Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 3. Розподіл електронів в електронній оболонці атомів s-, р- та d-елементів

Принцип мінімальної енергії

Електрони займають орбіталі послідовно, починаючи з першого енергетичного рівня, за порядком зростання енергії рівня й підрівня. Спочатку «заселяється» перший рівень, потім — другий, третій тощо. Це правило називають принципом найменшої енергії:

В атомі кожний електрон намагається зайняти орбіталь із мінімальним значенням енергії, що відповідає найміцнішому його зв'язку з ядром.

Порівняти енергію орбіталей можна за допомогою правил Клечковського:

1. Енергетичні підрівні заповнюються орбіталями за порядком збільшення суми їх головного та побічного квантових чисел (n + l).

2. Якщо для двох енергетичних підрівнів сума (n + l) однакова, то першим заповнюється той підрівень, для якого головне квантове число n менше.

Можна обчислити цю суму для підрівнів перших семи енергетичних рівнів:

	7s	7p	7d	7f
(n + l)	7 + 0 = 7	7 + 1 = 8	7 + 2 = 9	7 + 3 = 10
	6s	6p	6d	6f
(n + l)	6 + 0 = 6	6 + 1 = 7	6 + 2 = 8	6 + 3 = 9
	5s	5p	5d	5f
(n + l)	5 + 0 = 5	5 + 1 = 6	5 + 2 = 7	5 + 3 = 8
	4s	4p	4d	4f
(n + l)	4 + 0 = 4	4 + 1 = 5	4 + 2 = 6	4 + 3 = 7
	3s	3p	3d
(n + l)	3 + 0 = 3	3 + 1 = 4	3 + 2 = 5
	2s	2p
(n + l)	2 + 0 = 2	2 + 1 = 3
	1s
(n + l)	1 + 0=1

З аналізу цієї діаграми видно, що найменша енергія в 1s орбіталей, потім вона збільшується в орбіталі 2s. Для орбіталей 2р та 3s підрівнів сума однакова (n + l = 3), але першими заповнюються орбіталі 2р, оскільки в них головне квантове число менше.

Так само можна пояснити й аномалії розподілення електронів в атомі Калію. В орбіталей 4s-підрівня сума n + l менша, ніж у 3d-підрівня, отже, першим має заповнюватися електронами саме 4s-підрівень.

Правило Хунда

У разі, якщо підрівень складається з кількох орбіталей та містить більше одного електрона, то електрони насамперед займають вільні орбіталі, а за відсутності вільної — утворюють пару з іншим електроном у напівзаповненій орбіталі. Цей алгоритм заповнення орбіталей називають правилом Хунда:

На одному енергетичному підрівні електрони розподіляються по орбіталях так, щоб їх сумарний спін був максимальним.

За такого розташування на кожній орбіталі електрони з антипаралельними спінами зі значеннями +¹/₂ та -¹/₂. Отже, сумарний спін дорівнює 0.

За такого розташування на одній орбіталі спіни антипаралельні й компенсують один одного, а на двох інших у кожного електрона спін по +¹/₂. Сумарний спін дорівнює +1.

Електронні й графічні формули атомів s-, p-,d-елементів

Розподіл електронів по орбіталях в атомах s- та p-елементів перших трьох періодів ви вже вивчали у 8 класі. Пригадаємо основні принципи:

• кількість енергетичних рівнів, що заповнюються в атомі певного елемента, визначають за номером періоду Періодичної системи, у якому розміщений цей елемент;
• кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні s- та p-елементів дорівнює номеру групи Періодичної системи, у якій розміщений елемент (за коротким варіантом), окрім Гелію;
• в атомах s-елементів останньою заповнюється електронами орбіталь s-підрівня, у атомів р-елементів — орбіталі р-підрівня тощо.

