Заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули

Порядок заполнения электронных состояний в слоях атомов, а в пределах одного слоя – в оболочках, должен соответствовать последовательности расположения энергетических уровней.

Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, а затем состояния со все более высокой энергией. В пределах одного слоя сначала заполняются состояния с l = 0, а затем состояния с большим l, вплоть до l = n – 1.

Подобная идеальная система элементов должна была бы иметь строение и длины периодов (т.е. число элементов в одном периоде), соответствующие нашей таблице. Реальная периодическая система элементов отличается от идеальной системы.

Для того чтобы понять причину различия, следует учесть, что каждый электрон находится в поле ядра и в поле всех остальных электронов, взаимодействующих между собой.

Учет взаимодействия между электронами приводит к тому, что для достаточно больших главных квантовых чисел n состояния с большим n и меньшим l могут иметь меньшую энергию, т.е. быть энергетически более выгодными, чем состояния с меньшим n, но большим l. В этом состоит причина отступления в заполнении состояний в реальной периодической системе элементов от заполнения, соответствующего нашей таблице.

Пример. В атоме водорода единственный электрон находится в состоянии 1s, характеризуемом квантовыми числами n = 1, l = 0, m = 0. При этом проекция его спина на направление внешнего поля характеризуется спиновыми числами m_s = ±½.

В атоме гелия имеется два электрона. Оба электрона этого атома могут находиться в состоянии 1s, т.е. n = 1, l = 0, m = 0. Спины этих электронов ориентированы в противоположных направлениях – для одного из них m_s = ½, для другого m_s = - ½.

Группа состояний с n = 1, l = 0, m = 0, m_s = ½ образует заполненный К-слой атома, соответствующий завершению первого периода периодической таблицы Менделеева.

Следующий по порядку атом лития содержит три электрона. Но, по принципу Паули, третий электрон атома лития уже не может разместиться в целиком заполненном К -слое и занимает наинизшее энергетическое состояние в слое с n = 2 (L -слой). Таким состоянием является состояние 2 s (l = 0, m = 0). Литием начинается второй период периодической таблицы. Максимальное число электронов в L -слое – 8 (см. таблицу). Четвертый электрон бериллия занимает также состояние 2 s, а пятый электрон бора должен занять энергетически более высокое состояние 2 p (n = 2, l = 1). Далее вплоть до неона (Z = 10) заполняется L -слой и завершается второй период.

11-ый электрон натрия (Z = 11) размещается уже в М -слое (n = 3). Далее вплоть до аргона (Z = 18) идет последовательная застройка М -слоя. Она заканчивается заполнением всех состояний оболочки 3p у аргона, завершающего третий период.

Пример. 19-й электрон калия (Z = 19) должен был бы занять состояние 3 d в М- слое. Однако химические свойства калия, как показывает опыт, аналогичны свойствам Li и Na, у которых валентный электрон находится в s- состоянии. Поэтому и у калия его 19-й валентный электрон должен находиться в s -состоянии. Но это может быть только s-состояние в следующем N -слое (n = 4) – состояние 4 s. Таким образом, начиная с калия, при незаполненной 3 d оболочке М -слоя начинается застройка N -слоя. Это означает, что вследствие взаимодействия между электронами энергия электрона в состоянии 4 s меньше, чем энергия, которую он имел бы в состоянии 3 d. 20-й элемент также размещается в состоянии 4 s N –слоя, а начиная с 21-го – скандия, возобновляется заполнение оболочки 3 d М -слоя.

Из всего вышеизложенного следует, что периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних электронных оболочках у атомов родственных элементов.

Вопросы для самоконтроля:

1. По какому принципу идет заполнение электронами энергетических состояний в атоме? Сформулируйте этот принцип.

2. Сколько электронов может быть в атоме, у которого в основном состоянии заполнены К и L -оболочки заполнены полностью?

3. Чем определяется периодичность химических свойств элементов?

Лекция 10