- Квантовомеханічний підхід до опису будови атомів і періодичний закон (продовження).

Послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів в багатоелектронних атомах. Електронні структури (формули) атомів і періодична система елементів

Послідовність заповнення атомних електронних орбіталей за­лежно від значення головного та орбітального квантових чисел дослідив радянський учений В.М.Клечковський. Він встановив, що енергія електрона зростає із збільшенням суми цих двох кванто­вих чисел, тобто величини (n + l). Відповідно до цього він сформу­лював положення (перше правило Клечковського):

при збільшенні заряду ядра атома послідовне заповнення електронних орбіталей відбувається від орбіталей з меншим значенням суми головного і ор­бітального квантових чисел (n + l) до орбіталей з більшим зна­ченням цієї суми.

При однакових величинах суми (n + l) енергія електрона тим вища, чим більше значення головного квантового числа n. Тому у подібних випадках порядок заповнення електро­нами енергетичних підрівнів визначається другим правилом Клечковського:

при однакових значеннях суми (п + l) заповнення орбіталей відбувається послідовно у напрямі зростання значення го­ловного квантового числа n.

Коли енергії близьких підрівнів дуже мало відрізняються між собою, то порядок заповнення підрівнів ускладнюється, і електрони можуть перебувати то на одному, то на іншому підрівні.

В багатоелектронних атомах заповнення електронами всіх енергетичних рівнів і підрівнів залежно від їхньої енергії відбу­вається у такій послідовності:

1s  2s  2р  Зs  3р  4s  Зd  4р  5s  4d  5р  6s  5d   4f  6р  7s  6d  5f  7р.

Схематично рівні енергій орбіталей нейтрального атома подано на рис.9.

Заповнення електронами еквівалентних орбіталей відбувається згідно з правилом Гунда: сумарне спінове число електронів певного підрівня має бути максимальним. Наприклад, якщо атом має три електрони на р-підрівні, то вони розміщуватимуться на рх-, ру-, рz-орбіталях, тобто на кожній орбіталі розміститься по одному електрону. При іншому розміщенні електронів (двох на одній орбі­талі і третього на іншій) сумарне спінове число буде менше, ніж у першому варіанті:

Будова електронних рівнів і підрівнів в атомах різна залежно від положення елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва.

У перших трьох періодах із збільшенням заряду ядра атомів елементів відбувається заповнення електронами зовнішнього енер­гетичного рівня.

Так, перший період складається з двох елементів. У атома Гідрогену один електрон розміщується на s-підрівні К-рівня (n = 1):

Атом Гелію (Z = 2) має два електрони. За принципом Паулі вони характе-ризуються антипаралельними спінами:

Таке розміщення елекгронів утворює дуже стійку конфігурацію, яка визначає відносну інертність гелію в реакціях з іншими еле­ментами. У атома гелію завершується забудова найближчого до ядра К-рівня.

Елементи, в атомах яких заповнюються електронами s-орбіталі, називаються s-елементами.

Другий і третій періоди містять по вісім елементів. У елементів другого періоду відбувається забудова L-рівня (n = 2). У атомів перших двох елементів Lі і Ве заповнюються 2s-орбіталі, а у В – Nе – послідовно 3р-орбіталі.

Нижче наведено електронні формули і схеми будови атомів деяких елементів другого періоду:

В атома Неону (Z = 10) закінчується забудова 2р-орбіталі, і другий енерге-тичний рівень заповнюється максимально можливим числом електронів, які утворюють високосиметричну структуру:

Атомом Неону завершується другий період системи елементів і за­будова другого L-енергетичного рівня.

Елементи, в атомах яких заповнюються електронами р-орбіталі, називаються р-елементами.

Отже, другий період складається з двох s-елементів і шести р-елементів.

У елементів третього періоду заповнюється електронами М-рі­вень (n = 3), який складається з 3s-, 3р- і 3d-орбіталей. У атомів перших двох елементів Nа і Мg заповнюються електронами 3s-орбіталі, у Аl–Аr – 3р-орбіталі, а 3d-орбіталі – вакантні.

