Характеристика состояния электрона в атоме системой

ЕГЭ – 2014. Химия. Характеристика состояния электрона в атоме
системой квантовых чисел.
Главное квантовой число n в значительной степени определяет значение энергии электрона в
атоме и размеры электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные значения
от 1 до бесконечности. С ростом n возрастают размеры электронного облака и энергия
электронов.
Совокупность электронов, характеризующихся одним и тем же значением главного
квантового числа, называют электронным слоем.
Второе квантовое число (ℓ), называемое орбитальным (побочным, в иностранной литературе –
азимутальным) квантовым числом, характеризует энергию электрона внутри слоя (уровня) и
определяет форму электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные
значения, начиная с нуля, но имеет ограничение: при данном значении главного квантового числа
n величина ℓ не может превысить значение (n-1). На практике побочное квантовое число чаще
обозначается буквами:
ℓ =0,1,2,3,4,…,n-1
s,p,d,f,g…
Совокупность электронов в одним и тем же значением побочного квантового числа
называют электронной оболочкой (подуровнем).
Третье квантовое число (m ℓ), называемое магнитным, определяет ориентацию орбитали в
пространстве. Орбиталь же образуется совокупность электронов с одним и тем же значением
магнитного квантового числа, её традиционно обозначают клеточкой (квантовая ячейка). При
данном значении ℓ, магнитное квантовое число принимает значения:
1,2,3,4,…,L
m ℓ =0
-1,-2,-3,-4,…-L
Общее число значений составляет(2 ℓ +1).
У электронов есть и четвертая квантовая характеристика – спиновое квантовое число mS ,
отражающее четвертую координату нашего мира – время. Спиновое квантовое число принимает
(в единицах атомного мира) лишь два значения: +½и -½. Договоримся считать значение +½больше
значения -½и будем обозначать электроны со спином +½стрелочкой ↑, а электроны со спином ½– стрелочкой ↓.
Четыре квантовых числа есть полная и однозначная характеристика состояния электрона в атоме.
Более того, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех
квантовых чисел (Принцип Паули). Это – основной закон мира электронов. Принцип Паули
позволяет рассчитать максимальное число электронов в слое, оболочке и на орбитали.
Орбиталь характеризуется постоянным значением m ℓ . Это возможно лишь при известном
значении ℓ, что в свою очередь требует постоянства значения n. Таким образом, для орбитали
изменяется только спиновое квантовое число, отсюда следует, что на орбитали может быть
максимально два электрона и они в соответствии с принципом Паули обязательно должны иметь
противоположные спины: ↑↓.Если на орбитали находится один электрон, то его состояние
регулируется правилом Хунда: суммарный спин электронов оболочки должен быть
максимальным. Таким образом, в рамках принятых договоренностей единственный электрон на
орбитали имеет спиновое квантовое число +½.
Пример 5. Охарактеризовать квантовыми числами все электроны атома азота в основном
состоянии.
Решение. Атом азота содержит 7 электронов. Учет принципа Паули и правила Хунда
приведёт к следующему распределению электронов:
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
n
1
1
2
2
2
2
2
ℓ
0
0
0
0
1
1
1
mℓ
0
0
0
0
1
0
-1
mS
+½
-½
+½
-½
+½
+½
+½
Поскольку энергия электронов не зависит от магнитного квантового числа, то порядок
выхода значений mℓ для ℓ=1 (p-оболочка) любой.