Электронная оболочка атома играет ключевую роль в его химическом поведении. Электроны, находящиеся в оболочке, определяют химические свойства атома, включая его реакционную способность, степень валентности и способность образовывать химические связи. Поэтому понимание принципов заполнения электронной оболочки и правил электронной конфигурации в химии является фундаментальным для изучения химических процессов.
Принципы заполнения электронной оболочки в основном определяются двумя основными правилами: правилом Клейна-Гордона и правилом взаимного отталкивания электронов. Первое правило гласит, что электроны первой энергетической оболочки заполняются в первую очередь, затем второй и т.д. Согласно второму правилу, каждый уровень энергии в атоме может быть заполнен только двумя электронами с противоположным спином.
Правила электронной конфигурации определяют порядок заполнения электронных оболочек атома. Они основаны на принципах заполнения электронной оболочки и включают такие правила, как правило строительства, правило заполнения, правило слева направо и правило минимальной энергии. С помощью этих правил можно определить конфигурацию электронов в атоме и его положение в периодической таблице элементов.
Принципы заполнения электронной оболочки
Электронная оболочка атома состоит из энергетических уровней, на которых располагаются электроны. Заполнение оболочки происходит в соответствии с определенными принципами, которые определяют порядок заполнения энергетических уровней.
Основные принципы заполнения оболочки:
| 1s | 2 электрона | наиболее низкая энергия |
|---|---|---|
| 2s | 2 электрона | больше энергии, чем 1s |
| 2p | 6 электронов | больше энергии, чем 2s |
| 3s | 2 электрона | больше энергии, чем 2p |
| 3p | 6 электронов | больше энергии, чем 3s |
| 4s | 2 электрона | больше энергии, чем 3p |
| 3d | 10 электронов | больше энергии, чем 4s |
Перед заполнением очередного энергетического уровня, сначала заполняются подуровни с меньшей энергией. Например, перед заполнением 4s уровня, сначала заполняется 3d уровень, так как он имеет меньшую энергию.
Структура электронной оболочки атома
Структура электронной оболочки атома определяет распределение электронов вокруг его ядра. Электронная оболочка состоит из энергетических уровней и подуровней, на которых располагаются электроны.
Энергетический уровень представляет собой область пространства, на котором находятся электроны с определенной энергией. Уровни обозначают буквами от K до Q (K, L, M, N, O, P, Q). Уровень K является ближайшим к ядру и может содержать максимум 2 электрона, L — до 8 электронов, M — до 18 и так далее.
Подуровни обозначаются буквами s, p, d, f и указывают форму орбитали, на которой находятся электроны. Уровни K и L содержат только один тип подуровня — s и p соответственно. На уровнях M и выше присутствуют все 4 типа подуровней: s, p, d, f.
Принципы заполнения электронных оболочек атомов определяют, как распределены электроны по уровням и подуровням. Электроны заполняют уровни и подуровни по порядку возрастания энергии. Это значит, что сначала заполняются более низкоэнергетические уровни и подуровни, а затем уже более высокоэнергетические.
- Принцип заполнения по энергетическим уровням: уровни заполняются по порядку возрастания энергии. Например, первый электрон заполняет уровень K, затем L и так далее.
- Принцип заполнения по подуровням: подуровни заполняются по порядку возрастания энергии. Например, на уровне L сначала заполняются подуровни s, затем p.
Правила электронной конфигурации позволяют представить распределение электронов в электронной оболочке атома с помощью чисел и букв. Каждый энергетический уровень и подуровень обозначаются своими обозначениями. Например, электронная конфигурация атома кислорода (O) — 1s2 2s2 2p4, где каждое число после обозначения энергетического уровня указывает количество электронов на этом уровне, а буквы s, p, d, f обозначают подуровни.
Знание структуры электронной оболочки атома позволяет понять его химические свойства и взаимодействия с другими атомами.
Принцип заполнения электронных уровней
Согласно этому принципу, электроны заполняют энергетические уровни начиная с более низких энергетических уровней и заканчивая более высокими. Таким образом, вначале заполняется первый энергетический уровень, затем — второй, третий и так далее.
На каждом энергетическом уровне могут находиться различное количество электронов. Первый энергетический уровень может содержать не более 2 электронов, второй — не более 8 электронов, третий — не более 18 электронов и т.д.
Кроме того, существует правило, согласно которому электроны заполняют подуровни (s, p, d, f) в порядке возрастания их энергии. Так, сначала заполняются электроны s-подуровня, затем p-подуровня, d-подуровня и, наконец, f-подуровня.
