Характеристика энергетического состояния электрона с помощью квантовых чисел. 
Атомные орбитали. 
Форма электронных облаков для s-, p-, d-и f-состояния

Движение электорона в атоме может быть представлено в виде электронного облака. Область электронного облака, в которой электрон проводит более 95% времени нывается электронной орбиталью (Э.О.). Больший размер орбитали характеризует большую энергию электрона. Орбитали близкого размера образуют энергетические уровни, которые состоят из подуровней.

Для описания состояния электрона в атоме используются 4 квантовых числа (n, l, m, s). Первые три соответствуют трем степеням свободы электрона в трехмерном пространстве, а четвертое соответсвует вероятности вращения электрона вокруг воображаемой собственной оси. Квантовые числа:

1. «n» — главное квантовое число. Характеризует уровень энергии электрона в поле атома (удаленность от ядра). Математическая зависимость энергии связи с ядром:

Ea=-13,6/n2 Эв, n=1,2…

Для реальных элементов n=1,…, 7. n=номеру периода.

• 2. «l» — орбитальное квантовое число. Характризует тип подуровня (форма электронного облака). l=0,1,2,…,(n-1). Обозначается буквами. При этом l=0 соответствует s, 1-p, 2-d, 3-f, 4-q, 5-h.
• 3. «m» — магнитное квантовое число. Характеризует пространственное расположение орбитали. m=± 0, ± 1, ± 2,…, ± l. Cумма орбиталей на подуровне: е =2l+1.

«s» — спиновое квантовое число. Характеризует вероятность вращения электрона вокруг своей оси в двух противоположенных направлениях. s=± ½. «+» — по часовой стрелке, «-» — против часовой стрелке. Вращение сообщает электрону собственный магнитный момент, который называется Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию. Такое состояние называют вырожденным по энергии. Так p-орбиталь — трехкратно, d — пятикратно, а f — семикратно вырождены.

Граничные поверхности s-, p-, d-, fорбиталей показаны на рисунке.

s-Орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и мl = 0.

p-Орбитали существуют при n? 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: ml = -1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются px, py, pz.

Изображение с помощью граничных поверхностей s-, p-, dи f-орбиталей.

d-Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n? 3), при котором.

ml = -2, -1, 0, +1, +2.

То есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d-Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются dzІ и dxІ-yІ, а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов — dxy, dyz, dxz.

Семь f-орбиталей, соответствующих.

l = 3 (n? 4).

Изображаются в виде граничных поверхностей, приведенных на рисунке Квантовые числа n, l и ml не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установленно, что электрон имеет еще одно свойство — спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число ms имеет только два значения ms = ±½, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Электроны с разными ms обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз .

В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние электрона определяется значениями тех же четырех квантовых чисел, однако в этом случае электрон находится не только в поле ядра, но и в поле других электронов. Поэтому энергия в многоэлектронных атомах определяется не только главным, но и орбитальным квантовым числом, а вернее их суммой: энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы n + l; при одинаковой сумме сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l. Энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s? 3d < 4p < 5s? 4d < 5p < 6s? 4f? 5d < 6p < 7s? 5f? 6d < 7p.

Итак, четыре квантовых числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.