Основы химии (стр. 5 из 32)
n= 1, 2, 3, 4,…,
l= 0, 1, 2, 3,…,n–1
ml=–l,…, –1, 0, +1,…, +l
Атомные орбитали. Так как вероятность нахождения электрона в пространстве далеком от ядра очень мала, когда говорят об орбиталях, то имеют в виду такую область вокруг ядра атома внутри которой сосредоточено 90–95% электронного заряда. С точки зрения квантовой механики атомные орбитали являются геометрическим изображением волновой функции y (n, l, ml).
ZЭлектронное облако. Если бы в каждый момент времени 
y определяли положение электрона в трехмерном пространстве и 
ставили в том месте точку, то через множество таких определений 
X получили бы картину в виде пространственного облака изображен- 
ного точками с размытыми краями /рис.2.3.)рис.2.3.
Такое зарядовое облако называют электронным облаком. Его плотность, пропорциональная y2, является непосредственной мерой вероятности нахождения электрона. Граничная поверхность облака, внутри которой содержится 90–95% электронного заряда, дает форму орбитали. 
Zs-орбиталь. Она существует при l=0. Значение ml тоже равноY нулю. Имеем только одно значение ml =0. Следовательно,
s-орбиталь имеет максимальную симметричность. У нее
X сферическая форма (рис.2.4.). В этом случае вероятность на–
хождения электрона в околоядерном пространстве определя–
рис.2.4. ется только радиусом-вектором и не зависит от угла координат.
y
Радиальное распределение электронной плотности для 1sэлектрона соответствует кривой с максимумом (рис.2.5.).
Максимум распространения вероятности находится на
0 r1r,A0 расстоянии от ядра r1, которые соответствует радиусу
рис.2.5. первой боровской орбиты.
р-орбиталь. Существует при l=1. ml = –1, 0, +1.
Z р-орбиталь появляется на втором и всех последующих 
Рz уровнях. Так как ml имеет три значения, то на р-подуров-Y не каждого уровне может быть три р-орбитали. р-орбиталь
имеет гонтелеобразную форму. Все три р-орбитали распо-X лагаются в пространстве по направлению координатных
Px осей. Их называют соответственно рх, рy, рz-орбитали
Py (рис.2.6.).
Рис.2.6. Z Y Y Z ZX X X X Y
dz2 dx2 y2 dxy dxz dyz
рис.2.7.
d-орбиталь. Появляется при l=2 на третьем квантовом уровне. На d-подуровне может быть уже пять различных состояний электронов, поэтому на d-подуровне каждого квантового уровня содержится пять d-орбиталей. В этом случае ml принимает пять значений:ml = –2, –1, 0, +1, +2, d-орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали, они либо в виде четырех лепестков либо в виде гантели с ободком (рис.2.7.).
f-орбиталь. Появляется при значении l=3. f-орбитали могут быть только на четвертом и более отдаленных уровнях. Так как при l=3 ml имеет 7 значений /–3, –2, –1, 0, +1, +2, +3/, то на f-подуровне может быть семь орбиталей. Форма f-орбиталей еще более сложная, чем у d-орбиталей. f-орбитали изображают в виде сложных шестилепестковых фигур.
Форма орбиталей и ее направленность играют существенную роль при образовании химических связей, т.к. эти два фактора определяют характер и степень перекрывания электронных облаков соединяющихся атомов.
2.1.5. Структура электронных оболочек атомов.
Полная электронно-энергитическая структура атомов предопределяется набором рассмотренных квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет не только номер квантового уровня, но и указывает на число подуровней содержащихся в данном уровне. Например, при n=3, имеем третий квантовый уровень, который состоит из трех подуровней: s-, p-, d-подуровня. Чем дальше от ядра находится квантовый уровень, тем он более емкий, тем из большего числа подуровней он состоит. Число орбиталей на уровне можно определять по формуле кn=n2, а число орбиталей на подуровне, как уже указывалось, по формуле кl=2l+1.
