Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.6. Строение электронных оболочек атомов

Теперь рассмотрим строение отдельно взятого электронного уровня (слоя). Начиная со значения главного квантового числа n = 2, энергетические уровни (слои) делятся на подуровни (подслои), отличаются друг от друга энергией связи с ядром.

Число подуровней равно главном квантовому числу, но не может быть больше четырех: 1-й уровень имеет один подуровень, 2-й - два, 3 - три, 4-й - четыре подуровня. Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Подуровни принято обозначать латинскими буквами: s - первый, ближайший к ядра подуровень каждого энергетического уровня, состоит из одной s-орбитали; г - второй подуровень, состоит из трех р - орбиталей; d-третий подуровень, состоит из пяти d- орбиталей; f - четвертый подуровень, содержит семь f-орбиталей. Таким образом, для каждого значения n существует n² орбиталей (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Главное квантовое число, типы и число орбиталей и максимальное число электронов по подуровням и уровнях

На каждой орбитали может находиться не более двух электронов - принцип Паули. Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны. Принцип Паули объясняет формулу N = 2n . И действительно, если, например, на третьем уровне (n = 3) содержится 32=9 орбиталей, а на каждой орбитали - по 2 электрона, то максимальное число электронов составляет 2 ∙ 3² = 18.

В табл. 2.1 для первых четырех уровней показана связь главного квантового числа n с числом подуровней, типом и числом орбиталей и с максимальным числом электронов на подуровне и уровне, а на рис. 2.3 приведена схема разделения энергетических уровней на подуровни. Из таблицы следует,

Рис. 2.3. Схема разделения энергетических уровней на подуровни

Рис. 2.4. Форма s-электронной орбитали

что для характеристики электронов в атоме нужно знать номер электронного уровня и типы орбиталей. Важно знать форму различных орбиталей (облаков). Это необходимо при изучении структуры молекул. Согласно теоретическими данными s-орбиталь имеет сферическую симметрию, то есть форму шара. Примером может быть орбиталь атома водорода, n = 1 (рис. 2.4). Такую орбиталь называют s-орбіталлю. Электрон, который находится на s-орбитали, называется s-электроном.

На втором энергетическом уровне (n = 2) есть 4 орбитали, причем одна из них имеет сферическую симметрию. Она называется 2s-орбіталлю. Очевидно, 2s-электрон имеет высшую энергию, а потому будет находиться дальше от ядра, чем 1s-электрон. Вообще, для каждого значения n существует одна орбиталь симметрична.

р-Орбиталь имеет форму гантели, или объемной восьмерки (рис. 2.5). Все три р-орбитали расположены в атоме взаимно перпендикулярно. Они направлены вдоль осей пространственных координат, поэтому их часто обозначают как р_х-, p_в- и г_z- орбитали. Такое обозначение указывает на пространственную направленност р-орбиталей. Если рх-орбиталь расположена в направлении оси х, то, очевидно, pх-электрон с наибольшей вероятностью будет находиться вблизи оси х. То же самое можно сказать и о орбитали р_в и p_z.

Следует отметить, что каждый энергетический уровень (слой), начиная с n=2, имеет три р-орбитали. С увеличением n-электроны занимают р-орбитали, расположенные на больших расстояниях от ядра, но направленност их по осям х, у, z всегда хранится. Еще более сложные формы, чем р-орбитали, имеют d-орбитали (их пять) и f-орбитали (их семь). Здесь они не рассматриваются.

Рис. 2.5. Форма и ориентация р-электронных орбиталей