§ 1.4. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ

Размещение электронов в атомах.

Если атом находится в основном (невозбужденном) состоянии, то его электроны занимают самые низкие по энергиям орбитали. Однако энергия орбиталей в многоэлектронных атомах зависит не только от притяжения электронов к ядру, но и отталкивания его от остальных электронов. В многоэлектронном атоме внутренние электронные уровни экранируют (заслоняют) электроны, расположенные на внешних энергетических уровнях, от действия заряда ядра. Поэтому энергия притяжения электронов внешнего уровня к ядру меньше энергии притяжения электронов внутренних уровней. Взаимное влияние электронов друг на друга вызывает изменение последовательности возрастания энергии орбиталей по сравнению с последовательностью возрастания энергии орбиталей в атоме водорода.

Согласно правилу Клечковского, заполнение энергетических уровней происходит в порядке возрастания суммы чисел а при равных значениях — в порядке возрастания

Схема относительного расположения энергетических уровней в многоэлектронных атомах приведена на рис. 1.6.

Так, значению соответствуют энергетические подуровни

т. е. тот порядок, в котором они располагаются на энергетической шкале. Заметим, что орбитали близки по энергии.

Рис. 1.6. Схема относительного расположения уровней энергии в многоэлектронных атомах

Исключения из правила Клечковского наблюдаются для элементов с полностью или наполовину заполненными и -подуровнями. Так, у Си электронной конфигурации отвечает меньшая энергия, чем конфигурации (символ показывает, что строение внутренних электронных уровней такое же, как в аргоне). На З-поду-ровне находится 10 (во втором случае 9) электронов, а на -подуровне — один электрон (во втором случае 2). Первая конфигурация отвечает основному состоянию, вторая — возбужденному.

Принцип Паули.

Поведение электронов в атомах подчиняется принципу запрета, сформулированному в швейцарским ученым В. Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковыми все четыре квантовых числа.

Согласно принципу Паули, на одной орбитали, характеризуемой определенными значениями трех квантовых чисел могут находиться только два электрона, отличающихся значением спинового квантового числа а именно . Действительно, если то могут иметь только нулевые значения. Поэтому электроны с могут отличаться только значением спинового квантового числа. Следовательно, на первом энергетическом уровне могут находиться только два электрона. Условно электронную конфигурацию этого уровня записывают следующим образом:

На втором энергетическом уровне электроны занимают два подуровня: . На одной -орбитали и трех -орбиталях второго уровня может находиться восемь электронов:

Электроны в подуровне отличаются значением магнитного квантового числа На третьем энергетическом уровне кроме -подуровней имеется d-подуровень При этом значения следующие: Соответственно

в этих пяти энергетических ячейках может разместиться 10 электронов. На -подуровне при может максимально разместиться 14 электронов и т. д.

Из принципа Паули вытекает следствие: максимально возможное число электронов на каждом энергетическом уровне равно удвоенному значению квадрата главного квантового числа:

Энергетические уровни и подуровни, которые содержат максимально допустимое число электронов, называют замкнутыми. Замкнутый -подуровень содержит два электрона, замкнутый -подуровень содержит шесть электронов, в замкнутом d-подуровне находится десять электронов, в замкнутом -подуровне электронов и т. д.

Электронную конфигурацию атома изображают следующим образом: каждому энергетическому уровню соответствует определенное главное квантовое число , обозначаемое арабской цифрой; за каждой цифрой следует буква, соответствующая энергетическому подуровню и обозначающая орбитальное квантовое число. Верхний индекс у буквы показывает число электронов, находящихся в подуровне. Например, электронную конфигурацию атома натрия отражает следующая формула: . Эта запись показывает, что — подуровни содержат по два электрона; подуровень — электронов и подуровень — один электрон.

Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням в атомах, находящихся в основном состоянии, приведено в табл. 1.1.

Правило Хунда.

При заполнении электронами энергетических подуровней соблюдается правило Хунда: в данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным. Рассмотрим распределение электронов по энергетическим ячейкам в атоме углерода, электронная конфигурация которого Согласно принципу Паули, его можно изобразить двояко:

В обоих вариантах спиновое число и -электронов равно нулю (спины электронов антипараллельны в каждой энергетической ячейке). Суммарное спиновое число -электронов в варианте в варианте . В соответствии с правилом Хунда реализуется только вариант

Таблица 1.1. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням (см. скан)