Рассмотрим теоретическую схему взаимного расположения квантовых уровней и подуровней. /Фрагмент для первых четырех уровней/. На четырех вертикальных линиях отложим значения квантовых чисел n, l, ml иms.(рис.2.8.) На первой вертикальной линии изобразим квантовые уровни соответственно значениям квантового числа n /см. рис.2.8.). Мы уже знаем, что чем больше числовое значение n, тем более емкий квантовый уровень. По этому на рисунке он сделан более длинным по высоте. На второй вертикальной линии, отнесенной к квантовому числу l показано деление квантовых уровней на подуровни. Первый квантовый уровень состоит только из одного подуровня /обозначенного как s-подуровень/. Второй квантовый уровень делится уже на два подуровня: s-подуровень и р-подуровень. Третий уровень делится на три подуровня /s, p и d/, а четвертый – на четыре подуровня /s, p, d и f/.
 n=4 | –––– | f | 4f | 4f14 | |||||||||||||||||||
| d | 4d | 4d10 | |||||||||||||||||||||
| p | 4p | 4p6 | |||||||||||||||||||||
| s | 4s | 4s2 | |||||||||||||||||||||
| n=3 | |||||||||||||||||||||||
| d | 3d | ||||||||||||||||||||||
| p | 3p | ||||||||||||||||||||||
| s | 3s | ||||||||||||||||||||||
| n=2 | –– | p | 2p | 2p6 | |||||||||||||||||||
| s | 2s | 2s2 | |||||||||||||||||||||
| n=1 | – | s | 1s | 1s2 | |||||||||||||||||||
n l ml ms
кванто- подуровни орбитали электроны
вый уро- на орбиталях
вень рис.2.8.
Третья вертикальная линия соответствует квантовому числу ml. Здесь показано деление квантового подуровня на орбитали. Число орбиталей на подуровне числу значений, которые принимает магнитное квантовое число. s-подуровень состоит только из одной орбитали, поэтому на первом квантовом уровне имеется только одна орбиталь. р-подуровень состоит из трех орбиталей.
| р-подуровень |
ml = –1, 0, +1
d-подуровень содержит уже пять орбиталей.
| d-подуровень |
ml = –2, –1, 0, +1, +2
f-подуровень увеличил свою емкость до семи орбиталей
| f-подуровень |
ml = –3, –2, –1, 0, +1, +2 +3
Четвертая вертикальная линия отнесена к спиновому квантовому числу ms. Забегая вперед отметим, что это квантовое число предопределяет возможное количество электронов на орбитале. По соответствующему постулату на орбитале может быть два электрона, но они должны иметь разные спины, т.е. разные значения ms: +1/2 и –1/2. В связи с этим на четвертой вертикальной линии представлена максимальная заполняемость электронами квантового подуровня и уровня.
На s-подуровне – 2 электрона
На p-подуровне – 6 электрона
На d-подуровне – 10 электрона
На f-подуровне – 14 электрона
Максимальное число электронов на подуровне можно определить по формуле:
К=2(2l+1).
Теоретическая последовательность расположения квантовых уровней и подуровней выглядит так:
1s-2s-2p-3s-3p-3d-4s-4p-4d-4f-5s-5p-5d-5f-6s-6p-6d-6f-7s-7p-7d-7f-…
Однако при расщеплении квантовых уровней на подуровни приведенная теоретическая последовательность нарушается. Реальное расположение подуровней определяется правилом Клечковского, согласно которого последовательность расположения подуровней определяется суммарным значением двух квантовых чисел n и l. В том случае, когда для двух и более подуровней n + l имеет одинаковое значение, то сначала идет тот подуровень, у которого меньшее значение n.
1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 3d – 4s – 4p – 4d – 4f – 5s –5p – 5d – 5f
(n+l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8
По правилу Клечковского фактическая последовательность расположения подуровней следующая:
1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-6s-5d-4f-5d2–5-6p-7s-6d1-
5f- 6d2–5-7p.
Структура электронных оболочек атомов изображена на следующей схеме (рис2.9.):
 | 6p | |||||||||
| 5d4 | ||||||||||
| 4f 14 | ||||||||||
| 5d1 | ||||||||||
| 6s | ||||||||||
| 5p4p | ||||||||||
| 4d | ||||||||||
| 5s | ||||||||||
| 3d | ||||||||||
| 4s | ||||||||||
| 3p2p | ||||||||||
| 3s | ||||||||||
| 2s | ||||||||||
| 1s | Рис.2.9. | |||||||||
2.1.6. Основные принципы распределения электронов в атоме.