Файл: Андреев, С. Н. Строение электронных оболочек атомов. Теория химической связи [пособие для студентов I курса].pdf

квантовых чисел п и I, но различающихся значениями магнит­ ного квантового числа т, т. е. ориентацией в пространстве.

Как уже говорилось, число таких орбит (21 + 1), причем на каждой из них может разместиться не более двух электронов. Следовательно, на всех этих орбитах можно поместить 2(21+1) электронов.

Так, на s-орбите (I = 0) может находиться не более 2 элек­ тронов. На трех р-орбитах, различающихся значениями магнит­ ного квантового числа, может разместиться до 6 электронов. На пяти различно ориентированных ^-орбитах можно поме­ стить до 10 электронов. На семи /-орбитах с различными кван­ товыми числами т может разместиться до 14 электронов. Эти числа следует хорошо запомнить.

3. Переходя к определению числа электронов, способных разместиться на орбитах с одним и тем же значением главного квантового числа п, по различающихся остальными квантовыми числами, заметим следующее: как видно из данных, приведен­ ных на рис. 3, Б, В; 6", Б, В, энергия атома определяется в ос­ новном значением главного квантового числа электронной орби­

термином «слой».

В слой с главным квантовым числом п входят орбиты с ази­ мутальными квантовыми числами / = 0, 1, 2, .... (п — 1). Если учесть еще и то обстоятельство, что при заданном азимуталь­ ном квантовом числе / возможны (21 + 1) орбит, различающих­ ся магнитным квантовым числом, то общее число орбит в слое равно сумме

Л—1

V 2 /+ 1 = 1 + 3 + 5 + 7 + ... + (2л — 1).

г=о

Нетрудно видеть, что мы имеем сумму арифметической про­ грессии, которая, как известно, равна полусумме крайних чле­ нов, умноженной на число членов прогрессии:

Итак, в слой с главным квантовым числом п входят п2 орбит. Если на каждой из них может находиться 2 электрона, различающихся спиновыми квантовыми числами, то число элек­ тронов в этом слое равно 2п2.

25-орбиты и трех орбит 2р, различающихся магнитным кванто­ вым числом) может расположиться до 8 электронов.

20

одну 4s-op6HTy, три 4р-орбиты, пять 4^-орбит, семь 4/-орбит) могут разместиться 32 электрона и т. д.

Забегая вперед, следует сказать, что каждый период систе­ мы Д. И. Менделеева начинается построением у атомов нового электронного слоя.

Строение электронных оболочек атомов. Правило Клечковского

Как уже указывалось ранее, заполнение электронами атом­ ных орбит начинается с орбит, расположенных наиболее близко к ядру атома, так как при этом энергия последнего имеет ми­ нимальное значение. Иначе говоря, в первую очередь заполня­ ются, электронами орбиты с наименьшими значениями главного и азимутального квантовых чисел. Вместе с тем данные, приве­ денные в предыдущем разделе, показывают, что число электро­ нов, размещающихся на орбите или на группе орбит, не может превышать определенного значения. Следовательно, по мере увеличения порядкового номера элемента, т. е. по мере увели­ чения числа электронов в его атомах, электроны заселяют все более удаленные от ядра орбиты. Последовательность заполне­ ния электронами атомных орбит элементов в периодической системе Д. И. Менделеева показана в таблице.

Атом водорода имеет один электрон. Вполне очевидно, что он будет расположен на 1s-орбите, самой близкой к ядру.

Атом гелия имеет 2 электрона; оба электрона могут распо­ лагаться на той же орбите Is, причем принцип Паули не будет нарушен, так как эти электроны имеют различные спиновые квантовые числа. Итак, у атома гелия полностью застроен пер­ вый электронный слой, который (как говорилось выше) может содержать не более двух электронов; этим элементом завер­ шается первый период системы Д. И. Менделеева, состоящий всего из двух элементов.

Электронная оболочка атома лития состоит из трех электро­ нов. Два из них располагаются на 1s-орбите, как и у атома гелия. Третий, в соответствии с принципом Паули, может нахо­ диться только на одной из орбит следующего электронного слоя с главным квантовым числом, равным двум (т. е. литием от­ крывается второй период системы Д. И. Менделеева); из этих орбит наиболее выгодной энергетически будет орбита 2s. На тех же орбитах Is и 2s разместятся четыре электрона атома бериллия, следующего в этом периоде за атомом лития.

В соответствии с принципом Паули на 25-орбите могут раз­ меститься только два электрона. В связи с этим у атома бора,

21