s-, p- и d-электроны) может быть 2+6+10=18 электронов; на четвертом уровне (s-, p-, d- и f-электроны) может быть 2+6+10+14=32 электрона.

Числа 2, 8, 18 и 32 соответствуют длине периодов периодической системы Д. И. Менделеева: I период — 2 элемента, II и III — по 8, IV и V — по 18, VI — 32 и VII — не законченный.

В табл. 18 показано заполнение электронами энергетических уровней.

Из табл. 18 видно, что на 1, 2, 3 и 4-ом энергетических уровнях может максимально находиться соответственно 2, 8, 18 и 32 электрона.

По числу энергетических уровней в электронной оболочке атома элементы делятся на семь периодов. Первый период состоит из атомов, в которых электронная оболочка состоит из одного энергетического уровня, во втором периоде — из двух, в третьем — из трех, в четвертом — из четырех и т. д. Каждый новый период начинается тогда, когда начинает заполняться новый квантовый уровень.

Таблица 17. Распределение электронов в атомах

Продолжение табл. 17

Таблица 18. Максимальное число электронов на различных энергетических уровнях в атомах

В периодической системе каждый период начинается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют один электрон, — атомами щелочных металлов — и заканчивается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют 2 или 8 электронов, — атомы благородных газов.

Квантовая механика показала, что представление о движении электрона вокруг ядра по определенным плоским орбитам следует считать несостоятельным.

Электрон, обладая свойствами частицы и волны, движется вокруг ядра по сфере, удаленной от ядра на некоторое расстояние, образуя электронное облако, форма которого в s-, p-, d- и f-состояниях различна.

Плотность электронного облака в той или иной части атомного объема неодинакова и определяется вероятностью пребывания электрона. Форма электронного облака зависит от значения побочного квантового числа l. При l=0 (s-состояние) электронное облако имеет шаровидную форму (шаровидную симметрию), не обладает направленностью в пространстве, электронная плотность является функцией изменения радиуса. При l=1 (р-состояние) электронное облако имеет форму гантели (объемной восьмерки), расположенной по координатным осям по разные стороны от ядра. В магнитном поле гантель может ориентироваться в пространстве в трех различных положениях, так как в случае l=1 m может иметь следующие 3 значения: +1, 0, —1. Поэтому электронные облака вытянуты по координатным осям x, у и z, причем ось каждого из них перпендикулярна двум другим. Электронные облака d- и f-электронов более сложны.