Учебно-методический комплекс (стр. 13 )

Количество отдельных элементов и их распределение в природе подчиняется закону, установленному норвежским геохимиком , который называется основным геохимическим законом и формулируется следующим образом:

абсолютные количества элементов, то есть кларки, зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов в природе, связанное с их миграцией, зависит от наружных электронов.

Вышеприведенные данные о кларках элементов показывают, что земная кора (литосфера, гидросфера и атмосфера) состоит, в основном из легких атомов, ядра которых содержат малое число нуклонов-протонов и нейтронов. Преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, а особенно элементы, атомная масса которых кратна 4(O, Si, Mg, Ca, и др.). Таким образом, абсолютное количество элементов определяется, прежде всего, устойчивостью их ядер. Накопление нуклонов в ядре приводит к уменьшению устойчивости. Неустойчивость ядер с нечетным числом нуклонов обусловливается, по-видимому, низкой степенью силовой симметрии нуклонов в ядре.

1.3. О связи химии с промышленным производством и охраной окружающей среды.

Человеческое общество, а также совокупность всех живых организмов, населяющих Землю, является неотъемлемой частью единой материальной природы, составленной из атомов химических элементов, и подчиняется в своем развитии объективным законам, не зависящим от сознания и воли человека.

Жизнь – явление уникальное. Пока еще не удалось обнаружить какие-либо достоверные признаки существования жизни где-либо кроме Земли. Уникальные обстоятельства и условия происхождения и развития природы земного шара создали живую материю и охраняют ее на протяжении сотен миллионов лет. Не всегда природа одинаково благоприятствовала развитию живых организмов. Менялись геологические условия, с ними менялись условия климатические и в соответствии с этими изменениями исчезали безвозвратно одни виды живых организмов и укрепились другие, более приспособленные к изменениям. Высшим достижением развития жизни на Земле мы по праву считаем человеческий мозг - производитель разума. Разум дал человеческому обществу возможность противостоять негативным для жизни изменениям в природе за счет создания искусственной среды обитания, с помощью осознанной производительной материальной деятельности, основанной на познании законов природы. Человек не в силах отменять или устанавливать эти законы, но он может их познать и затем организовывать свою жизнь и производственную деятельность, используя законы природы в

качестве инструмента преобразования.

Методология познания материального мира древними и средневековыми мыслителями страдала одним недостатком – она пренебрегала количественными соотношениями, сопровождающими природные процессы, а сосредотачивала внимание почти исключительно на качественной стороне процессов. На протяжении почти двух тысячелетий естествознание развивалось под фундаментальным безраздельным влиянием идей гениального древнегреческого мыслителя Аристо– 322 г. до н. э.), считавшего, что все многообразие веществ производится сочетанием четырех «принципов» – сухости, тепла, влажности и холода. «Принципы» Аристотеля являются абстрактным отражениями чувственно воспринимаемых качеств веществ.

Попарной комбинацией этих качеств создаются, по мнению Аристотеля, четыре «основные элемента» – земля, огонь, воздух и вода по следующей схеме:

сухость

земля огонь

холод тепло

вода воздух

влажность

Все многообразие веществ в природе, в соответствии с этой теорией, образуется сочетаниями в надлежащих пропорциях соответствующих «принципов» или их носителей – «основных элементов».

Первоистоками современного подхода к изучению материального мира явились в 17 – 18 веках работы Р. Бойля, , А. Лавуазье и др. В работах этих ученых количественные методы исследования (точные измерения изменений масс, объемов, тепла и др.) впервые вводились в качестве доказательной основы понимания сущности процессов. первым установил законы сохранения масс и энергии, которые могут быть сформулированы следующим образом:

масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции;

энергия не возникает из ничего и не исчезает, она только переходит из одних форм в другие.

Следует отметить, что закон сохранения массы в современном естествознании принимается с известными ограничениями. Из соотношения между массой и энергией веществ, установленного А. Эйнштейном:

E=mC2,

следует, что масса веществ вообще не является постоянной, а зависит от скорости движения. В то же время, безусловно, справедлив закон сохранения энергии. С указанной оговоркой следует считать, что закон сохранения массы и закон сохранения энергии в совокупности являются выражением единого закона сохранения материи.

Материальный мир находится в состоянии постоянного движения. Под движением понимается любое изменение: превращение вещества, пространственное перемещение, увеличение или уменьшение и так далее. Современная классификация форм движения материи основана, главным образом, на уровнях форм вещественной организации материи, являющихся носителями соответствующих форм движения. Всеохватывающей формой движения материи является физическая. Энергии этой формы движения находятся в диапазоне от близких к нулю (при температуре близкой или равной абсолютному нулю) до максимально мыслимых (при температурах ядерного распада и аннигиляции веществ).

