2. Строение атома. Квантовые числа.
Электронные формулы элементов
Согласно квантово-механическим представлениям состояние каждого
электрона в атоме химического элемента определяется значениями четырех
квантовых чисел: n, l, mlи ms.
Главное квантовое число n характеризует полную энергию электрона
в атоме – энергетический уровень, примерный радиус атома и принимает
значения ряда целых чисел от 1 до ∞.
Орбитальное квантовое число l характеризует энергетический подуро-
вень электрона на данном энергетическом уровне, форму атомной орбитали и
принимает значения от 0 до (n – 1). Для обозначения энергетических подуров-
ней (оболочек) используют строчные буквы латинского алфавита:
12
l
обозначения
0
s
1
p
2
d
3
f
4
g
5
h
s – электронные орбитали имеют сферическую форму; p – форму, напоминаю-
щую гантель; d и f – более сложную форму.
Магнитное квантовое число mlхарактеризует распределение электронов
по квантовым ячейкам (орбиталям) в пределах данного энергетического поду-
ровня и принимает значения от -l до +l, включая нуль, т. е. всего (2l+1) значе-
ний. Например, на энергетическом подуровне р (l = 1) электроны могут быть в
трех состояниях (в трех квантовых ячейках), что соответствует ориентации по
оси x, y, z, т. е. mlимеет три значения: –1, 0,+1.
Спиновое квантовое число mSхарактеризует момент количества движе-
ния электрона вокруг собственной оси и принимает два значения: mS = –1/2 и
mS = +1/2.
Распределение электронов в атоме подчиняется квантово–механическим
законам: принципам минимальной энергии, запрета Паули, правилам Гунда и
Клечковского.
Принцип минимальной энергии – электроны в основном состоянии за-
полняют орбитали в порядке повышения уровня энергии.
Принцип запрета Паули – в атоме не может быть двух электронов с оди-
наковым набором четырех квантовых чисел, т.е. на каждой орбитали (кванто-
вой ячейке) может быть не более двух электронов, различающихся числом ms,
например
.
Правило Гунда – заполнение орбиталей электронами в пределах данного по-
дуровня происходит таким образом, чтобы их суммарный спин был максимален.
Cl 1s22s2p63s2p5
3p
3s ↑↓ ↑↓ ↑
Cl- 1s22s2p63s2p6
3p
3s ↑↓ ↑↓ ↑↓
13
↑↓
2p
↑↓
2p
2s ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
1s
↑↓
2s ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
1s
↑↓
Правило Клечковского – увеличение энергии и заполнение орбиталей
электронами происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n+l), а
при их равной сумме – в порядке возрастания числа n.
Пример 1. Составить электронно-графическую формулу атома элемента с
порядковым номером 16.
Решение. Так как число электронов в атоме равно его порядковому номеру
в периодической таблице, то для элемента № 16 (S) электронная формула имеет
вид: 1s22s2p63s2p4.
Графическая формула отражает расположение электронов по оболочкам и
орбиталям в соответствии с основными квантово–механическими законами
Пример 2. Определить, какими значениями квантовых чисел (n, l и ml) ха-
рактеризуются внешние р–электроны в атоме элемента, имеющего электрон-
ную конфигурацию внешнего слоя 4s2p2.Установить, что это за элемент.
Решение. Так как главное квантовое число n определяет энергетический
уровень и номер периода, то данный элемент находится в четвертом периоде
n = 4. Орбитальное квантовое число характеризует энергетический подуровень
на данном энергетическом уровне и принимает значения от 0 до n–1, т. е. при
n = 4, l = 0, 1, 2, 3 или буквенные обозначения s, p, d, f.
Магнитное квантовое число mlпринимает значения от –l через 0 до +l, т.е.
при l = 1, ml = -1, 0, +1. Оно характеризует число орбиталей на данном поду-
ровне.
Согласно электронной формуле атома, приведенной в условии задачи, этот
элемент имеет порядковый номер 32 и его полная электронная формула имеет
вид: 1s22s2p63s2p6d104s2p2, что соответствует элементу Ge.
Пример 3. Составить электронно-графические формулы атома хлора и его
элементарного иона.
Решение. В соответствии с порядковым номером элемента хлора, рав-
ным 17, определяющим положительный заряд ядра и суммарное число элек-
тронов, электронно-графические формулы атома Cl и его элементарного иона
Cl– будут иметь вид:
d
p
s ↑↓ ↑ ↑
n = 3 ↑↓ p
s ↑↓ ↑↓ ↑↓
n = 2 ↑↓
n = 1 ↑↓
14