Мастер класс "Распределение электронов по энергетическим уровням"

Мастер класс на тему: «Порядок заполнения электронами энергетических уровней атомов».

Цель занятия: Рассмотреть варианты более быстрой формы записи краткой электронной конфигурации атома.

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы. Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называются s-элементами. У s-элементов валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня. У р-элементов последним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p- и s-подуровнях внешнего уровня. У d-элементов в последнюю очередь заполняется d-подуровень предвнешнего уровня и валентными являются s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетического уровней. У f-элементов последним заполняется f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

Электронная конфигурация атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположно направленными спинами ↑↓ . Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Хунда: в пределах подуровня электроны размещаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами.

Для записи электронной конфигурации атома можно применить несколько способов.

Первый способ:

Для выбранного элемента по его местоположению в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева можно записать матрицу строения электронной оболочки атома, соответствующую данному периоду.

Например, элемент иод: 127₅₃I 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f

По таблице, последовательно переходя от элемента к элементу, можно заполнить матрицу в соответствии с порядковым номером элемента и порядком заполнения подуровней:

127₅₃I 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f⁰5s²5p⁵5d⁰5f⁰

Но, подуровни заполняются в последовательности s-f-d-p, и при  использовании данного способа мы не наблюдаем поочерёдности в заполнении  электронных оболочек.

Второй способ:

Можно рассмотреть порядок заполнения уровней и подуровней электронами, используя понятия основного принципа - принципа наименьшего запаса энергии: наиболее устойчиво состояние атома, при котором его электроны имеют наименьшую энергию.

Т.е. основываясь на Запрете Паули, Правилах Хунда и Клечковского

Запрет Паули: в атоме не может быть двух электронов, четыре квантовых числа которых одинаковы (т.е. каждая атомная орбиталь не может быть заполнена более чем двумя электронами, причем с антипараллельными спинами.)

Правило Хунда: электроны располагаются на одинаковых орбиталях таким образом, чтобы суммарное спиновое число их было максимальным, т.е. наиболее устойчивому состоянию атома соответствует максимально возможное число неспаренных электронов с одинаковыми спинами.

Правила Клечковского: А) Заполнение электронных слоев электронами начинается с уровней и подуровней, обладающими самыми низкими значениями n и l, и идет в порядке возрастания n+l;

Б) Если для двух орбиталей сумма n+l окажется одинаковой, то в первую очередь электронами заполняется орбиталь с меньшим значением n.

Первый случай не показывает последовательность заполнения подуровней, а второй- требует время для построения таблицы.

Таблица № 2

Порядок заполнения электронами энергетических уровней атомов.

Квантовые числа		Сумма квантовых чисел n + l	Заполняемая орбиталь
n	l
1	0	1	1s
2	0 1	2 3	2s 2p
3	0 1 2	3 4 5	3s 3p 3d
4	0 1 2 3	4 5 6 7	4s 4p 4d 4f
5	0 1 2 3	5 6 7 8	5s 5p 5d 5f
6	0 1 2	6 7 8	6s 6p 6d
7	0 1	7 8	7s 7p

При распределении электронов в атоме К в соответствии с правилом Клечковского предпочтение отдается орбитали 4s

Следовательно, для атома калия распределение электронов по орбиталям (электронно-графическая формула) имеет вид

Скандий относится к d-элементам, и его атом характеризуется следующим распределением электронов по орбиталям:

Исходя из правила Клечковского мы видим порядок последовательного заполнения подуровней. Первый случай не показывает последовательность заполнения подуровней, а второй - требует время для построения таблицы. Поэтому я вам предлагаю более приемлемые варианты последовательного заполнения орбиталей.

Первый способ: Электроны легко можно распределить по подуровням исходя из некоторых правил. Во первых нужна цветная таблица. Представим каждый элемент как один новый электрон, Каждый период – это соответствующий уровень, s.p-электроны всегда в своём периоде, d-электроны на уровень ниже (3 d-электроны в гостях в 4-ом периоде), f-электроны на 2 уровня ниже. Просто берём таблицу и читаем исходя из цвета элемента, у s, p- элементов номер уровня соответствует номеру периода, если доходим до d-элемента пишем уровень на один меньше, чем номер периода, в котором этот элемент находится (если элемент в 4-м периоде, следовательно, 3 d). Также поступаем и с f-элементом, только уровень указываем меньше чем номер периода на 2 значения (если элемент в 6-м периоде, следовательно, 4 f).

Второй способ: Нужно отобразить все подуровни в виде одной клеточки, и уровни расположить друг под другом симметрично подуровень под подуровнем. В каждой ячейке написать максимальное количество электронов данного подуровня. И последним этапом нанизать подуровни по диагонали (от верхнего уголка к нижнему) стрелой. Считывать подуровни сверху вниз в сторону кончика стрелы, до количества электронов нужного атома.

                           1 S

2
2S		2P
2		6
3S		3P		3d
2		6		10
4S		4P		4d		4f
2		6		10		14
5S		5P		5d		5f
2		6		10		14
6S		6P		6d
2		6		10
7S		7P
2		6

Приятной Вам работы!