Elektronlarni qanday taqsimlash kerak. Pauli printsipi

Elektronlarning energiya darajasi bo'yicha taqsimlanishi har qanday elementlarning metall va metall bo'lmagan xususiyatlarini tushuntiradi.

Elektron formula

Erkin va juftlashgan manfiy zarralar darajalar va pastki darajalarda joylashtirilgan ma'lum bir qoida mavjud. Elektronlarning energiya darajalari bo'yicha taqsimlanishini batafsil ko'rib chiqaylik.

Birinchi energiya darajasida faqat ikkita elektron mavjud. Orbitalni ular bilan to'ldirish energiya ta'minoti ortishi bilan amalga oshiriladi. Kimyoviy element atomida elektronlarning taqsimlanishi tartib raqamiga mos keladi. Minimal raqamga ega bo'lgan energiya darajalari valentlik elektronlarini yadroga jalb qilishning eng aniq kuchiga ega.

Elektron formulani tuzishga misol

Xund qoidasi har xil spinga ega bo'lgan ikkita elektronning bitta hujayradagi joylashishini tushuntiradi. Ikkinchi energiya darajasida to'rtta elektron mavjud. Natijada, kimyoviy element atomida elektronlarning taqsimlanishi quyidagi ko'rinishga ega: 1s22s22p2.

Elektronlarning pastki darajalar va darajalarga taqsimlanishi sodir bo'ladigan muayyan qoidalar mavjud.

Pauli printsipi

Bu tamoyil 1925 yilda Pauli tomonidan ishlab chiqilgan. Olim atomga faqat bir xil kvant raqamlariga ega bo'lgan ikkita elektronni joylashtirish imkoniyatini nazarda tutgan: n, l, m, s. E'tibor bering, elektronlarning energiya darajalari bo'yicha taqsimlanishi erkin energiya miqdori ortishi bilan sodir bo'ladi.

Klechkovskiy hukmronligi

Energiya orbitallarini to'ldirish n + l kvant sonlarining ko'payishiga qarab amalga oshiriladi va energiya zahirasining ortishi bilan tavsiflanadi.

Kaltsiy atomida elektronlarning taqsimlanishini ko'rib chiqing.

Oddiy holatda uning elektron formulasi quyidagicha:

Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.

d- va f-elementlar bilan bog'liq bo'lgan shunga o'xshash kichik guruhlarning elementlari uchun energiya zaxirasi kamroq bo'lgan tashqi pastki sathdan oldingi d- yoki f-kichik darajaga elektronning "muvaffaqiyatsizligi" mavjud. Xuddi shunday hodisa mis, kumush, platina, oltin uchun xosdir.

Atomdagi elektronlarning taqsimlanishi pastki darajalarni bir xil spinlarga ega bo'lmagan elektronlar bilan to'ldirishni o'z ichiga oladi.

Faqatgina barcha erkin orbitallar yagona elektronlar bilan to'liq to'ldirilgandan so'ng, kvant hujayralari qarama-qarshi spinlarga ega bo'lgan ikkinchi salbiy zarralar bilan to'ldiriladi.

Masalan, azotning qo'zg'atmagan holatida:

Moddalarning xossalariga valentlik elektronlarining elektron konfiguratsiyasi ta'sir qiladi. Ularning soni bo'yicha siz eng yuqori va eng past valentlikni, kimyoviy faollikni aniqlashingiz mumkin. Agar element davriy jadvalning asosiy kichik guruhida bo'lsa, siz tashqi energiya darajasini tuzish, uning oksidlanish darajasini aniqlash uchun guruh raqamidan foydalanishingiz mumkin. Masalan, beshinchi guruhdagi (asosiy kichik guruh) fosfor beshta valentlik elektronini o'z ichiga oladi, shuning uchun u uchta elektronni qabul qilishga yoki boshqa atomga beshta zarracha berishga qodir.

Davriy jadvalning ikkilamchi kichik guruhlari barcha vakillari ushbu qoidadan istisno sifatida harakat qilishadi.

Oilaviy xususiyatlar

Tashqi energiya darajasi qanday tuzilishga ega ekanligiga qarab, davriy jadvalga kiritilgan barcha neytral atomlarning to'rtta oilaga bo'linishi mavjud:

s-elementlar birinchi va ikkinchi guruhlarda (asosiy kichik guruhlar);
p-oila III-VIII guruhlarda joylashgan (A kichik guruhlari);
d-elementlarni I-VIII guruhlardan shu kabi kichik guruhlarda topish mumkin;
f- oilasi aktinidlar va lantanidlardan iborat.

