При химических реакциях ядра атомов не изменяются, поэтому химические свойства элементов полностью определяются свойствами электронов, т.е. строением электронной оболочки атома.
Электронная оболочка – совокупность всех электронов атома.
Число электронов в атоме равно заряду ядра и порядковому номеру элемента. Движение электронов в атоме описывают с помощью квантовой механики, которая вводит понятие орбиталей. Каждый электрон в атоме находится на своей орбитали.
Орбиталь – это часть электронного облака, создаваемого электронами при движении в атоме.
Электронная орбиталь – область вокруг ядра, в пределах которой наиболее вероятно нахождение электрона.
Иными словами, орбиталь характеризует область пространства, где чаще всего находится электрон. Такая формулировка связана с двойственной природой электрона, который проявляет свойства и частицы и волны. Волна отличается от частицы тем, что ее положение в пространстве в данный момент времени нельзя точно определить. В силу этого электрон может находится в любой части околоядерного пространства, но вероятность его пребывания в разных частях этого пространства неодинакова.
Распределение электронов в атоме называют электронной конфигурацией.
Ее можно записывать двумя способами:
1. упрощенно, показывая только общее число электронов на каждом энергетическом уровне;
2. подробно, характеризуя число электронов на каждой занятой орбитали.
Энергетический уровень – совокупность электронов с близкими значениями энергии. Потенциальная энергия Е увеличивается при удалении от ядра.
Для того чтобы описать оба способа, необходимо понимание квантового числа.
Состояние каждого электрона и свойства его орбитали определяются квантовыми числами.
Всего их пять. Первые три характеризуют свойства орбитали, на которой находится электрон, два других – индивидуальные свойства электрона.
1. Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбитали (номер энергетического уровня).
Оно может принимать любые натуральные значения, начиная с единицы: n=1, 2, 3…
Совокупность всех орбиталей с одним и тем же значением n называют энергетическим уровнем или энергетической оболочкой.
У каждого элемента число энергетических уровней, на которых есть электроны, равно номеру периода в Периодической системе.
2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму электронной орбитали.
При данном главном квантовом числе n, орбитальное квантовое число может принимать любые целые значения от 0 до n-1: l=0, 1, 2, 3…n-1, всего n разных значений.
Орбитали с l=0 называют s-орбиталями,
l=1 называют p-орбиталями,
l=2 называют d-орбиталями,
l=2 называют f-орбиталями.
Совокупность всех орбиталей с одинаковыми значениями n и lназывают подуровнем, например 3s-подуровень, 4p-подуровень и т.д.
3. Магнитное квантовое число ml характеризует ориентацию орбитали в пространстве.
При заданном числе l оно может принимать любые целые значения от –l до +l, включая 0:
ml= - l, -l+1,…, 0, l-1, l
всего (2l+1) значений.
При l=0(s-орбитали) возможно единственное квантовое число ml, т.е. ml=0. Следовательно, на любом s-подуровне есть только одна s-орбиталь.
При l=1(p-орбитали) возможно три значения магнитного квантового числа: ml= -1, 0, +1. Следовательно, каждый p-подуровень включает три p-орбитали. Аналогично, d-подуровни содержат по 5 d-орбиталей, а f-подуровни по 7 f-орбиталей.
4. Спин S – собственный момент импульса электрона.
Это собственное внутреннее свойство электрона, которое не связано с движением в пространстве. Спин каждого электрона равен S=1/2.
5. Магнитное спиновое число ms – проекция спина на ось z. Она может иметь лишь два значения ms=±1/2.
Поскольку спин электрона S – величина постоянная, его обычно не включают в набор квантовых чисел, характеризующих движение электрона в атоме и говорят о четырех квантовых числах – тех, которые могут принимать разные значения.
Распределение электронов в атоме по орбиталям называют электронной конфигурацией атома.
Оно определяется тремя принципами.
Если на орбитали находится только один электрон, то его называют неспаренным.
2. Принцип наименьшей энергии определяет последовательность заполнения орбиталей электронами: при составлении электронной конфигурации атома или иона необходимо заполнять электронами свободные орбитали с наименьшей энергией. Атом с такой электронной конфигурацией находится в основном электронном состоянии.
Для того, чтобы применять этот принцип, надо знать относительные энергии орбиталей. В большинстве атомов и ионов энергия орбиталей увеличивается в ряду:
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d<7p
Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне, где они имеют наибольшую энергию, называют валентными.
Именно валентные электроны главным образом определяют химические свойства элемента. У многих элементов число валентных электронов равно номеру группы (в коротком варианте Периодической системы).
Внешний энергетический уровень – наиболее удаленный уровень электронной конфигурации от ядра, на котором есть хотя бы один электрон.
На внешнем энергетическом уровне может быть не более 8ē.
3. Правило Хунда: в основном состоянии атом имеет максимально возможное число неспаренных электронов в пределах определенного подуровня. Например, если на p-подуровне находятся три электрона, то они должны занимать три разные орбитали:
В возбужденных электронных состояниях атома электроны могут располагаться на любых энергетических уровнях и орбиталях. При этом выполняется только принцип Паули, а принцип наименьшей энергии нарушается, правило Хунда тоже перестает работать.