Химической формой движения материи является взаимопревращение веществ. Для химической формулы движения характерен более узкий, по сравнению с физической формой, энергетический интервал существования. Нижний интервал энергии химической формы движения, безусловно, несколько выше нижнего предела физической формы (физическая форма движения существует и при абсолютном нуле, в то время как химические реакции прекращаются при температурах выше абсолютного нуля). Верхний предел существования химической формы движения ограничен температурой, при которой все химические реакции становятся невозможными из-за распада атомов (ионизации, ядерного распада и так далее). При температурах в миллионы градусов практически бессмысленно говорить о химической форме движения, так как никаких веществ в химическом смысле (то есть как структур, образованных определенным образом соединенными атомами) в этих условиях не существует.

Биологическая форма движения материи существует в живых организмах. Она включает химические и физические процессы, обуславливающие существование живых организмов. Интервал энергий биологической формы движения еще более узок. Так, по некоторым данным, отдельные микроорганизмы сохраняют жизнедеятельность при температурах близких к 150оС, но нет сомнения, что при нескольких сотнях градусов никакая жизнь невозможна.

Сравнение упомянутых форм движения материи показывает, что усложнение формы движения (от физической к биологической) сопровождается резким сужением энергетического интервала существования данной формы движения.

Можно отметить, что мозг человека[5] (высшая форма организации материи) функционирует в очень узком энергетическом интервале (в пределах от ≈ 35,6оС до ≈ 42оС), не превышающее 10оС.

Каждый материальный объект, являющийся носителем какой – либо сложной формы движения материи, включается и во все менее сложные формы движения. Так, например, живые организмы – носители биологической формы движения - неизбежно вовлечены в химическую и физическую формы движения.

Химическая форма движения материи проявляется в химических реакциях, протекающих в условиях целостности, неизменности атомов веществ, вступающих в реакции. Следовательно, каждая реакция может быть сведена к перераспределению связей между атомами. Число связей, образуемых атомом, выражается целым числом, так же как и количество атомов, входящих в молекулу вещества. Эти обстоятельства позволяют понять причины существования нескольких законов, открытых в конце XVIII – начале XIX веков; которые можно объединить названием – стехиометрические законы. Стехиометрией называют раздел химии, включающий законы количественных соотношений между реагирующими веществами. Важнейшими из стехиометрических законов являются закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон Авогадро:

- отношение масс элементов, входящих в состав химического соединения, всегда постоянно;

- если два элемента образуют несколько химических соединений, то массы каждого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа;

- равные объемы газов содержат при одинаковых температуре и давлении равные количества молекул.

Химические процессы являются одной из важнейших составных частей современных производительных сил общества. Невозможно представить какое – либо современное производство, где не использовались бы химические процессы. В сельском хозяйстве, в строительстве, в металлургии, в пищевой промышленности и т. п. – всюду не обойтись без химии. Гигантские массы веществ перерабатываются в современных промышленных производствах, изменяя свою химическую структуру. Масштабы производства постоянно возрастают. Конечной целью производственной деятельности людей является поддержание существующих жизненных условий и улучшение их. Любая производственная деятельность содержит, применительно к проблеме улучшения условий жизни, ряд противоречий. Главным из них является противоречие между достигаемым локальным улучшением условий и общим глобальным их ухудшением. Рассмотрим для прояснения сути этого противоречия два примера.

Заботясь о чистоте одежды и жилищ, люди используют массу чистящих и моющих веществ. Достижение чистоты оплачивается глобальным загрязнением вод стоками, содержащими вредные для живого мира вещества.

Добыча минерального сырья, получение минералов, отопление жилищ – все это направлено на улучшение локальных условий жизни. Платой за эти улучшения являются глобальные загрязнения вод, воздуха, земной поверхности множеством вредных веществ. Великий русский ученый , основатель геохимии как науки, первым убедительно доказал, что химические превращения и миграция химических элементов вследствие человеческой деятельности стали уже в первой половине двадцатого века сопоставимы по масштабам с геологическими процессами. Так, например, общий перенос веществ водами оценивается около 19*109 т/год, из них антропогенный вклад составляет около 2*109 т/год, то есть около 10% массы веществ, попадающих в воды земного шара, сбрасываются туда людьми. Примерно такое же соотношение оценено и для веществ, переносимых атмосферой. Объемы и массы твердых отходов, подвергаемых захоронению и откладываемых в хранилища, в масштабах всего земного шара оценить пока невозможно, но они неуклонно увеличиваются. Человеческая деятельность в 20 веке приобрела, таким образом, глобальный геохимический смысл. Осуществляемое до сих пор стихийное наращивание производительных сил, масштабы которого определяются внутренними общественными потребностями и ресурсными возможностями, начинает наносить непоправимый ущерб глобальным условиям жизни, разрушая естественность сбалансированных биогеохимических процессов, создавших и пока еще сохраняющих жизнь на Земле. Для сохранения благоприятных условий жизни развитие производительных сил должно идти в комплексе с мероприятиями по защите окружающей среды от угрозы последствий промышленного производства. Разработка этих мероприятий – задача экологии и, прежде всего – химической экологии.