Oddiy holatdagi barcha s-elementlar s-kichik darajadagi valentlik elektronlariga ega. P-elementlar s- va p-kichik darajalarda erkin elektronlar mavjudligi bilan tavsiflanadi.

Qo'zg'atmagan holatdagi d-elementlar oxirgi s-da ham, so'nggi d-pastki sathda ham valentlik elektronlariga ega.

Xulosa

Qo'zg'atmagan holatda eng kichik energiya zaxirasi birinchi darajalarda joylashgan elektronlarga ega. Neytral atom qizdirilganda elektronlarning o'tishi kuzatiladi, bu har doim erkin elektronlar sonining o'zgarishi bilan birga keladi, elementning oksidlanish holatining sezilarli o'zgarishiga, uning kimyoviy faolligining o'zgarishiga olib keladi.

Elektronlarning atomda taqsimlanishi kvant mexanikasining 3 ta qoidasiga muvofiq amalga oshiriladi: Pauli printsipi; minimal energiya printsipi; Hund qoidasi.

Pauli printsipiga ko'ra Atomda barcha to'rtta kvant sonining qiymatlari bir xil bo'lgan ikkita elektron bo'lishi mumkin emas. Pauli printsipi bitta orbital, sath va pastki darajadagi elektronlarning maksimal sonini aniqlaydi. Chunki AO uchta kvant soni bilan tavsiflanadi n, l, ml, berilgan orbitalning elektronlari faqat spin kvant sonida farq qilishi mumkin Xonim. Lekin Xonim faqat ikkita +½ va -½ qiymatga ega bo'lishi mumkin.

Shuning uchun bir orbitalda spinlari qarama-qarshi yo'naltirilgan ikkitadan ortiq elektron bo'lishi mumkin emas. Energiya darajasidagi elektronlarning maksimal soni 2 ga teng n 2 va pastki darajada - 2 (2 l+1). Turli darajalarda va pastki darajalarda joylashgan elektronlarning maksimal soni Jadvalda keltirilgan. 2.1.

Kvant darajalari va pastki darajalardagi elektronlarning maksimal soni

Energiya darajasi	Energiya pastki darajasi	Magnit kvant sonining mumkin bo'lgan qiymatlari ml	AJlar soni	Har bir elektronning maksimal soni
pastki daraja	Daraja	pastki daraja	Daraja
K (n= 1)	s (l= 0)
L (n= 2)	s (l= 0) p (l= 1)	-1, 0, 1
M (n= 3)	s (l= 0) p (l= 1) d (l= 2)	-1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2
N (n= 4)	s (l= 0) p (l= 1) d (l= 2) f (l= 3)	-1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

Orbitallarni elektronlar bilan to'ldirish ketma-ketligi ga muvofiq amalga oshiriladi minimal energiya printsipi, Shu bilan elektronlar orbitallarning energiya darajasini oshirish tartibida orbitallarni to'ldiradi. Orbitallarning energiya bo'yicha tartibi bilan belgilanadi Klechkovskiy hukmronligi : energiyaning ko'payishi va shunga mos ravishda orbitallarning to'ldirilishi yig'indining ko'payishi (n + l) va teng yig'indi (n + l) bilan - n ning ortib borishi tartibida sodir bo'ladi.

Elektronlarning atom qobig'idagi energiya darajalari va pastki darajalari bo'yicha taqsimlanish tartibi uni chaqirdi elektron konfiguratsiya. Elektron konfiguratsiyani yozishda daraja raqami (asosiy kvant soni) 1, 2, 3, 4 ... raqamlari bilan, pastki daraja (orbital kvant soni) - harflar bilan belgilanadi. s, p, d, f. Pastki darajadagi elektronlar soni pastki daraja belgisining yuqori qismida yozilgan raqam bilan ko'rsatiladi. Masalan, oltingugurt atomining elektron konfiguratsiyasi 16 S 1 ga teng s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 va vanadiy 23 V 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d°/i> 3 4 s 2 .

Atomlarning kimyoviy xossalari asosan tashqi energiya darajalarining tuzilishi bilan belgilanadi, ular deyiladi valentlik. Tugallangan energiya darajalari kimyoviy o'zaro ta'sirda qatnashmaydi. Shuning uchun, qisqalik uchun ular ko'pincha qisqalik uchun oldingi olijanob gazning ramzi bilan belgilanadi. Shunday qilib, oltingugurt uchun: 3 s 2 3p to'rtta; vanadiy uchun: 3 d 3 4s 2. Shu bilan birga, qisqartirilgan belgi element atomlarining kimyoviy xossalarini aniqlaydigan valentlik elektronlarini aniq ta'kidlaydi.

