Строение ядра: Часть 2

Видео

Конспект

Теперь рассмотрим правила, по которым орбитали заполняются электронами в атоме.

Первый принцип: принцип наименьшей энергии. Он гласит, что заполнение орбиталей электронами происходит, начиная с самого низкого по энергии уровня, и далее с повышением энергии. Сначала будет заполняться первый уровень, он наиболее близкий к ядру, и поэтому здесь наибольшее взаимодействие между электроном и ядром. Почему первый уровень имеет самую низкую энергию? Мы считаем, что при $E = 0$ электрон не взаимодействует с ядром, при увеличении взаимодействия энергия уровня снижается, то есть значения энергии уровней являются отрицательными, поэтому чем ниже уровень по энергии, тем сильнее взаимодействие электрона с ядром. Таким образом, разница между уровнем и нулевым уровнем энергии — это и есть энергия взаимодействия электрона с ядром. Принцип наименьшей энергии понятен, и в курсе физики тоже есть такое, что каждая система стремится к минимуму энергии. Единственное дополнение, когда мы говорим про заполнение электронами, мы имеем в виду атомы, у которых самое низкое по энергии состояние, то есть невозбужденное состояние, оно называется основным. Если мы будем говорить про возбужденное состояние, то принцип наименьшие энергии может нарушаться, то есть электроны могут находиться на более высоких уровнях. Но тогда такая система может быть неустойчивой и будет превращаться в более стабильную, сбрасывая лишнюю энергию.

Второй принцип: принцип Паули. Его часто называют запрет Паули, потому что он что-то запрещает. Запрет Паули или принцип Паули гласит, что в одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел, всех четырех квантовых чисел. То есть, если у нас два электрона имеют одинаковые $n$, $l$ и $m_{l}$, то $m_{s}$ должно быть разное: для одного $+1/2$, для второго $-1/2$. Иными словами, если у нас первые три квантовые числа совпадают, то есть два электрона находятся на одной и той же орбитали, то тогда у них должно различаться спиновое квантовое число. Когда мы с вами записываем диаграммы в клеточках, клеточка – это орбиталь, а внутри – стрелочки вверх и вниз. Это означает, что два электрона должны иметь разнонаправленный спин, то есть разное спиновое квантовое число. Мы в одной клеточке не можем нарисовать две стрелочки вниз или две стрелочки вверх. Соответственно, из принципа Паули следует, что на одной орбитали максимальное количество электронов равно двум. Это означает, что третий электрон будет уже уходить на следующую орбиталь. Поэтому количество орбиталей, количество уровней увеличивается с ростом количества электронов в атоме.

Третий принцип: правило Хунда. Его называют правилом, то есть если первые два не нарушаются, про принцип меньше энергии сказал, что только для возбужденного состояния может быть отклонение. Принцип Паули не нарушается. То два остальных правила могут нарушаться, поэтому существуют исключения. Правило Хунда (иногда называют Гунда) гласит, что если у нас есть орбитали с одинаковой энергией, это называется вырожденные орбитали, то тогда электроны распределяются по правилу максимального спина. Например, если на p-орбиталях находятся $3$ электрона, то тогда электроны будут распределяться по одному на каждой из р-орбиталей. Это вызвано тем, что электроны на одной орбитали отталкиваются. Поэтому для того, чтобы снять отталкивания, они распределяются по правилу Хунда. Правило Хунда может нарушаться для неизолированного атома, это может проявляться в соединениях. Например, в комплексных соединениях бывает, что распределение электронов оказывается против правила Хунда.

Четвертое правило: правило Клечковского. (Иногда называют правила Клечковского). Это последовательность заполнения электронами орбиталей. Оказывается, что последовательное заполнение подчиняется увеличению суммы главного и побочного квантового числа. Если для двух орбиталей эта сумма оказывается одинаковая, то заполняется орбиталь с наименьшим $n$. Мы можем сделать это в виде небольшой таблички в две строки, в одной будет название орбитали, а в другой – сумма $n + l$. На первом уровне только s орбиталь $1$s значит $n + l = 1 + 0 = 1$. Дальше второй уровень $2$s: $n + l = 2 + 0 = 2$, потом будет заполняться $2$p: $n + l = 2 + 1 = 3$. Далее идет третий уровень $3$s: $n + l = 3 + 0 = 3$. Обратите внимание, что $2 + 1 = 3 + 0 = 3$, одинаковая сумма, но заполняется та орбиталь, у которой наименьшее $n$, $2$p сначала, потом $3$s. Пока у нас все идет по порядку. Дальше идет $3$p орбиталь, $n + l = 3 + 1 = 4$. Далее есть две орбитали: $4$s $n + l = 4 + 0$ и $3$d $n + l = 3 + 2 = 5$ и по правилу Клечковского сначала заполняется $4$s, а потом $3$d.