Наводимо приклади електронних формул і схем будови атомів деяких елементів третього періоду:

Атом Аргону – останній елемент третього періоду – має пов­ністю заповнені 3s- і 3р-орбіталі, тобто зовнішній енергетичний рівень складається з чотирьох пар спарених електронів.

Отже, третій період містить два s-елементи і шість р-елементів. Будова зовнішнього енергетичного рівня відповідних елементів другого і третього періодів аналогічна.

У четвертому і п'ятому періодах міститься по вісімнадцять еле­ментів.У атомів елементів четвертого періоду відбувається забудова N-рівня (n = 4). У двох перших елементів К і Са заповнюються 4s-орбіталі. Вакантна 3d-орбіталь екранована електронним шаром 3s23р6. Крім того, для 3d-орбіталей (n = 3, l = 2) сума (п+l) дорівнює 5, а для 4s-орбіталей (n = 4, l = 0) – 4. Тому 4s-орбіталі мають заповнюватись електронами раніше, ніж 3d-орбіталі, що і спостерігається:

19К 1s22s22р63s23р64s1  [Аr] 4s1;

20Са 1s22s22р63s23р64s2  [Аг] 4s2.

При подальшому зростанні ефективного заряду ядра у елементів, що розміщуються після Кальцію, енергетичний 3d-стан більш ви­гідний, ніж 4р. Тому, починаючи з елемента четвертого періоду третьої групи – скандію, відбувається забудова 3d-орбіталей, яка завершується у атома Купруму, наприклад:

21Sс 1s22s22р63s23р63d14s2  [Аr] 3d14s2;

24Сr 1s22s22р63s23р63d54s1  [Аr] 3d54s1;

29Сu 1s22s22р63s23р63d94s1  [Аr] 3d94s1;

30Zn 1s22s22р63s23р63d104s2  [Аr] 3d104s2.

Елементи, в атомах яких заповнюються електронами d-орбіталі, називаються d-елементами, або перехідними.

Після заповнення 3d- і 4s-орбіталей у атомів елементів Са–Кr відбувається забудова 4р-орбіталей. Четвертий період закінчується благородним газом криптоном, атом якого має всі спарені електрони:

36Кr 1s22s22р63s23р63d104s24р6  [Аr] 3d104s24р6 ( [Кr] ).

Отже, четвертий період починається s-елементами (два) і закін­чується р-елементами (шість), а між ними розміщуються десять d-елементів.

Аналогічно четвертому, п'ятий період містить два s-елементи, шість р-елементів і десять d-елементів.

Шостий період, що містить тридцять два елементи, починається двома s-елементами – Сs і Ва, в атомів яких заповнюються 6s-орбіталі. В атома елемента Лантану починається забудова 6d-орбіталей (один електрон), а в атомів елементів Се–Lu стан 4f більш енергетнчно вигідний, ніж 5d. Тому у атомів елементів Се, Рr, Nd, Рm, Sm, Еu, Gd, Тb, Dy, Но, Еr, Тm, Yb, Lu відбувається забудова 4f-орбіталей. Потім продовжується заповнення 5d-орбіталей у атомів елементів Нf–Аu, і цей період завершується елементами Тl–Rn, в атомах яких забудовуються 6р-орбіталі. На­водимо приклади схем будови атомів деяких елементів шостого періоду:

55Сs [Хе] 6s1; 57Lа [Хе] 5d16s2; 71Lu [Хе] 4f145d16s2;

79Аu [Хе] 4f145d106s1; 86Rn [Хе] 4f145d106s26р6 ( [Rn] ).

Елементи, в атомах яких електронами заповнюються f-орбіталі, називаються f-елементами.

Отже, шостий період складається з двох s-елементів, шести р-елементів, десяти d-елементів і чотирнадцяти f-елементів.

Сьомий період ще незавершений. Заповнення енергетичних рів­нів і підрівнів відбувається аналогічно, як і в атомів елементів шостого періоду.

Електронні конфігурації атомів елемен­тів, у яких Z = 1...90, наведено в табл.2.