Одной из интересных особенностей химических элементов является заполнение и расположение их электронных оболочек. Оболочки, в которых находятся электроны, обладают разной энергией и некоторыми неизвестными особенностями. Взаимодействие электронов и ядра определяется законами квантовой механики и спиновой структурой. Изучение этой интересной и важной темы привели ученых к интересному открытию — 4s орбиталь заполняется раньше, чем 3d орбиталь.
В нашей таблице элементов Д.И. Менделеева можно заметить, что у атомов основным образом заполняются электронами s- и p-орбитали, а после них – вторично d- и f-орбитали. Основное заполнение происходит в порядке возрастания энергетического уровня, при этом указание может быть дано и по числу электронов, занимающих дальнюю оболочку. Стоит отметить, что 4s-орбиталь заполняется всегда до 3d-орбитали, хотя по энергетическим критериям она должна была бы заполняться позже.
Оксиды переходных металлов и их свойства — это обширная область изучения в физико-химии. Потому что эти оксиды могут иметь сходные формулы, но различное строение и физические характеристики. Одна из причин, объясняющая это особенное расположение заполнения электронных оболочек, связана с электронными конфигурациями атомов и их взаимодействием с окружающей средой. Таким образом, 4s-орбиталь имеет более благоприятную энергию взаимодействия с молекулами оксида, поэтому его квантовые состояния заполняются раньше 3d-орбитали.
Электронная конфигурация и орбитали
Атомы первых и вторых периодов элементов (1s, 2s, 2p) заполняются в соответствии с принципом наименьшей энергии, где энергетические уровни и орбитали заполняются по одному электрону до тех пор, пока все доступные орбитали не будут заняты. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины (принцип Паули).
Однако, при переходе к внешним энергетическим уровням, например, к 3d, происходит изменение порядка заполнения орбиталей. Вместо того чтобы заполнять 3d орбитали после 4s, 4s орбиталь заполняется раньше. Это происходит из-за различных энергетических уровней и взаимодействия электронов в этих орбиталях.
| Порядок заполнения орбиталей | 3d-серия | 4s-серия |
|---|---|---|
| 1 | 3d1 | 4s1 |
| 2 | 3d2 | 4s2 |
| 3 | 3d3 | 4s2 3d1 |
| 4 | 3d4 | 4s2 3d2 |
| 5 | 3d5 | 4s2 3d3 |
В данной таблице показан порядок заполнения орбиталей для 3d-серии и 4s-серии элементов. Обратите внимание, что 3d-серия имеет заполненную 4s2 и далее заполняет 3d орбитали, в то время как 4s-серия заполняет 4s орбитали раньше, а затем заполняет 3d орбитали. Это особенность электронной конфигурации этих элементов и объясняется энергетическими и квантовыми свойствами орбиталей и электронов.
Внутренняя структура атома
Ядро атома содержит протоны и нейтроны, которые называются нуклонами. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют заряда. Число протонов в атоме определяет его атомный номер, а число протонов плюс нейтронов — его массовый номер.
Электронная оболочка состоит из электронов, которые обращаются вокруг ядра по определенным орбитам или энергетическим уровням. Каждая орбита имеет свой максимальный вместимый электронами числовой порядок. Наиболее близкие к ядру орбиты имеют меньший размер и меньше энергию, а те, что находятся дальше, — больший размер и больше энергии.
Порядковый номер орбиты или энергетического уровня обозначается буквой K, L, M, N и т. д. Каждый энергетический уровень представлен подорбитами, которые обозначаются буквами s, p, d, f. Электроны орбит с наибольшим номером имеют большее расстояние от ядра и меньшую привязку к нему, поэтому заполняются позже.
Таким образом, 4s орбиталь заполняется раньше 3d, потому что 4s орбиталь имеет более высокую энергию, чем 3d.
Распределение электронов и закон заполнения орбиталей
Распределение электронов в атоме описывается моделью атома, в которой электроны заполняют энергетические уровни, называемые орбиталями. Закон заполнения орбиталей, также известный как упорядочение заполнения электронных орбиталей, определяет порядок заполнения орбиталей электронами в атоме.
