Симметрия глазами химика - Харгиттаи И.
ISBN 5-03-000276-6
Скачать (прямая ссылка):
Если энергия одноэлектронной орбитали зависит только от п, то в многоэлектронном атоме энергия орбитали определяется обоими квантовыми числами п и /. Так, электрон, находящийся на 2/>-орбитали, имеет более высокую энергию, чем электрон, находящийся на 2л-орби-тали. Эта особенность демонстрируется на рис. 6-8, где приводятся функции радиального распределения для Ь-, 2л- и 2/>-орбиталей. Орбиталь 2.$ имеет «выпуклость» внутри 15-орбитали, чего нет у 2/?-орбитали. Это означает, что вероятность нахождения 2.$-электрона внутри 1 .«-оболочки больше, чем для 2/кэлектрона. Следовательно, 1.«-электроны будут сильнее экранировать ядро для 2/>-электронов, чем для 25-электро-нов. В результате энергия 2.$-орбитали будет меньше, чем энергия 2/>-орбитали.
Обычный порядок возрастания орбитальных энергий в многоэлектронных атомах таков:
1я < 2я < 2р < 3.9 < Зр < 4л « Ъс! < 4р < 5.? < 4а" < ...
гЧ2
15 Радиус Бора
Рис. 6-8.
Функции радиального распределения для \s-. 2s- и 2/>орбиталеи. Воспроизводится с разрешения автора работы [3]. © 1972 Pergamon Press.
Однако известны случаи, когда этот порядок несколько меняется. Например, иногда За"-орбиталь лежит ниже 4?-орбитали. На рис. 6-9 показана диаграмма, иллюстрирующая порядок орбитальных энергий.
В дополнение к трем квантовым числам, использованным в одно-электронных волновых функциях, электрон имеет еще четвертое квантовое число - спиновое, ms. Эта характеристика связана с собственным угловым моментом электрона, который называют спином. Это квантовое число может принимать значения +1/2 и -1/2. Обычно знак спинового числа ms обозначается стрелками (| и |) или же греческими
1
2s 2р
/
/ 1 7
Зр / 3d
/ / 1 -)
Up / Ud kf
/ /
/ / / 7
' / bd 5f
С / / /
/ / 6р
V
Рис. 6-9.
Порядок возрастания энергии различных ор-биталей.
буквами аир. Таким образом, волновая функция орбитали в многоэлектронном атоме выражается как
Ч,е = /г(г)-Л(в,Ф)-5(я) (6-4)
а не в форме уравнения (6-3). Правда, введение спина не меняет тех свойств, которые обсуждались ранее и которые связаны с формой и симметрией орбиталей. Это обусловлено тем, что спиновая функция не зависит от пространственных координат.
В связи со спином электрона упомянем важный принцип, называемый принципом Паули. Согласно ему, если система состоит из идентичных частиц с полуцелыми спинами, что волновые функции данной системы должны быть антисимметричными по отношению к обмену координатами для двух любых частиц. В нашем случае частицами являются электроны, поэтому принцип Паули формулируется следующим образом: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.
6.2.1. Электронные конфигурации элементов
Электронная конфигурация атома называется атомной конфигурацией. Она показывает, сколько электронов распределено по подуровням энергии. Энергетический подуровень * связан с совокупностью орбиталей, имеющих одинаковые числа п и /. Первые несколько элементов в периодической системе имеют следующие электронные конфигурации. В атоме гелия два электрона имеют три одинаковых квантовых числа (« = 1, / = 0 и / = 0), поэтому четвертое должно отличаться: т5 = + 1/2 для одного электрона и >пх = — 1/2 для другого:
Не
Продолжим эту процедуру заполнения для следующих трех атомов:
Li Be В
Is
+-+ Is
т-+
Is
¦т—
2s
+-+ 2s
-f-4-2s
* В оригинале написано «виЬвЬеП»; его эквивалент, «подоболочка», не используется в научной литературе. Прим. перев.
\т
260
Глава 6
Для углерода возникает осложнение, поскольку возможны различные решения, не нарушающие принцип Паули:
С -т-+- - -
и Ъ 1р
нет неспаренных спинов
¦4-+- -t-+- -t- -f- -
jj 2s 2p
/два неспаренных спина
-t—*- -+-*- -t- -i- -
Lf 2s 2p
нет неспаренных спинов
Мы имеем три эквивалентные электронные конфигурации, которые в общем виде записываются как ls22s12p2. Однако они соответствуют различным электронным состояниям, имеющим различные энергии. Состояние с низшей энергией называется основным, а другие-возбужденными состояниями.
Первое правило Хунда гласит, что для данной электронной конфигурации наименьшую энергию будет иметь состояние с максимальным числом неспаренных спинов. Так, для атома углерода конфигурация с двумя неспаренными спинами соответствует основному состоянию. Опираясь теперь на принцип Паули и первое правило Хунда, можно продолжить заполнение орбиталей («принцип построения»).
N -t—*- -t—г- -t- -т- -4-
О -Т-+- -т-*- "г- -т-
f -Т—f- -*—*- -Т-4- -Т—*~ -t-
Ne -»—-t—f- -t-f- -+-*-
li 2i 2/>
Электронная оболочка заполняется целиком, когда достигнута электронная конфигурация атомов инертных газов. По этой причине обычно в сокращенной записи электронной конфигурации атомов используют символы для предыдущего инертного газа:
Электронное строение атомов и молекул
261
Li [Не] Ъ Ве [Не] Ъ2
F [Не] 2j22/>5
Ne [Не] 2s22p" = [Ne]
Na [Ne] 3j
Mg [Ne] Ss2
Cl [Ne] Ъ?Ърь
Ar [Ne] ЗЛ/ - [Ar]
К [Ar] 4s
Ca [Ar] 4s2
Вт [Аг] 4Л/>5 и Т.Д.
