Энергетикалық деңгейлер және деңгейшелер. Кван сандары және орбитальдар. Химия, 10 сынып, қосымша материал 2.

Aufbau қағидаты

Елестетейік: біз атомдық құрылысты – сутектен бастап, оның ядросына бір протоннан (сәйкесінше нейтрон сандарын) қосу арқылы өлшемі көбірек атом аламыз. Әр протонды қосқан сайын электронды да қосып отыру қажет. Кіші атомнан үлкен атомдарға өткенде, электронды орбитальдардағы бос орындар толтырылады және кезектегі электронды келесі ашық орбитальдің бірінші позициясына орналасады. Біз бұл құбылысты тас қалаушы қабырғаны салып жатқанда әр кірпішті бір қатарға орналастырып, кезектегі кірпішті келесі қатарға салатындығынан көре аламыз.

Aufbau ұстанымы тікелей Паулидің тыйым салыну ұстанымынан (принцип запрета Паули) (атомдағы екі электрон бірдей жағдайда бола алмайды) туындайды – бірақ бұл байланыс әлі де анық емес. Яғни атомдық орбитальдардағы электрондар - көлікті қоятын орындарды еске түсіреді, егер орын бос болмаса, көлікке басқа бос орын табу қажет. Дәл осылайша, біз күрделі атом құрастырғанда, егер төменгі орбитальдардағы орын бос болмаса, электрондар жоғары орбитадағы орынға орналасу мүмкіндігі бар.

Aufbau ұстанымы қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін, электрондар спиндарға ие болатындығын білу қажет. Жер өзінің полюсі арқылы өтетін ось бойынша айналады, дәл сол секілді электрондар өз осі бойынша айналады деп елестетейік. Сонымен қатар, электрондар жиі жұптар түзеді (оның біреуі сағат тілі бойынша, екіншісі сағат тіліне қарсы айналады).

Сутек атомынан соң келесі күрделі деңгейде - қалыпты жағдайда екі протон мен екі нейтронға ие гелий атомы орналасқан. Гелий атомын алу үшін қосуға қажет екінші электронды бірінші электрон орналасқан орбитальға қоюға болады, ол үшін бұл электронға қарама-қарсы спинді беру қажет. Бұл жағдайда екі электрон да жұптасқан болады.

Aufbau ұстанымына сәйкес гелий атомындағы екі электрон төменгі ашық орбитальда орналасады, бірақ олар әртүрлі спиндерге ие болады. Бұл тұжырымдама тәжірибе жүзінде дәлелденген.

Келесі элемент, литий ядросы үш протонға ие (және әдетте төрт нейтронға ие), яғни оның атомында үш электрон бол қажет. Бірақ төменгі электронды қабат толып тұр, сондықтан қосымша электронды бір деңгейге жоғары орынға орналасуы қажет. Берилийдің (төрт протон) қосымша электроны литийдің түзілуіне қатысқан үшінші электронымен жұптасады.

Осылайша біз төрт жұп электронға орын бар екінші қабатты толтыра аламыз (екі электроны төменгі деңгейде, сегіз электроны келесі деңгейде орналасқан, жалпы 10 электронға ие элемент – неон). Енді үшінші электронды деңгейге көшуге болады. Бұл деңгейде бір электроны бар атом – натрий, ал деңгей толған кезде біз аргон атомын аламыз. Осыдан кейін, квантты механика ережесіне сәйкес, орбитальдар күрделірек болады – мысалы, үшінші қабатта 9 жұп электрон, төртінші және жоғары қабаттарда одан да көп электрондар орналаса алады. Дегенмен, негізгі ұстаным сақталады. Әр қабатта белгілі бір электрон жұптарының санына ғана орын бар, және орын толған кезде, Aufbau ұстанымы бойынша келесі орынға көшу қажет.

Сонымен қатар, Aufbau ұстанымы Дмитрий Менделеев ашқан және оның периодтық жүйесінде реттелген элементтердің химиялық қасиеттерінің жүйелілігін түсіндіреді.

Паули ұстанымы

Атомда барлық төрт кванттық сандары бірдей болатын екі электрон орналаса алмайды. Кванттық сандардың біреуі де болса (n, l, m_l және m_s) спин проекциясымен өзгешеленуі қажет. Сондықтан, атомда n, l және m_l (біреуі m_s = +1/2, басқасы m_s = -1/2) мәндері бірдей екі электрон ғана орналаса алады (Поэтому в атоме могут быть лишь два электрона с одинаковыми n, l и m_l: один с m_s = +1/2 другой c m_s = -1/2). Керісінше, егер екі электронның спин проекциялары бірдей болса, онда кванттық сандардың біреуі (n, l немесе m_l) ерекшеленуі қажет.

Паули ұстанымын біле отырып, атомда бас квант санына n ие белгілі бір «орбитада» қанша электрон орналаса алатындығын қарастырайық. Бірінші «орбитада» n = 1. Сонда l = 0, m_l = 0 және m_s кез-келген шамаға ие бола алады: +1/2 немесе -1/2. Байқағандай, егер n = 1 болса, бұндай тек электрон бола алады.

n-нің кез-келген мәнінде электрондар қосымша квант сандарымен l (0-ден n-1 – ге дейін мәндерге ие) ерекшеленеді. Берілген n және l-де (2l + 1) электрондар магниттік кванттық сандарының ml түрлі мәндерге ие бола алады. Бұл сан екі еселенуі қажет, себебі берілген мәндерге n, l жәнеml, екі түрлі мәнге ие спин проекциясы ms сәйкес келеді (При заданных n и l может быть (2l + 1) электронов с разными значениями магнитного квантового числа ml. Это число должно быть удвоено, так как заданным значениям n, l и ml соответствуют два разных значения проекции спина ms).

Демек, бірдей кванттық сандарға n ие электрондардың максималды саны келесі жиынтықты береді:

Бұдан – неліктен бірінші энергетикалық деңгейде 2 электрон, екіншіде – 8, үшіншіде - 18-ден (т.б.) артық электрон орналаспайтынын біле аламыз.

Мысалы, гелий атомын қарастырайық. Гелий атомында ₂He кванттық сандар n = 1, l = 0 және m_l = 0 екі электронға да бірдей, бірақ m_s кванттық саны ерекшеленеді. Электрондардың спин проекциялары m_s = +1/2 немесе m_s = -1/2 болуы мүмкін. Гелий атомының электрондық қабат құрылысы 1s² деп қарастыруға немесе сол секілді .

Паули ұстанымы бойынша бір кванттық ұяшықта екі электрон да параллельді спиндерге ие бол алмайды.

Паули ұстанымы бойынша литийдің үшінші электроны 1s жағдайында бола алмайды, тек қана 2s жағдайда:

Хунд (Гунд) ережесі

Әр орбитальда қабатшасында (подслой) алғашында тек бір электроннан толтырылады, толтырылмаған орбитальдар аяқталғаннан соң сол орбитальдарға екінші электроннан қосылады. Бұл орбитальдарда қарама-қарсы таңбалы жартылай спиндерге ие екі электрон орналасқан. Қарама-қарсы таңбалы спиндер жұптасып (екі электронды бұлт түзеді) нәтижесінде орбитальдің спин жиынтығы нөлге тең болады.

Клечковский ережесі

Энергетикалық деңгейшелердің толтырылуы екі кванттық сандарының қосындысының (n + l) өсу ретімен, ал егер қосындылар мәні тең болса, n-нің өсу ретімен орналасады:

1s<2s<2p<3s<3p<4s≈3d<4p<5s≈4d<5p<6s≈4f≈5d<6p<7s≈5f≈6d<7p