Atomning qaysi pastki sathi oxirgi marta to'ldirilganligiga qarab, barcha kimyoviy elementlar 4 elektron oilaga bo'linadi: s-, p-, d-, f- elementlar. Tashqi sathning s-kichik darajasini atomlari oxirgi bo'lib to'ldiradigan elementlarga s-elementlar deyiladi.. Da s- elementlar valentlikdir s-tashqi energiya darajasidagi elektronlar.

Da p-elementlar tashqi sathning p-pastki sathi oxirgi marta to'ldiriladi. Ularda valentlik elektronlari mavjud p- va s- tashqi qatlamning pastki darajalari. Da d-elementlar, oldingi tashqi darajadagi d-pastki sathi oxirgi to'ldiriladi va valentlik s- tashqi elektronlar va d- oldingi tashqi energiya darajalarining elektronlari. Da f-elementlar, uchinchi tashqi energiya darajasining f-pastki darajasi oxirgi to'ldiriladi.

Atomning elektron konfiguratsiyasi atom orbitalining grafik tasviri bo'lgan kvant xujayralarida elektron joylashtirish sxemalari shaklida ham tasvirlanishi mumkin. Har bir kvant xujayrasi teskari yo'naltirilgan spinli ikkitadan ko'p bo'lmagan elektronni o'z ichiga olishi mumkin. Elektronlarni bitta kichik daraja ichida joylashtirish tartibi Xund qoidasi bilan belgilanadi: pastki darajadagi elektronlar ularning umumiy spini maksimal bo'lishi uchun joylashtirilgan. Boshqacha qilib aytganda, berilgan pastki sath orbitallari birinchi navbatda bir xil spinli bitta elektron, keyin esa qarama-qarshi spinli ikkinchi elektron bilan to'ldiriladi.

Umumiy aylanish R- oltingugurt atomining uchinchi energiya darajasining elektronlari S Xonim= ½ - ½ + ½ + ½ = 1; d- vanadiy atomining elektronlari -

S Xonim\u003d ½ + ½ + ½ \u003d 3/2.

Ko'pincha, butun elektron formula grafik jihatdan tasvirlangan emas, balki faqat valent elektronlar joylashgan pastki darajalar, masalan,

16S…3 s 2 3p to'rtta; 23V…3 d 3 4s 2 .

Atomning hayajonlangan holatda elektron konfiguratsiyasining grafik tasvirida to'ldirilganlar bilan bir qatorda bo'sh valentlik orbitallari tasvirlangan. Masalan, uchinchi energiya darajasidagi fosfor atomida bittasi mavjud s-AO, uch R-ao va besh d-A.O. Fosfor atomining asosiy holatidagi elektron konfiguratsiyasi shaklga ega

15 R… 3 s 2 3p 3 .

Juftlanmagan elektronlar soni bilan aniqlangan fosforning valentligi 3 ga teng. Atom qo'zg'aluvchan holatga o'tganda 3-holatdagi elektronlar deparatsiyalanadi. s va elektronlardan biri s-pastki darajaga o'tish mumkin d-pastki daraja:

R*… 3 s2 3p 3 3d 1

Bunda fosforning valentligi asosiy holatda uchtadan (PCl 3) qo'zg'aluvchan holatda beshga (PCl 5) o'zgaradi.

Agar bir xil zarrachalar bir xil kvant raqamlariga ega bo'lsa, ularning to'lqin funktsiyasi zarracha almashinuviga nisbatan simmetrikdir. Bundan kelib chiqadiki, bir tizimga kiritilgan ikkita bir xil fermionlar bir xil holatda bo'la olmaydi, chunki fermionlar uchun to'lqin funktsiyasi antisimmetrik bo'lishi kerak. Eksperimental ma'lumotlarni umumlashtirib, V. Pauli tuzdi tamoyil istisnolar , Shu bilan fermion tizimlar tabiatda uchraydi faqat shtatlarda,antisimmetrik to'lqin funktsiyalari bilan tavsiflanadi(Pauli printsipining kvant-mexanik formulasi).

Bu pozitsiyadan u kvant mexanikasi qurilishidan oldin (1925) kvant nazariyasiga kiritgan Pauli printsipining soddaroq formulasidan kelib chiqadi: bir xil fermionlar tizimida ularning ikkalasi bir vaqtning o'zida mumkin emas bir xil holatda bo'lish . E'tibor bering, bir xil holatdagi bir xil bozonlar soni cheklanmagan.

