Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Однако при решении задачи размещения электронов по орбиталям возникает неопределенность, так как сочетания квантовых чисел могут совпадать. Паули (1925) для решения этой проблемы выдвинул следующий принцип — п р и н ц и п запрета Паул и: в атоме не может быть более двух электронов, обладающих одинаковым сочетанием квантовых чисел п, I. и гп и различающихся только знаком спинового квантового числа з=±[/2.
В другой формулировке принцип Паули может быть выражен так: в одном и том же квинтовом состоянии, характеризуемом определенными значениями четырех квантовых чисел, не может находиться более одного электрона — или просто: в атоме не может быть двух электронов в одинаковых квантовых состояниях. Могут быть и другие формулировки, но все они говорят о том, что полностью совпадающих сочетаний квантовых чисел у электронов в одном и том же атоме быть не может (стабильное состояние) .'
Первая формулировка позволяет определить максимальное число электронов, которые могут находиться на том или ином энергетическом уровне. В табл. 2.8 показан подсчет максимальных чисел электронов на соответствующих уровнях (см. табл. 2.6 и 2.4).
Т а б л и ц а 2.8. Максимальное число электронов на уровне
Гл ИВ II ос ОрбНТПЛЬ- Число Спиновое Индекс Число Максималь- Индекс
КНІІІІТОНОС Ііае КВШІ- .'ііігічсіініі квгштоініе подуровня электронов ное число уровня
число п товос число МВПІИТНОГО ЧИСЛО X п подуров- электронов
/ КВІІІПОНОІО не уровня
числи
пі 21- 1
1 0 1 ±1/2 1$ 2 2 к
2 0 І ±1/2 2І 2
1 3 ± 1/2 2р 6 8 1.
0 1 ±1/2 Зя 2 м
з 1 3 ±1/2 Зр 6 18
2 5 ±1/2 Зеї 10
0 ] ± 1/2 43 2
1 3 ±1/2 4(і 6 N
4 2 5 ±1/2 4/) 10 32
3 7 ± 1/2'. 4/ 14
0 1 ±1/2 5я 2
1 3 ±1/2 5р 6 50
Г) 2 5 ± 1/2 Ьй 10
3 7 ±1/2 5/ 14
4 9 ±1/2 5# 18
47
К табл. 2.8 следует сделать примечание, что подуровень 5^ еще не реализован, так как электроны будут полностью заполнять его только у элементов 8-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, которые еще не получены.
Таким образом, каждая орбиталь водородного атома может содержать два электрона с противоположными спинами; при этом предполагается, что форма и размер орбиталей не изменяются (допущение). При заполнении («заселении») электронами подуровней нужно соблюдать правило Гунда: суммарное спиновое число электронов данного подуровня должно быть максимальным. Правило Гунда получено на основании спектральных исследований и формулируется вообще более сложно. Оно полностью применимо для атомов в их устойчивом или стабильном состоянии, а также и для возбужденных атомов.
Рассмотрим правило Гунда на примере заполнения подуровня 2р, который имеет три орбитали: рг; рх; ру. Эти орбитали можно условно представить в виде трех клеточек, заполненных тремя электронами с различными спиновыми моментами. Если клеточки будут заполнены «непарными» электронами или электронами с одинаковыми значениями спиновых квантовых чисел, то мы получим максимальное суммарное спиновое число 25,-:
или
Х5; -»+'/:+'Л+'/>-1,5 "Л-'Л-'Л—1,5
При всяком другом способе заполнения суммарное квантовое число будет меньше, как это показано на следующих схемах:
і
-О+'А -0,5
1 1
и \
\ \ \
—Н'Л-'Л+'Л—0,5 'Л+'Л-'Л—0,5
Энергия электронов на уровнях, соответствующих различным значениям главного квантового числа или номеру периода, изменяется в зависимости от п и /. В тех уровнях, где / может принимать значение, отличное от 0, появляются подуровни (р, ё, /) и диапазон значений энергии электронов, находящихся на одном уровне, будет возрастать. На рис. 17 схематически показано изменение энергии уровней и подуровней в зависимости от значения п. Начиная со значения п = 4 уже наблюдается перекрытие соседних энергетических уровней, что сказывается на последовательности заполнения подуровней электронами, которые стремятся получить наименьшую потенциальную энергию относительно, ядра (приблизиться к нему). Так, например, подуровень 45 заполняется раньше,
48
с/
-Л-
-А- Р
6-
/Г--1 п = 2 я=6"
Квантовые числа
Рис. 17. Энергия и строение электронных уровней в зависимости от главного квантового числа
чем будет заполнен подуровень Ы. Следует отметить, что по мере увеличения п — номера периода — различие в энергиях электронов разных подуровней начинает уменьшаться и химические свойства элементов, определяющиеся строением атома, теряют свою характерность, что отмечал еще Д. И. Менделеев, создавая свой периодический закон (с. 21).
Рассмотрим строение атомов элементов первых периодов таблицы Д. И. Менделеева. В первом периоде расположены только два элемента: Н и Не. Для обоих / = 0, так как п'—\, и формы их электронных орбиталей сферические: 151 и 1з2. Но на ^-орби-тали гелия размещаются два электрона с противоположными спинами, образуя очень устойчивую пару; атом Не практически полностью инертен.
Во втором периоде находится 8 элементов; п = 2 и / = 0 или 1=1. Таким образом, у элементов 2-го периода возможно два подуровня: 2Б и 2р.
