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

имеющего па один электрон больше, чем атом бериллия, этот электрон может расположиться только на одной из трех /j-орбпт. На них может находиться до шести электронов, и мы наблюдаем последовательное заполнение этих орбит электрона­ ми у атомов углерода, азота, кислорода, фтора, неона. У ато­ мов неона полностью застроен второй электронный слой; этим элементом и завершается второй период.

Электронная оболочка атома натрия, открывающего третий период системы Д. И. Менделеева, состоит из 11 электронов: 10 из них, так же как и у атома неона, располагаются в первом и втором слоях, одиннадцатый может поместиться только в третьем электронном слое, именно на Зх-орбите. Вторым на ту же орбиту определится двенадцатый электрон атома магния— следующего элемента третьего периода. В дальнейшем (начи­ ная с атома алюминия) имеет место заполнение электронами 3/9-орбит того же слоя, завершающееся у атома аргона — по­ следнего элемента этого периода.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что третий период завершается застройкой Зр-орбит, хотя в третьем элек­ тронном слое имеется также пять З^-орбит, на которых может разместиться еще 10 электронов. Вместе с тем следующий за аргоном элемент калий попадает в следующий период системы Д. И. Менделеева, т. е. его девятнадцатый электрон помещает­ ся уже в четвертом слое, точнее — на орбите 4s.

Этот факт требует разъяснения следующих вопросов:

1. Каковы экспериментальные доказательства того, что ка­ лий действительно должен находиться в первой группе перио­

ний: совокупность химических свойств калия свидетельствует о том, что он является химическим аналогом лития и натрия; кроме того, его спектр излучения аналогичен только спектрам щелочных металлов.

Ответ на второй вопрос может быть получен путем исследо­ вания значений энергии атома при нахождении электрона на орбитах 3d и 4s. Оказывается, что энергия орбиты 4s имеет несколько меньшее значение, чем энергия 3d-op6irr (рис. 7).

Следует помнить, что это положение относится не только к 3d и 4s, а вообще к орбитам rid и (п + 1)s.

Таким образом, каждый большой период системы Д. И. Мен­ делеева открывается двумя элементами (щелочным и щелоч­ ноземельным металлами), у атомов которых заполняется элек­ тронами орбита с главным квантовым числом, равным п, в то время как d-орбиты с главным квантовым числом (п—1) оста­ ются еще не заполненными.

26

Заполнение электронами орбит (п — 1 )d начинается лишь после того, как орбита ns застраивается двумя электронами.

Так, у атомов калия и кальция, открывающих четвертый период, застраивается электронами орбита 4s, и только начи­ ная со скандия имеет место заполнение электронами орбит 3d. Застройка За!-орбит имеет место у десяти элементов: Sc, Ti, V,

(что обусловлено большим зна­ чением усредненного расстояния электрон — ядро при нахожде­ нии электрона на орбите 4/).

Подводя итог, отметим следующее: каждый большой период системы Д. И. Менделеева открывается двумя элементами (ще­ лочным и щелочноземельным металлами), у которых застраи­ вается электронами ns-орбита (где п — помер периода). После этих элементов в четвертом и пятом периодах следуют 10 эле­

ментов. В шестом и седьмом периодах, кроме того, происходит заполнение электронами также и орбит 4/ и 5/ соответственно (атомы лантанидов и актинидов), следовательно, каждый из этих периодов включает 2+ 6+10+14 = 32 элемента.

Приведенные данные вызывают вполне естественный вопрос: если начиная с IV периода системы Д. И. Менделеева заполне­

27

ние электронами^ .атомных орбит принимает сложный характер, то можно ли заранее предсказать ход этого заполнения, т. е. можно ли составить из атомных орбит ряд, показывающий от­ носительные значения их энергии, а следовательно, и очеред­ ность их заселения электронами?

Решение этого вопроса дается правилом Клечковского: за­ полнение электронных уровней атомов с увеличением атомного номера элемента происходит последовательно от групп уровней

значением этой суммы, а в пределах каждой (п + 1) группы уров­ ней — от подгрупп с меньшим значением главного квантового числа п и с большим значением / к подгруппам уровней с боль­ шим значением п и меньшим /.