Eslatib o'tamiz, atomdagi elektronning holati to'plam tomonidan yagona aniqlanadi to'rtta kvant soni :

asosiy n ;

orbital l , odatda bu holatlar 1 ni bildiradi s, 2d, 3f;

magnit ();

· magnit aylanish ().

Elektronlarning atomda taqsimlanishi Pauli printsipiga ko'ra sodir bo'ladi, uni atom uchun eng oddiy shaklda shakllantirish mumkin: Xuddi shu atomda bir xil to'rtta kvant soniga ega bittadan ortiq elektron bo'lishi mumkin emas: n, l, , :

Z (n, l, , ) = 0 yoki 1,

qayerda Z (n, l, , ) - kvant holatidagi elektronlar soni, toʻrtta kvant sonlar toʻplami bilan tavsiflanadi: n, l, , . Shunday qilib, Pauli printsipida aytilishicha, bu ikki elektron ,bir xil atomda bog'langanlar qiymati jihatidan farq qiladi ,Har ehtimolga qarshi ,bitta kvant soni .

Uch kvant soni to'plami bilan tavsiflangan holatlardagi elektronlarning maksimal soni n, l va m, va faqat elektron spinlarning orientatsiyasida farq qiluvchi quyidagilarga teng:

(8.2.1)

chunki spin kvant soni faqat ikkita qiymatni qabul qilishi mumkin: 1/2 va –1/2.

Ikki kvant soni bilan belgilanadigan holatda bo'lgan elektronlarning maksimal soni n va l:

(8.2.2)

Bunday holda, elektronning orbital burchak momentining vektori kosmosda bo'lishi mumkin (2 l+ 1) turli yo'nalishlar (8.1-rasm).

Davlatlardagi elektronlarning maksimal soni asosiy kvant sonining qiymati bilan belgilanadi n, teng:

(8.2.3)

Ko'p elektronli atomdagi elektronlar to'plami,bir xil bosh kvant soniga ega n,chaqirdi elektron qobiq yoki qatlam .

Har bir qobiqda elektronlar bo'ylab taqsimlanadi pastki qavatlar bunga mos keladi l.

kosmos maydoni,unda elektronni topish ehtimoli yuqori, chaqirildi pastki qavat yoki orbital . Orbitallarning asosiy turlarining ko'rinishi rasmda ko'rsatilgan. 8.1.

Orbital kvant soni 0 dan gacha qiymatlarni qabul qilganligi sababli, pastki qavatlar soni tartib raqamiga teng. n chig'anoqlar. Pastki qavatdagi elektronlar soni magnit va magnit spin kvant raqamlari bilan belgilanadi: ma'lum bo'lgan pastki qavatdagi elektronlarning maksimal soni. l 2 ga teng (2 l+ 1). Qobiqlarning belgilari, shuningdek elektronlarning qobiqlar va pastki qavatlar bo'ylab taqsimlanishi Jadvalda keltirilgan. bitta.

1-jadval

Bosh kvant soni n

qobiq belgisi

Qobiqdagi elektronlarning maksimal soni

Orbital kvant soni l

Subshell belgisi

Maksimal raqam

ichida elektronlar

pastki qavat

Elektronlarning energiya darajasi bo'yicha taqsimlanishi har qanday elementlarning metall va metall bo'lmagan xususiyatlarini tushuntiradi.

Elektron formula

Erkin va juftlashgan manfiy zarralar darajalar va pastki darajalarda joylashtirilgan ma'lum bir qoida mavjud. Elektronlarning energiya darajalari bo'yicha taqsimlanishini batafsil ko'rib chiqaylik.
Birinchi energiya darajasida faqat ikkita elektron mavjud. Orbitalni ular bilan to'ldirish energiya ta'minoti ortishi bilan amalga oshiriladi. Kimyoviy element atomida elektronlarning taqsimlanishi tartib raqamiga mos keladi. Minimal raqamga ega bo'lgan energiya darajalari valentlik elektronlarini yadroga jalb qilishning eng aniq kuchiga ega.

