Електронна конфигурация

Състоянието на изолиран електрон в силовото поле на Кулон се определя с помощта на четири квантови числа:

главно квантово число $n=1,2,3,\dots $
орбитално квантово число $l=0,1,2,3,\dots n-1.$
магнитно квантово число $m_l=-l,-l+1,\dots ,\ l-1,l.\ $
въртене $m_s=\pm \frac$.

За първото приближение, когато се характеризира състоянието на електрон в атом, се използват същите квантови числа, дори ако се вземат предвид взаимодействията между електроните.

Система от електрони в атом, които имат еднакъв номер $n$, образуват обвивката на атома. Черупките са обозначени с буквени знаци (Таблица 1).

Движението на електрон в орбита се обозначава с букви в съответствие с таблица 2

Електронната структура е записана по следния начин: числото отляво е главното квантово число $(n)$, самият спектроскопичен символ съответства на стойността на орбиталното квантово число ($l$).

Пълното описание на състоянието на един атом изисква, заедно с посочване на пълните $L,S,J$, изброяване на всички състояния на електроните. Така например записът: $1s2p^3P_0$ обозначава състоянието на атом на хелий с $L=1,S=1,J=0$ и два електрона в състоянията $1s$ и $2p$. В случай, че няколко електрона са в състояния с еднакви $n\ и\ l\ $, тогава този факт се означава като степен. $2p^3$ - три електрона в състояние $2p$.

Опитайте да помолите учителите за помощ.

Разпределението на електрони в атом по състояния с различни $n\ и\ l$ се нарича електронна конфигурация.

При известни $n\ и\ l$ електронът може да има различни стойности на проекциите на орбиталния импулс ($m_l$) и спина ($m_s$) върху оста $Z$.

Като основа за структурата на електронните обвивки на атомите използвайте:

Принцип на Паули :Един атом не може да има два електрона, които биха се характеризирали с еднакви четворки квантови числа.

Принципът на минималната енергия : с известен общ брой електрони в атома се реализира състояние с минимална енергия. Принципът на минималната енергия корелира с условието за стабилност на атома.

Общото правило, което описва реда, в който се запълват електронните състояния, е правилото на Клечевски: В атом с много електрони, първо се запълват състоянията с възможно най-малката сума ($n+l$), а при равни стойности на $(n+l$) състоянията с възможно най-малкия $n$.

Електронната структура на атома се записва като електронна конфигурация, указваща броя на електроните във всяка орбитала.

Задайте въпрос на експерти и получете отговор за 15 минути!

Йерархия на взаимодействията в многоелектронен атом

В атом с няколко електрона се разграничават $4$ от основните типове взаимодействия. В зависимост от тях се използва система за класифициране на електронните състояния на атома.

Взаимодействие на електрони с ядрото с помощта на кулонови сили.

Междуелектронно електростатично взаимодействие.

Спин -- орбитално взаимодействие.

Взаимодействие на електрони с външно поле.

За атома в нормално състояние най-силно е взаимодействието на електроните с ядрото, то е определящо за съществуването на атом или йон. Това взаимодействие е отговорно за грубото разделяне на електронните състояния на енергийни нива, което прави възможно използването на електронната конфигурация на атомите.

Взаимодействието между електроните и спин-орбиталните взаимодействия са по-"фини". Тези взаимодействия определят приложимата класификация на електронното състояние на атома. Ако вземем предвид само междуелектроннитевзаимодействие и не вземат предвид спин-орбиталното взаимодействие (за $E_\gg E_,$ където $E_-\ $ е енергията на взаимодействие на електроните помежду си, $E_\ $ е енергията на спин-орбиталното взаимодействие) (в този случай се въвеждат условия, в които стойностите на квадратите на орбиталните и спиновите моменти на сумата от електрони в атома се определят точно), тогава такава схема за конструиране на термини се нарича $LS$ - приближение (приближение на Ръсел-Сондърс). Тази схема не винаги се прилага. В приближението $LS$ връзките на понятието: конфигурация на електрони - терм - състояние отразяват йерархията на взаимодействията в атома: взаимодействие на електрони с ядрото - електростатично взаимодействие на електрони - спин-орбитално взаимодействие. В резултат на това взаимодействието на електроните води до групови състояния на електронната обвивка, докато има определена стойност на общия орбитален импулс на електроните $(L)$. В този случай електронните спинове не участват и те се добавят (независимо) към общия спин $S$. Ако е необходимо, допълнително се взема предвид спин-орбиталното взаимодействие, което свързва общия орбитален импулс и общия спин и води до допълнително разделяне на състоянията на електронната група по отношение на общия импулс $J$.

