Правила заполнения электронных орбиталей

1. Принцип минимума энергии: из множества возможных состояний электрона реализуется то, в котором энергия атома минимальна. Этот принцип конкретизируется правилами Клечковского.

1). Из множества свободных орбиталей электрон займет ту, где меньше значение суммы (n+L).

2). Из множества свободных орбиталей с одинаковыми значениями сумм (n+L) электрон займет ту, где меньше n.

Элементарный анализ дает следующую последовательность заполнения электронных подуровней:

1s

2s2p

3s3p

4s3d4p

5s4d5p

6s4f5d6p

7s5f6d7p

2. Принцип Паули: в атоме не могут одновременно находиться электроны, состояние которых описывается одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Следствие: на одной орбитали могут находиться максимум два электрона, у которых значения m_s обязательно различны.

3. Правило Гунда: при заполнении подуровня модуль суммы спиновых квантовых чисел электронов должен быть максимально возможным. На практике это выполняется последовательным размещением на каждой орбитали подуровня сначала по одному электрону с параллельными спинами, а затем по второму с антипараллельными спинами.

Существуют некоторые нарушения правил заполнения электронных орбиталей, связанных с тем, что разница в энергиях электронов, расположенных на соседних электронных подуровнях, невелика. Это относится к подуровням 4s и 3d; 5s и 4d; 6s, 5d и 4f ; 7s, 6d и 5f.

Пример 1

Написать электронное строение атомов азота и титана.

Решение

Атом азота имеет №7, следовательно, в его атоме находится 7 электронов. На первом слое могут находиться максимум два электрона

↑↓

Следовательно, на втором слое будут находиться оставшиеся 5 электронов, два на 2s-орбитали и три на 3р-орбитали, причем, в соответствии с правилом Гунда, каждый р-электрон занимает отдельную орбиталь:

↑↓

↑

↑

↑

В итоге электронное строение атома азота будет иметь вид

↑↓

↑↓

↑

↑

↑

В символьном виде

1s²2s²2p³ .

В последнем случае не видно, как расположены 2р- электроны. Если слой полностью заполнен, его можно указать с помощью буквы, обозначающей этот слой. В нашем примере полностью заполнен первый слой, поэтому электронное строение атома азота может быть записано в виде

К2s²2p³.

Атом титана имеет №22. В соответствии с правилами заполнения в атоме титана сначала полностью заполняются первый и второй электронные слои:

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

Затем идет заполнение 3s- и 3p-подуровней:

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

После этого заполняется 4s-подуровень

↑↓

и лишь после этого недостающие два электроны поступают на 3d-подуровень:

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

Таким образом, электронное строение атома титана может быть описано схемой:

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

↑↓

В символьном виде

КL3s²3p⁶3d²4s² .