В атомах Гелію (1 період, VIIIA група) в електронній оболонці два електрони, які перебувають на першому енергетичному рівні на єдиній s-орбіталі (s-елемент):

Атоми Літію (2 період, ІА група) містять три електрони: два з них — на першому рівні, а на другому — лише один електрон на 2s-орбіталі (s-елемент):

В атомах Бору (2 період, ША група) в електронній оболонці п’ять електронів, їх вистачає для заповнення 1s- та 2s-орбіталей, і ще один з’являється на 2р-орбіталі (р-елемент):

В атомах Натрію (3 період, ІА група) заповнюються три енергетичні рівні, останньою — 3s-орбіталь (s-елемент):

В атомах Аргону (3 період, VIIIA група) — останнього елемента 3 періоду — повністю зайняті всі s- і р-орбіталі, останнім заповнюється р-підрівень (р-елемент):

В атомах Калію (4 період, ІА група) заповнюється вже чотири енергетичні рівні, останньою — 4s-орбіталь (s-елемент). Оскільки енергія 4s-підрівня менша за енергію 3d-підрівня, то останній лишається вільним:

Скандій (4 період, IIIВ група) — перший d-елемент 4 періоду. У його атомах 4s-підрівень заповнений повністю, а останніми заповнюються 3d-орбіталі:

В атомах останнього d-елемента четвертого періоду — Цинку (4 період, IIВ група) — 3d-підрівень повністю заповнюється електронами:

Ферум (4 період, VIIIB група) розміщений приблизно посередині d-елементів 4 періоду, його 3d-підрівень містить шість електронів:

Використовуючи правила Клечковського, можна визначити розподіл електронів в електронній оболонці різних атомів. Ці правила допоможуть вам зрозуміти будову електронних оболонок майже будь-яких атомів. Ці принципи є універсальними.

Хімія навколо нас

Ядерний магнітний резонанс

Спін — властивість частинки, що характеризує її здатність взаємодіяти з магнітним полем. Спін властивий не лише електронам, а й багатьом субатомним частинкам, зокрема й багатьом ядрам, які називають магнітними ядрами. За наявності потужного зовнішнього магнітного поля магнітні ядра здатні поглинати енергію. Це явище називають ядерним магнітним резонансом — ЯМР (відкрили Ф. Блох та Е. М. Парсел, Нобелівська премія 1952 року). Залежно від електронної густини, ядра атомів поглинають різну енергію, що дозволяє розрізнити хімічне оточення атомів у молекулі. Метод ЯМР сприяв розвитку органічної хімії, оскільки дозволив дуже швидко визначати хімічну будову речовин.

Понад 30 років ядерний резонанс використовують у медицині для діагностики захворювань методом магнітної резонансної томографії (МРТ). Цей метод дозволяє отримати детальні зображення будь-якого органа людини, судин або кісток і навіть побудувати їхні тривимірні зображення. Метод МРТ значно полегшив діагностику багатьох захворювань, а також підготовку до оперативного втручання.

Прилад для магнітної резонансної томографії

Зображення хребта, отримане методом МРТ, на якому видно міжхребетну грижу

Ключова ідея

Головний принцип, що регулює порядок заповнення орбіталей електронами, — принцип найменшої енергії. Згідно з ним, енергетичні підрівні в атомі заповнюються електронами в такому порядку:

Період
1	2	3	4	5	6	7
1s	2s2р	3s3р	4s3d4p	5s4d5p	6s4f5d6p	7s5f6d7p

Запитання та завдання

11. Сформулюйте правила заповнення електронної оболонки електронами: а) принцип найменшої енергії; б) правила Клечковського; в) правило Хунда. Поясніть їх на прикладах.

12. Схарактеризуйте особливість заповнення електронами електронної оболонки атомів d-елементів.

13. Поясніть, як за допомогою квантових чисел можна порівняти енергію енергетичних підрівнів. Використовуючи квантові числа, схарактеризуйте заповнення електронами енергетичних підрівнів в атомах елементів 5 та 6 періодів Періодичної системи.

14. Складіть електронні й графічні електронні формули атомів: Ті, Mn, Br, Y, Cd, Хе.