Приведенное правило состоит из двух положений, которые мы рассмотрим раздельно, иллюстрируя их примерами.

1. Заполнение атомных орбит электронами идет в последо­ вательности увеличения суммы (п + t) главного и азимуталь­ ного квантовых чисел, т. е. в первую очередь заселяются элек­ тронами орбиты с минимальными значениями этой суммы (чем меньше значения п и / орбиты, тем ближе к ядру атома подхо­ дит электрон, тем меньше энергии атома).

равна 3 и имеет то же значение для орбиты 2р (« + / = 2+ 1= 3). Сравнительная оценка энергии и последовательности заполне­ ния этих орбит может быть выполнена на основе второй части правила Клечковского: если сумма (п + 1) для двух орбит оди­ накова, энергетически более выгодной является орбита с мень­ шим значением главного квантового числа п.

Так, в рассмотренном случае орбита 2р имеет меньшее зна­ чение энергии, чем орбита 3s, поэтому орбита 3s заселяется электронами только после заполнения ими орбиты 2р.

Приведем еще один пример, иллюстрирующий применение

28

5d, 5/, 5g, 6s, 6p, 6d, 6/, 6g, 6h, 7s в последовательности увели­

В свою очередь, последняя, имея то же значение суммы (п + 1), что и орбита 3р, будет, в соответствии со второй частью пра­ вила Клечковского, застраиваться электронами лишь после за­ полнения орбиты 3р. Наконец, как это было показано выше, орбита 3d имеет меньшую энергию, чем орбита Ар.

Рассмотренные восемь атомных орбит будут заполняться электронами в последовательности Is, 2s, 2р, 3s, 3р, 4s, 3d, Ар.

Выясняя последовательность заполнения электронами осталь­

Правило Клечковского позволяет утверждать, что среди этих орбит наименьшее значение энергии имеют орбиты Ар,

затем 5s, Ad, 5р, 6s, 4/, 5d, 6р, 7s, 5/, 6d и т. д.

Объединяя полученные данные, мы находим следующий ряд, показывающий последовательность заполнения электронами орбит атомов в периодической системе Д. И. Менделеева (вер­ тикальными линиями разделены группы орбит, застраивающие­ ся электронами в пределах одного периода системы):

29

Как видно из таблицы, именно в этой последовательности протекает заполнение атомных орбит в периодической системе Д. И. Менделеева.*

В заключение этого раздела сделаем два примечания:

а) Из таблицы следует, что каждый период системы Д. И. Менделеева (кроме первого) завершается атомом благо­ родного газа, внешний электронный слой которого состоит из двух s-электронов и шести р-электронов. Эти элементы отли­

б) Химические свойства щелочных и щелочноземельных ме­ таллов обусловлены их наружными s-электронами, поэтому эти элементы часто называют «s-элементами».

Каждый период системы Д. И. Менделеева (кроме первого) содержит шесть элементов, у которых идет застройка р-орбит; эти элементы называют «р-элементами».

Те элементы, у атомов которых идет заполнение электрона­ ми d- и /-орбит, называют «d-элемептами» и «/-элементами» соответственно.

Первый период системы Д. И. Менделеева включает в себя два s-элемепта.

Во втором и третьем периодах имеется по два s-элемента и по шести р-элементов.

Каждый из периодов IV и V содержит два s-элемепта, шесть p-элементов и десять d-элементов.

Периоды VI и VII должны содержать по два s-элемента, шесть p-элементов, десять d-элементов и четырнадцать /-эле­

Запись электронной конфигурации атомов в символах атомной физики

Словесное описание строения электронных оболочек атомов весьма сложно. В пояснение этого достаточно привести два примера.

1. Электронная оболочка атома гелия состоит из двух элек­ тронов, находящихся на орбите с главным квантовым числом (п), равным единице, н с азимутальным квантовым числом (I), равным нулю.

*: У некоторых элементов IV -периода наблюдается «провал» s-электро­ нов внешнего слоя на d-орбитали (Сг, Си). Это объясняется повышенной устойчивостью конфигураций Н5 и И10. Рассмотрение аномалий в построении электронных оболочек атомов элементов других периодов выходит за рамки настоящего пособия.

30