Далее идет $4$p орбиталь, то есть $n + l = 4 + 1 = 5$, после $4$p у нас будет заполняться $5$s, та же самая ситуация как с $4$s и $3$d, потому что $n + l = 5 + 0$, а для $4$d $n + l = 4 + 2 = 6$. На четвертом уровне еще есть $4$f $n + l = 4 + 3 = 7$, то есть пока все орбитали с общей суммой $6$, $4$f заполняться не будет. После $4$d будет заполняться $5$p, $n + l = 5 + 1 = 6$, но после $5$p будет заполняться $6$s: $n + l = 6 + 0 = 6$. После $6$s будет уже заполняться $4$f. После $4$f будет заполняться $5$d орбиталь. Таким образом мы применяем вот эти два принципа и два правила для того, чтобы заполнять электронными орбитали в атоме.

Рассмотрим некоторые примеры, как нужно записывать электронную конфигурацию атома, как нужно записывать электронную диаграмму. Начнем с электронной конфигурации. Для примера возьмем атом углерода с массовым числом $12$. Массовое число, как мы с вами говорили, – это сумма протонов и нейтронов в ядре, поэтому можно записать слева от символа элемента подстрочным индексом число протонов равно $6$, он же порядковый номер в таблице Менделеева. Шесть протонов, шесть нейтронов ($12 - 6 = 6$) и, соответственно, шесть электронов. Каким образом распределяются шесть электронов? Применим правила заполнения. Конфигурация записывается в строчку: первая орбиталь $1$s и верхним индексом над орбиталью мы записываем количество электронов, которые здесь находятся. Максимальное количество $2$, поэтому здесь пишем $1s^2$. Следующая орбиталь $2$s по последовательности заполнения (правило Клечковского). Пишем $2s^2$. Мы уже записали $4$ электрона. Следующая орбиталь $2$p, и у нас остается всего два электрона, поэтому мы здесь пишем $2p^2$. Таким образом, электронная конфигурация атома углерода $1s^2 2s^2 2p^2$. Давайте теперь посмотрим, как распределяются электроны на диаграмме. Здесь уже записывается распределение электронов по конкретным орбиталям. Самая нижняя по энергии орбиталь $1$s, и она содержит два электрона: рисуем в одной клеточке две стрелки: одна вверх, другая вниз. Далее чуть выше идет $2$s орбиталь (здесь рисовать в масштабе по энергии необязательно, самое главное, что у нас второй уровень выше, чем первый). Снова в одной клеточке рисуем две стрелки. Следующие идут $2$p-орбитали. $2$p-орбитали немного выше $2$s-орбитали, их всего $3$, поэтому рисуем три клеточки. Согласно правилу Хунда располагаем оставшихся $2$ электрона по одному в каждой клеточки, причем стрелки направлены в одну сторону.

Рассмотрим еще один пример. Элемент хром, порядковый номер $24$ и массовое число $52$. Записываем $^{52}_{24}Cr$. Поскольку заряд ядра $24$, ядро атома хрома содержит $24$ протона и $52 - 24 = 28$ нейтронов и $24$ электрона. Запишем конфигурацию атома хрома. Первые два уровня содержат полностью заполненные орбитали: $1s^2 2s^2 2p^6$. Уже $10$ электронов распределили. Следующий уровень: $3s^2 3p^6$. Это уже всего $18$ электронов. Остается $6$ электронов. После $3$p, как мы помним, заполняется сначала $4$s, а потом $3$d подуровень (правило Клечковского). Тогда запишем $4s^2 3d^4$, но оказывается, что хром является исключением, один электрон с $4$s-подуровня переходит на $3$d-подуровень, тем самым уменьшается отталкивание между электронами. Таким образом, правильная конфигурация атома хрома будет $4s^1 3d^5$. Это нарушает правило Клечковского. Теперь нарисуем распределение электронов в атоме хрома на диаграмме. Сначала идет первый уровень: один квадратик $1$s. Дальше второй уровень: $2$s, $2$p, затем третий уровень: $3$s, $3$p, $3$d, и, наконец четвертый уровень: $4$s (остальные подуровни у атома хрома пустые). Первые три уровня полностью заполнены, за исключением $3$d-орбиталей. Один электрон рисуем на $4$s и пять электронов на $3$d (все стрелочки в одну сторону). Последние шесть электронов находятся каждый на отдельной орбитали. Такой «проскок» электрона происходит и в других случаях, например, у атома меди конфигурация $4s^1 3d^{10}$, один электрон переходит с $4$s на $3$d, чтобы полностью заполнить d-подуровень. Еще один пример: атом серебра, конфигурация у которого $5s^1 4d^{10}$. Эти три исключения необходимо запомнить.