Elektron formulani tuzishga misol

Uglerod atomi misolida elektronlarning energiya darajalari bo'yicha taqsimlanishini ko'rib chiqing. Uning seriya raqami 6 ga teng, shuning uchun yadro ichida oltita musbat zaryadlangan proton mavjud. Uglerodning ikkinchi davr vakili ekanligini hisobga olsak, u ikkita energiya darajasining mavjudligi bilan tavsiflanadi. Birinchisida ikkita elektron, ikkinchisida to'rtta elektron bor.
Xund qoidasi har xil spinga ega bo'lgan ikkita elektronning bitta hujayradagi joylashishini tushuntiradi. Ikkinchi energiya darajasida to'rtta elektron mavjud. Natijada, kimyoviy element atomida elektronlarning taqsimlanishi quyidagi ko'rinishga ega: 1s22s22p2.
Elektronlarning pastki darajalar va darajalarga taqsimlanishi sodir bo'ladigan muayyan qoidalar mavjud.

Pauli printsipi

Klechkovskiy hukmronligi

Energiya orbitallarini to'ldirish n + l kvant sonlarining ko'payishiga qarab amalga oshiriladi va energiya zahirasining ortishi bilan tavsiflanadi.
Kaltsiy atomida elektronlarning taqsimlanishini ko'rib chiqing.
Oddiy holatda uning elektron formulasi quyidagicha:
Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.
d- va f-elementlar bilan bog'liq bo'lgan shunga o'xshash kichik guruhlarning elementlari uchun energiya zaxirasi kamroq bo'lgan tashqi pastki sathdan oldingi d- yoki f-kichik darajaga elektronning "muvaffaqiyatsizligi" mavjud. Xuddi shunday hodisa mis, kumush, platina, oltin uchun xosdir.
Atomdagi elektronlarning taqsimlanishi pastki darajalarni bir xil spinlarga ega bo'lmagan elektronlar bilan to'ldirishni o'z ichiga oladi.
Faqatgina barcha erkin orbitallar yagona elektronlar bilan to'liq to'ldirilgandan so'ng, kvant hujayralari qarama-qarshi spinlarga ega bo'lgan ikkinchi salbiy zarralar bilan to'ldiriladi.
Masalan, azotning qo'zg'atmagan holatida:
1s2 2s2 2p3.
Moddalarning xossalariga valentlik elektronlarining elektron konfiguratsiyasi ta'sir qiladi. Ularning soni bo'yicha siz eng yuqori va eng past valentlikni, kimyoviy faollikni aniqlashingiz mumkin. Agar element davriy jadvalning asosiy kichik guruhida bo'lsa, siz tashqi energiya darajasini tuzish, uning oksidlanish darajasini aniqlash uchun guruh raqamidan foydalanishingiz mumkin. Masalan, beshinchi guruhdagi (asosiy kichik guruh) fosfor beshta valentlik elektronini o'z ichiga oladi, shuning uchun u uchta elektronni qabul qilishga yoki boshqa atomga beshta zarracha berishga qodir.
Davriy jadvalning ikkilamchi kichik guruhlari barcha vakillari ushbu qoidadan istisno sifatida harakat qilishadi.

Oilaviy xususiyatlar

Tashqi energiya darajasi qanday tuzilishga ega ekanligiga qarab, davriy jadvalga kiritilgan barcha neytral atomlarning to'rtta oilaga bo'linishi mavjud:

s-elementlar birinchi va ikkinchi guruhlarda (asosiy kichik guruhlarda); p-oilasi III-VIII guruhlarda (A kichik guruhlarda) joylashgan; d-elementlar I-VIII guruhlardagi o'xshash kichik guruhlarda; f-oilada aktinidlar va lantanidlardan iborat. Oddiy holatdagi barcha s-elementlar s-kichik darajadagi valentlik elektronlariga ega. P-elementlar s- va p-kichik darajalarda erkin elektronlar mavjudligi bilan tavsiflanadi.
Qo'zg'atmagan holatdagi d-elementlar oxirgi s-da ham, so'nggi d-pastki sathda ham valentlik elektronlariga ega.

Xulosa

Atomdagi har qanday elektronning holatini asosiy raqamlar to'plami yordamida tasvirlash mumkin. Uning tuzilishining xususiyatlariga qarab, biz ma'lum miqdorda energiya haqida gapirishimiz mumkin. Davriy jadvalga kiritilgan har qanday element uchun Hund, Klechkovskiy, Pauli qoidasidan foydalanib, siz neytral atomning konfiguratsiyasini yaratishingiz mumkin.
Qo'zg'atmagan holatda eng kichik energiya zaxirasi birinchi darajalarda joylashgan elektronlarga ega. Neytral atom qizdirilganda elektronlarning o'tishi kuzatiladi, bu har doim erkin elektronlar sonining o'zgarishi bilan birga keladi, elementning oksidlanish holatining sezilarli o'zgarishiga, uning kimyoviy faolligining o'zgarishiga olib keladi.