Порядок заполнения орбиталей определяется по принципу минимальной энергии: электроны сначала заполняют орбитали с более низким энергетическим уровнем, а затем переходят к орбиталям с более высоким энергетическим уровнем. Этот порядок заполнения определяется периодической системой элементов и включает в себя несколько правил.
| Правило | Описание |
|---|---|
| Принцип наименьшей энергии | Орбиталь с более низким энергетическим уровнем заполняется электронами перед орбиталью с более высоким энергетическим уровнем. |
| Принцип Паули | В каждой орбитали может находиться не более двух электронов, которые должны иметь противоположные спины. |
| Принцип Гунда | Орбиталя с меньшим значением главного квантового числа заполняется перед орбиталью с более большим значением главного квантового числа. |
| Принцип Хунда | Орбитали с одинаковым энергетическим уровнем заполняются электронами с одинаковым спином перед тем, как заполниться орбиталями с противоположным спином. |
Согласно этим правилам, электроны начинают заполнять 1s орбиталь, затем переходят к 2s орбитали и далее заполняют 2p орбитали. Однако, 3d орбитали заполняются после заполнения 4s орбитали, так как при заполнении 3d орбиталей происходит более сложный энергетический процесс, который связан с образованием атомных орбиталей разного размера и формы.
Это объясняет, почему 4s орбиталь заполняется раньше 3d орбитали: электроны предпочитают занимать орбитали с более низким энергетическим уровнем, а 4s орбитали имеют более низкую энергию, чем 3d орбитали.
Энергетические уровни и энергия орбиталей
Чтобы понять, почему орбиталь заполняется раньше, необходимо изучить энергетические уровни и энергию орбиталей.
В атоме энергетические уровни представляют собой различные возможности размещения электронов. Первый энергетический уровень находится на наименьшей энергии и может содержать до 2 электронов. Второй энергетический уровень находится на более высокой энергии и может содержать до 8 электронов и так далее.
Орбитали представляют собой трехмерные области пространства, где можно найти электроны в атоме. Они отличаются формой и размером. Орбитали также имеют различные энергии и могут быть заполнены электронами в определенном порядке.
Порядок заполнения орбиталей определяется принципом Ауфбау, установленным Хундом и правилом Паули, которые утверждают следующее:
- Принцип Ауфбау: орбитали заполняются в порядке возрастания их энергии. Это означает, что орбиталь с более низкой энергией будет заполняться раньше орбитали с более высокой энергией.
- Правило Паули: в каждой орбитали может находиться не более двух электронов, и они должны иметь противоположный спин. Это означает, что орбиталь может быть заполнена только парами электронов.
- Правило Хунда: если у орбиталей одинаковая энергия, то они будут заполняться по одному электрону на орбиталь, прежде чем пары электронов будут образовываться.
В случае 4s и 3d орбиталей, 4s орбиталь имеет более низкую энергию, чем 3d орбитали. Поэтому 4s орбиталь заполняется раньше. Однако, после заполнения 4s орбитали, энергия 3d орбиталей становится более низкой, и они начинают заполняться.
Этот порядок заполнения орбиталей также объясняет, почему у некоторых элементов могут быть исключения и орбитали заполняются вне обычного порядка. Например, у некоторых переходных металлов (таких как хром и медь) последний электрон заполняет 3d орбиталь раньше, чем 4s орбиталь. Это связано с энергетическими свойствами и структурой атома этих элементов.
Квантово-механические свойства электронов
Первое квантово-механическое свойство электронов — их дискретность. Согласно принципам квантовой механики, электроны могут находиться только на определенных энергетических уровнях, называемых квантовыми состояниями. Каждое квантовое состояние связано с определенной энергией электрона, которая определяет его положение в атоме.
Второе свойство — принцип неопределенности Хайзенберга. Согласно этому принципу, невозможно одновременно точно определить как положение, так и импульс электрона. Существует некоторый предел точности, который определяется математической формулой, и дальнейшее улучшение точности одной величины приводит к ухудшению точности другой.
Третье квантово-механическое свойство — принцип запрета Паули. Согласно этому принципу, в одной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Этот принцип объясняет, почему орбитали заполняются последовательно — сначала самые низкоэнергетические.
Четвертое свойство — квантовые числа, которые описывают энергетические уровни электронов и их пространственное распределение. Они имеют значения, ограниченные определенными правилами. Главное квантовое число определяет энергию электрона и его область обитания. Сумма значений второго и третьего квантовых чисел определяет форму орбитали электрона.
- Квантовые механические свойства электронов объясняют множество свойств и особенностей атомов.
- Дискретность электронов вызвана фундаментальными принципами квантовой механики.
- Принцип неопределенности Хайзенберга указывает на ограниченность точности определения координат и импульса электронов.
- Принцип запрета Паули объясняет порядок заполнения орбиталей электронами.
- Квантовые числа задают энергетические уровни электронов и их пространственное распределение.