Возникает вопрос: какие электроны являются валентными? Валентными электронами называют электроны, за счет которых атом может образовывать химические связи. Валентными электронами могут быть внешние электроны, которые расположены на внешнем уровне, в отличие от них электроны, которые являются внутренними, ни в каких химических реакциях, ни в каких химических связях не участвуют. Начнем с простого примера – атома углерода, конфигурацию которого мы записали выше. В атоме углерода внешними орбиталями являются $2$s- и $2$p-орбитали, таким образом, валентными электронами будут $4$ электрона, находящиеся на этих орбиталях. $4$ электрона соответствуют максимальному количеству связей, которые может образовывать атом углерода с другими атомами. $1$s-электроны являются внутренними и никак не участвуют в образовании химических связей.

Следующий пример: атом хрома. У хрома валентными электронами считаются $4$s и $3$d, то есть максимальное количество связей, которые хром может образовать равно $6$. При этом нужно помнить, что когда мы записываем последовательность заполнения, то сначала заполняется $4$s, а потом $3$d, но внешним уровенем все равно остается $4$-ый. $3$d – это предвнешний уровень, но он также может использоваться у d-элементов для образования химических связей. У атома углерода число внешних и валентных электронов совпадает их $4$, а у d-элемента, атома хрома, число внешних электронов – $1$, а валентных – $6$, то есть не совпадает.

Теперь рассмотрим образование ионов из атомов. Есть два типа ионов. Положительно заряженный ион – катион образуется при отщеплении электронов от атома. Отрицательно заряженный ион – анион образуется, если электроны присоединяются к атому. Рассмотрим образование анионов. Возьмем для примера образование аниона хлора из атома добавлением одного электрона. Как это происходит с точки зрения изменения электронной конфигурации? У атома хлора электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$. Можно записать в сокращенном виде $[Ne]3s^2 3p^5$, где $[Ne]$ означает электронную конфигурацию атома неона, а $3s^2 3p^5$ – внешние электроны, и все $7$ электронов являются валентными. Добавляется один электрон и, конечно, этот электрон попадает на вакантное место на одной из $3$p-орбиталей. Если мы изобразим диаграмму атома хлора, то электрон, естественно, попадет на орбиталь, где находится всего один электрон. Конфигурация станет $[Ne]3s^2 3p^6$. Это такая же конфигурация, как у благородного газа аргона, то есть конфигурация аниона хлора – $[Ar]$. Анионы, конечно, не абсолютно любые конфигурации могут образовывать. Чаще всего образуются анионы, которые имеют конфигурацию благородного газа, так как такие конфигурации наиболее устойчивы. Например, если атом кислорода присоединяет два электрона, то анион $O^{2-}$ имеет конфигурацию неона. Если атом серы присоединяет два электрона, то анион $S^{2-}$ приобретает конфигурацию аргона.

Перейдем к рассмотрению образования катионов. Например, образование катиона натрия $Na^{+}$ из атома натрия. Конфигурация атома натрия $[Ne]3s^1$. Отнимаем один электрон, получается катион натрия $Na^{+}$. Конфигурация катиона натрия будет $[Ne]$. Снова получилась устойчивая конфигурация благородного газа.

Второй пример: атом хрома, который превращается при удалении трех электронов в катион $Cr^{3+}$. Конфигурация атома хрома: $[Ar]4s^1 3d^5$. Нужно удалить три электрона. А какие электроны будут уходить? На первый взгляд, должны уходить сначала $3$d-электроны, а затем $4$s, но это не так. Если у атома натрия, например, понятно, что один единственный электрон уходит с $3$s-орбитали, или, допустим, если бы мы взяли атом хлора, у которого будут уходить электроны сначала с $3$p-орбиталей, а затем с $3$s-, то у d-элементов электроны будут сначала уходить с $4$s-орбитали, так как $4$s все равно считается внешним уровнем. Уходят сначала внешние электроны. Таким образом, электронная конфигурация катиона $Cr^{3+}$ будет $[Ar]3d^3$. То есть уйдет сначала один электрон с $4$s-орбитали и затем два электрона – с $3$d.