2.4.6 Правила заполнения электронных оболочек

Назад Назад Далее Далее


Энергия электрона в атоме определяется значением как главного, так и орбитального квантовых чисел. Это связано с тем, что имеющие более высокую энергию электроны экранируются нижележащими электронами. Поэтому электронные уровни в атоме заполняются в порядке возрастания энергии согласно определённым правилам. Рассмотрим эти правила.

Первое правило Клечковского

Согласно первому правилу Клечковского заполнение электронных уровней в атоме происходит в порядке возрастания суммы \(n + l\). Например, какой электронный подуровень заполняется раньше – \(\mathrm{3d}\) или \(\mathrm{4s}\)? Для \(\mathrm{3d}\) подуровня сумма \(n + l\) равна \(5 (3 + 2)\), а для \(\mathrm{4s}\) она равна \(4 (4 + 0)\). Поэтому уровень \(\mathrm{4s}\) заполняется раньше, чем \(\mathrm{3d}\). Согласно первому правилу Клечковского заполнение электронных уровней в атоме происходит в порядке возрастания суммы \(n + l\). Например, какой электронный подуровень заполняется раньше – \(\mathrm{3d}\) или \(\mathrm{4s}\)? Для \(\mathrm{3d}\) подуровня сумма \(n + l\) равна \(5 (3 + 2)\), а для \(\mathrm{4s}\) она равна \(4 (4 + 0)\). Поэтому уровень \(\mathrm{4s}\) заполняется раньше, чем \(\mathrm{3d}\).

Второе правило Клечковского

Согласно второму правилу Клечковского при одинаковом значении суммы \(n + l\) первым происходит заполнение электронного подуровня, имеющего меньшее значение \(n\). Например, какой подуровень заполняется раньше – \(\mathrm{3p}\) или \(\mathrm{4s}\)? У обоих подуровней сумма \(n + l = 4\), однако у \(\mathrm{3p}\) подуровня \(n = 3\), а у \(\mathrm{4s}\) \(n = 4\), поэтому первым будет заполняться подуровень \(\mathrm{3p}\).

Пользуясь обоими правилами Клечковского, можно составить ряд заполнения электронных оболочек в атоме:

\(\mathrm{1s \lt 2s \lt 2p \lt 3s \lt 3p \lt 4s \lt 3d \lt}\)

\(\mathrm{\lt 4p \lt 5s \lt 4d \lt 5p \lt 6s \lt}\)

\(\mathrm{\lt 4f \sim 5d \lt 6p \lt 7s \lt 5f \sim 6d \lt 7p}\)

Подуровни \(\mathrm{4f}\) и \(\mathrm{5d}\), а также \(\mathrm{5f}\) и \(\mathrm{6d}\) очень близки по энергиям.

Правило Хунда

При размещении электронов по атомным орбиталям в пределах одной электронной подоболочки электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимален.

Проиллюстрируем правило Хунда на примере заполнения \(\mathrm{2p}\)-оболочки атома азота. На \(\mathrm{2p}\) уровне азота располагаются \(3\) электрона, которые можно разместить по атомным орбиталям различными способами.

1 способ:

Азот первый вариант

2 способ:

Азот второй вариант

3 способ:

Азот третий вариант

В первом случае суммарный спин электронов равен

\(\displaystyle{\frac{1}{2} - \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = \frac{1}{2}}\)

во втором случае:

\(\displaystyle{\frac{1}{2} + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = \frac{3}{2}}\)

в третьем случае:

\(\displaystyle{\frac{1}{2} + \frac{1}{2} - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}}\)

Поэтому реализуется второй способ размещения электронов. При этом это вовсе не означает, что другие способы размещения электронов (например, первый и третий) невозможны. Это означает, что способ размещения электронов, удовлетворяющий правилу Хунда является основным с минимальной энергией. Все остальные варианты размещения электронов являются возбужденными.

Исключения из правил Клечковского

В ряде химических элементов заполнение электронных оболочек происходит с нарушением правил Клечковского. Например, рассмотрим два смежных в таблице Менделеева химических элемента: никель и медь. У никеля на электронных оболочках содержится \(28\) электронов, а у меди \(29\). У никеля в полном соответствии с правилами Клечковского сначала происходит заполнение \(\mathrm{4s}\) подуровня, а только затем \(\mathrm{3d}\) (поэтому никель относится к \(\mathrm{d}\)-элементам):

Электронная конфигурация никеля

Медь, имеющая на один электрон больше, в принципе, должна иметь электронную конфигурацию \(\mathrm{[Ar]3d^94s^2}\), однако вместо этого один из электронов \(\mathrm{4s}\)-подуровня переходит на уровень \(\mathrm{3d}\), в результате чего медь имеет электронную конфигурацию \(\mathrm{[Ar]3d^{10}4s^1}\):

Электронная конфигурация меди

Такое явление называется «провалом» или «проскоком» электрона. Причина его в том, что полностью или ровно наполовину заполненные электронные оболочки обладают дополнительной устойчивостью и становится выгоднее завершить \(\mathrm{3d}\) оболочку, а не оставлять на ней \(9\) электронов. Термин «провал» электрона всё же не совсем удачный, потому что принцип минимума энергии соблюдается, и \(\mathrm{4s}\) орбиталь имеет более низкую энергию, чем \(\mathrm{3d}\). Поэтому лучше использовать термин «проскок» электрона.

Кроме меди, проскок электрона наблюдается также у серебра, золота, хрома и молибдена.

Назад Назад Далее Далее