Принцип заполнения электронных уровней является основополагающим для составления электронной конфигурации атома и позволяет определить расположение электронов в атоме и его химические свойства.
Правило Гунда
Согласно правилу Гунда, электроны в атоме заполняют сначала оболочки с наименьшим возможным значением суммы главного квантового числа n и величины орбитального момента l. Таким образом, сначала заполняются электроны с наименьшим значением n + l, а затем с наименьшим значением n. В случае равенства значений n + l, значения n становятся определяющими.
Правило Гунда может быть полезно при определении последовательности электронного заполнения для различных элементов периодической системы. Знание электронной конфигурации атомов позволяет прогнозировать и объяснять их химические свойства, взаимодействия с другими элементами и способность образовывать соединения.
| Элемент | Электронная конфигурация |
|---|---|
| Натрий (Na) | 1s2 2s2 2p6 3s1 |
| Кислород (O) | 1s2 2s2 2p4 |
| Железо (Fe) | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 |
Применение правила Гунда упрощает процесс определения электронной конфигурации и помогает понять законы заполнения электронной оболочки элементов.
Правило Хана
Правило Хана показывает, что в электронной оболочке атома электроны располагаются по возрастанию энергии. По мере увеличения зарядового числа элемента в периоде, число наполненных электронами подуровней также увеличивается. Например, первым периодом заполнения является 1s, вторым — 2s и 2p, третьим — 3s, 3p и 3d, и так далее.
Согласно правилу Хана, внешняя электронная оболочка атома может содержать не более 8 электронов. Это объясняет структуру периодической системы элементов и позволяет определить их свойства.
Закон Шуберта
Согласно закону Шуберта, электроны в атоме заполняют свободные энергетические уровни, начиная с наименьшей энергии и постепенно двигаясь к высшим энергетическим уровням. Каждый энергетический уровень может содержать определенное количество электронов.
Правило заполнения, основанное на законе Шуберта, известно как правило Хунда. Согласно этому правилу, электроны заполняют подуровни с минимальной энергией в первую очередь, прежде чем переходить к более высоким энергетическим уровням.
| Энергетический уровень | Подуровни | Максимальное количество электронов |
|---|---|---|
| 1-ый уровень | s | 2 |
| 2-ой уровень | s, p | 8 |
| 3-ий уровень | s, p, d | 18 |
| 4-ый уровень | s, p, d, f | 32 |
Таким образом, согласно закону Шуберта, электроны заполняют атомные оболочки, начиная с ближайшего к ядру энергетического уровня и подуровни с наименьшей энергией. Правило Хунда указывает на максимальное количество электронов, которые могут находиться на каждом энергетическом уровне и подуровне.
Правило Паули
Правило Паули является следствием особенностей волновой природы электронов: электроны с одинаковыми квантовыми числами нельзя рассматривать как неразличимые частицы. Благодаря этому правилу, можно легко определить расположение электронов в атоме, зная их электронную конфигурацию.
Например, атом кислорода имеет атомный номер 8 и электронную конфигурацию 1s22s22p4. Согласно правилу Паули, первая орбиталь 1s может вмещать не более 2 электронов с противоположными спинами, а вторая орбиталь 2s также может вместить 2 электрона. Наконец, третья орбиталь 2p может вместить 6 электронов, но из-за правила Паули она заполняется только 4 электронами, каждый из которых имеет противоположный спин.
Таким образом, правило Паули играет важную роль в понимании структуры атомов и молекул и является одним из основных принципов химии.
Заполнение электронной оболочки элементов с атомным номером больше 18
Когда атом имеет атомный номер больше 18, заполнение электронной оболочки происходит по-другому. Вместо того чтобы продолжать заполнять оболочки по порядку (1s, 2s, 2p, и т.д.), электроны начинают заполнять уровни d-подобных орбиталей, которые по атомному номеру следуют за уровнями s и p.
Процесс заполнения электронной оболочки элемента с атомным номером больше 18 можно описать следующим образом:
1. Первыми заполняются оболочки s-типа (s1, s2, s2).
2. Затем заполняются оболочки d-типа (d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7, d8, d9, d10).
3. После этого продолжается заполнение оболочек p-типа (p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7).
Заполнение электронной оболочки элемента с атомным номером больше 18 происходит в соответствии с этой последовательностью, что позволяет получить правильную электронную конфигурацию.