Номер 1, страница 30 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 1. Строение атома. Периодический закон и периодическая система элементов L. И. Менделеева. Параграф 4. Электронные конфигурации атомов - номер 1, страница 30.

Условие.

1. Сформулируйте правила заполнения атомных орбиталей электронами. Проиллюстрируйте каждое правило конкретными примерами.

Решение.

Решение 2.

Заполнение атомных орбиталей электронами происходит в соответствии с тремя основными правилами:

1. Принцип наименьшей энергии (принцип Ауфбау)

Формулировка: В основном (невозбужденном) состоянии атома электроны занимают атомные орбитали в порядке возрастания их энергии.

Заполнение происходит в соответствии с правилом Клечковского: орбитали заполняются в порядке увеличения суммы главного ($\text{n}$) и орбитального ($\text{l}$) квантовых чисел ($n+l$). При одинаковой сумме $n+l$ первой заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа $\text{n}$. Это приводит к следующей последовательности заполнения подуровней:

$1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → ...$

Пример: Атом магния (Mg) имеет порядковый номер 12, а значит, 12 электронов. Их распределение по орбиталям будет следующим:

• два электрона на подуровень 1s (энергия $n+l = 1+0=1$);
• два электрона на подуровень 2s (энергия $n+l = 2+0=2$);
• шесть электронов на подуровень 2p (энергия $n+l = 2+1=3$);
• два электрона на подуровень 3s (энергия $n+l = 3+0=3$).

Электронная конфигурация магния записывается как: $Mg: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.

Ответ: Принцип наименьшей энергии утверждает, что электроны последовательно занимают орбитали с наименьшей возможной энергией. Порядок заполнения: $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d$ и т.д. Пример: атом магния (Mg, 12 электронов) имеет конфигурацию $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.

2. Принцип запрета Паули

Формулировка: В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа — главное ($\text{n}$), орбитальное ($\text{l}$), магнитное ($m_l$) и спиновое ($m_s$) — были бы одинаковыми.

Из этого принципа следует важное следствие: на одной атомной орбитали, которая характеризуется одинаковыми значениями $n, l, m_l$, может находиться не более двух электронов. При этом их спины должны быть антипараллельными (противоположно направленными), то есть их спиновые квантовые числа должны иметь разные значения: $m_s = +1/2$ (спин "вверх", ↑) и $m_s = -1/2$ (спин "вниз", ↓).

Пример: Атом гелия (He) имеет 2 электрона. Оба они располагаются на 1s-орбитали. Их наборы квантовых чисел различаются только спиновым квантовым числом:

• Первый электрон: $n=1, l=0, m_l=0, m_s=+1/2$.
• Второй электрон: $n=1, l=0, m_l=0, m_s=-1/2$.

Графически (в виде квантовой ячейки) это изображается так: $He: 1s^2$ [↑↓].

Ответ: Принцип Паули запрещает двум электронам в атоме иметь одинаковый набор из четырех квантовых чисел. Следствием является то, что на одной орбитали может находиться не более двух электронов, и они должны иметь противоположные спины (↑↓). Пример: в атоме гелия (He) два электрона на 1s-орбитали имеют спины $m_s = +1/2$ и $m_s = -1/2$.

3. Правило Хунда (правило максимальной мультиплетности)

Формулировка: В пределах одного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальным.

Это означает, что при заполнении вырожденных орбиталей (орбиталей с одинаковой энергией, например, трех p-орбиталей или пяти d-орбиталей) электроны сначала по одному занимают все свободные орбитали, имея при этом одинаковое направление спина (параллельные спины). Только после того, как все вырожденные орбитали будут заняты одним электроном, они начинают образовывать пары с электронами, имеющими противоположный спин. Такое состояние является наиболее энергетически выгодным.

Пример: Атом углерода (C) имеет 6 электронов, его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^2$. Два электрона на 2p-подуровне, который состоит из трех вырожденных орбиталей ($2p_x, 2p_y, 2p_z$), распределятся по разным орбиталям с параллельными спинами.

Графическое изображение для 2p-подуровня углерода:

• Правильное распределение: [↑] [↑] [ ]
• Неправильное распределение: [↑↓] [ ] [ ]

Суммарный спин в первом случае равен $S = 1/2 + 1/2 = 1$, а во втором $S = 1/2 + (-1/2) = 0$. Состояние с максимальным спином более устойчиво.

Ответ: Правило Хунда гласит, что в пределах одного подуровня электроны заполняют орбитали так, чтобы их суммарный спин был максимальным. То есть, они сначала занимают все вырожденные орбитали по одному с параллельными спинами, и только потом начинают спариваться. Пример: у атома углерода (C) два p-электрона располагаются по одному на двух разных 2p-орбиталях: [↑] [↑] [ ].