Емпирично е показано, че приближението на $LS$-свързването е добре приложимо за слабо възбудени състояния и леки атоми (до $Fe$). В този случай условията имат означение: $<>^$

Ако енергията на спин-орбиталното взаимодействие е много по-голяма от енергията на електростатичното взаимодействие на електроните ($E_\gg E_$), тогава електростатичното взаимодействие на електроните в атома може да бъде пренебрегнато. В този случай състоянието на всеки електрон се определя от квантови числа ($j$, $m_j$). Ако стойностите на $j$ са известни за всички електрони на атом в известна конфигурация ($j=1.N$), тогава се приема, че членът на атома е известен в приближението $jj$ --bond. Такъв термин се нарича:

Ако допълнително се вземе предвид електростатичното взаимодействие на електроните, тогава терминът се разделя на група състояния, чийто брой се определя от броя на стойностите $J$ (възможни стойности на общия механичен момент на атомната електронна обвивка):

При $jj$ - взаимодействие последователността на интензивността на взаимодействието е следната: взаимодействие на електрони и ядро - спин - орбитално взаимодействие - електростатично взаимодействие.

Задача: В контекста на $LS$ -- свързване, разгледайте ограничаващите случаи на прилагане на външно магнитно поле.

Решение:

Нека енергията на взаимодействие на електрони с външно магнитно поле ($E_H$) е много по-малка от енергията на спин-орбитално взаимодействие ($E_$), (т.е. $E_\gg E_H$). В този случай се говори за ефекта на Зееман. Външното магнитно поле взаимодейства с общия магнитен момент на атома (J) в този случай, то разделя състоянието според стойността на проекцията $J_z\ $ на $2J+1$ компоненти.

Да приемем, че енергията на взаимодействие на електрони с външно магнитно поле ($E_H$) е много по-голяма от енергията на спин-орбиталното взаимодействие ($E_$), (т.е. $E_H\gg E_$). В този случай се получава ефектът Paschen-Back. Смята се, че външното магнитно поле е толкова силно, че прекъсва връзката между орбиталния момент и въртенето. В този случай се извършва разделяне според параметъра ($2L_z+S_z$).

В голям брой случаи, ако външното поле е няколко Тесла, тогава се появява ефектът на Zeeman, но тъй като параметрите на спин-орбиталното взаимодействие на атомите се различават значително, за леки атоми (например $Li$) в поле от порядъка на $3$ T се появяват спектри, свързани с ефекта на Paschen-Back.

Задача: Направете електронни конфигурации на елементи от $H$ до $Ne$ от Периодичната таблица на елементите и $K$.

Решение:

В началото на периодичната система, когато броят на електроните е малък, ролята на тяхното взаимодействие не е значителна. Запълването на електронни състояния следва идеална схема. И така, водородът има един електрон, състоянието му има минималната енергия ($n=1$), електронна конфигурация на водорода: $1s.$

Следващият елемент от периодичната таблица - хелият ($He$) има два електрона. Електроните са в състояние $1s$, но имат противоположни спинове. Електронна конфигурация $He:$ $1s^2$. Това е така нареченият парахелий. В ортохелия спинът на втория електрон съвпада по посока с първия електрон и той не може да бъде в състояние $1s$. Най-близкото допустимо състояние на електрона в този случай ще бъде $2s$. Електронната конфигурация на ортохелия ще бъде записана така: $1s2s.$ Инертният газ хелий завършва запълването на първата обвивка и е последната в първия период на елементите на системата.

В лития ($Li$) втората обвивка е запълнена. В електронната конфигурация на парахелия се добавя един електрон. Електронът се добавя към състоянието $2s$, тъй като не може да има трети електрон в състояние $1s$, съгласно принципа на Паули. Електронна конфигурация на литий: $1s^22s.\ $ Следващият елемент от периодичната система е берилий ($Be$): $1s^22s^2$. Следва Бор (B): $1s^22s^22p.$ $6$ електрони $(2(2+1)=6)$ могат да бъдат в състояние $p$ --. При последователен преход от бор към неон включително, черупките на $2p$ елементите -- състояния се запълват. В същото време разполагаме с електронни конфигурации:

\[C:\ 1s^22s^22p^2,\ N:1s^22s^22p^3,\ O:1s^22s^22p^4,\ F:1s^22s^22p^5,\ Ne::1s^22s^22p^6.\]

Инертният неон завършва запълването на втория $L$-черупка и втори период.

Според идеалната схема за подпълване конфигурацията $K$ трябва да бъде: $1s^22s^22p^63s^23p^63d$, но всъщност не е така. От енергийна гледна точка състоянието $4s$ е по-благоприятно от $3d$. Този факт се потвърждава от преки изчисления и експериментално. Конфигурацията на калия е:

Не сте намерили отговора на вашия въпрос?

Просто напишете за какво имате нужда от помощ