Закономерности заполнения атомных орбиталей

Обратимся теперь к вопросу о закономерностях заполнения атомных орбиталей. Решающее значение, как обычно, имеют энергетические характеристики. В этой связи учитываются три принципа.

• Принцип минимума энергии. В невозбужденном атоме электроны распределяются по энергетическим уровням и подуровням так, чтобы их суммарная энергия была бы минимальной. В рамках указанного принципа справедливо правило В. М. Клечковского: энергия электрона тем меньше, чем меньше сумма п + /; при равенстве этой суммы для двух или нескольких электронов энергия меньше у тех электронов, у которых меньше главное квантовое число п.

• Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. В этой связи особенно существенно, что на каждой орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Допускается электронное заполнение , но не или

• Принцип Гунда. Заполнение орбитали начинается электронами с одинаково направленными спинами; лишь после того, как именно этими электронами заполнены все вакансии, наступает черед электронов с противоположными спинами.

В табл. 5.4 приведены структурная и процессуальная форма электронных энергетических подуровней. Числа, стоящие на месте степеней показательных функций, указывают максимальное число электронов, способных занять данный подуровень.

В табл. 5.4 в последней строке показана последовательность заполнения энергетических подуровней. Известная неожиданность состоит в том, что она не совпадает с той последовательностью заполнения, которая должна быть согласно 4-й строке в табл. 5.3. Там 3d стоит после 3р_у а не после 45. Соответственно выделенные нами полужирным шрифтом энергетические подуровни вроде бы стоят не на своих местах. Это впечатление ошибочное. Дело в том, что первая строка табл. 5.4 не выражает последовательность заполнения энергетических подуровней. В ней они перечислены таким образом, что нарушается принцип минимума энергии, который, следует заметить, является следствием принципа наименьшего действия. Строгое следование ему как раз и приводит к той последовательности заполнения энергетических подуровней, которая указана в последней строке табл. 5.4.

Таблица б Л

Сравнение двух форм электронных подуровней.

Структурная форма энергетических подуровней.
Последовательность заполнения энергетических подуровней.

После всего сказанного в качестве иллюстрации закономерностей квантовой механики мы приводим таблицу Менделеева в том ее виде, который рекомендуется Международным союзом прикладной и теоретической химии — IUPAC, 2011 (табл. 5.5).

В табл. 5.5 химические элементы сгруппированы в 18 групп (по вертикали) и в семь периодов (по горизонтали насчитывается семь строк). Замечательная особенность рассматриваемой таблицы состоит в том, что в ней выделяются четыре блока. В 5-блок входят все элементы первых двух групп и гелий {Не). Это означает, что самый внешний электрон относится к 5-подуровню. В р-блок входят все элементы, входящие в группы (3—12), за исключением лантаноидов (атомные номера элементов с 57 по 71) и актиноидов (атомные номера 89—103), образующих /-блок, р-блок образуют элементы 13—18 групп (за исключением гелия). Блочная принадлежность того или иного элемента позволяет судить о его валентности, т. е. о важнейшей характеристике атомов химических элементов.

На основании таблицы Менделеева достаточно просто выразить электронную конфигурацию любого атома. Действительно, его номер задает число электронов. Как и в каком количестве они распределяются, но энергетическим подуровням, известно (см. последнюю строку табл. 5.3). Допустим, что нас заинтересовал атом кальция Са. Его номер 20, следовательно, всего у него 20 электронов. Нетрудно установить, на каких энергетических подуровнях они расположены. Запишем общую формулу заполнения энергетических подуровней:

В случае кальция нас интересует та стадия заполнения энергетических подуровней, при которой достигается число 20. В рассматриваемом случае это уровень 45, ибо именно на нем сумма числа электронов достигает числа 20 (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 = 20). Полная электронная формула невозбужденного атома кальция будет выглядеть следующим образом (знак не пишется):

Таблица Менделеева содержит в концентрированном виде огромный объем сведений, которые излагаются в тысячах книг. Жанр нашей книги позволяет перечислить лишь некоторые из них.

Система элементов Менделеева.

Таблица 5.5.

• • Масса атомов при перемещении по таблице сверху вниз и слева направо возрастает.
• • Радиус атомов при перемещении по таблице сверху вниз увеличивается, но убывает по мере перемещения слева направо.
• • Электроотрицательность при перемещении по таблице сверху вниз убывает, но увеличивается слева направо.
• • Энергия ионизации при перемещении по таблице сверху вниз убывает, но возрастает слева направо. Металличность увеличивается при перемещении по таблице сверху вниз, но убывает слева направо.

Напоследок обратимся к вопросу о количестве химических элементов, достойных быть включенными в таблицу Менделеева. Свинец является химическим элементом с наибольшим атомным номером, существующим в форме стабильных, нерадиоктивных изотопов. Все элементы с номерами выше 82 не обладают стабильными изотопами. То же самое характерно и для технеция (номер 43) и прометия (номер 61). Таким образом, атомы только 80 химических элементов являются стабильными. Что касается радиоактивных элементов, то, как показывает практика экспериментальных исследований, обнаружить их в естественных условиях затруднительно. Из экспериментально известных 118 химических элементов только 98 были обнаружены в естественных условиях. Еще 20 элементов было синтезировано. Не исключается, что расширение экспериментальных возможностей приведет к резкому возрастанию числа радиоактивных химических элементов. Их существование предсказывается в рамках многих теорий, в частности теории сверхновых звезд.

Выводы.

• • В невозбужденном атоме электроны распределяются по энергетическим уровням и подуровням так, чтобы их суммарная энергия была минимальной.
• • В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.
• • Современная интерпретация основного содержания таблицы Менделеева предполагает выделение групп, периодов и блоков химических элементов.
• • Множится число синтезируемых радиоактивных химических элементов.