Экология (от греч. oikos – дом, жилище, родина; logos –понятие, учение) – термин, введенный в 1866 г. немецким естествоиспытателем Э. Геккелем использовался вначале для обозначения раздела биологии, изучающего взаимоотношения живых организмов с окружающей средой. Но еще в середине двадцатого века выделение экологии в качестве самостоятельного научного направления даже в таком узком понимании (а может, вследствие узкого понимания) не получало всеобщего признания и некоторыми научными школами считалось условным. В настоящее время экология является общепризнанной самостоятельной наукой, но с более широким определением. Предметом современной экологии является не только взаимоотношение с окружающей средой, но и комплекс факторов, обеспечивающих условия жизни, то есть как всесторонне рассматриваемый комплекс взаимоотношений, взаимодействий живых организмов с природными телами и системами. Одним из важнейших понятий экологии становятся понятие – окружающая среда. Этим термином обозначают совокупность природных и природно-антропогенных тел, явлений и факторов, прямо или косвенно влияющих на условия жизни человека и связанных с ним вещественным и энергетическим обменом.

Загрязнение окружающей среды отходами производственной деятельности людей наряду с многочисленными локальными негативными эффектами (гибель обитателей водоемов, растительности, насекомых, птиц и т. п.) вызывают ряд глобальных эффектов, угрожающих жизни в целом. Среди этих глобальных эффектов наиболее опасными являются разрушение озонового слоя, угроза парникового эффекта при увеличении содержания диоксида углерода в атмосфере, аэрозольный эффект и выпадение кислотных осадков.

Озон, образующийся в земной атмосфере под действием солнечного излучения, сосредотачивается на высоте 25 – 40 км от поверхности Земли, образуя так называемый озоновый экран. Он выполняет одну из важнейших жизнезащитных функций, – поглощая коротковолновую УФ радиацию солнца и рентгеновскую радиацию космоса, предохраняет живые организмы от их губительного воздействия. Было обнаружено, что с 1980 по 1984 среднее содержание озона над Антарктидой заметно снизилось. Этот факт вызвал тревогу общественности и инициировал работы по исследованию причин явления. Предполагается, что оно вызвано поступлением в атмосферу содержащих фторполигалогенпроизводных углеводородов – фреонов, используемых в холодильной технике. Фреоны благодаря высокой летучести достигают озонового слоя и в результате окислительно-восстановительных реакций снижают содержание озона в атмосфере

CFCl3 + hυ → *CFCl2 + *Cl;

*Cl + O3 → O2 +ClO*

ClO* + O3→ 2O2 + Cl*

Увеличение содержания СО2 в атмосфере грозит глобальным потеплением на поверхности планеты. Диоксид углерода в отличие от паров воды, концентрирующихся в основном только в нижних слоях тропосферы[6], относительно равномерно распределен в тропосфере и стратосфере. Диоксид углерода, содержащийся в атмосфере, поглощает около 18% земного инфракрасного излучения (в основном, в области длин волн около 15 микрометров). Расчеты показали, что при увеличении концентрации СО2[7] в атмосфере в два раза температура земной поверхности возрастет на 2,7 - 3,7оС, что может привести к таянию полярных ледников и затоплению значительных участков материков.

Не меньшую опасность несет и так называемый аэрозольный эффект. Накопление в атмосфере твердых и жидких, непрозрачных для солнечных лучей частичек снижает долю солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли. Результатом этого эффекта является снижение температура на поверхности Земли. Согласно проведенным расчетам увеличение непрозрачности атмосферы в 4 раза вызовет уменьшение температуры поверхности земли на 3,5оС, что вызовет наступление нового ледникового периода.

Парниковый эффект СО2 и аэрозольный эффект приводят к противоположным изменениям температуры. Возможно, этим объясняется тот факт, что при фактическом постоянном росте содержания СО2 в атмосфере (над станцией Южный Полюс от 0,0317% в 1957 г до 0,0331% в 1973 г) произошло не повышение, а незначительное понижение температуры поверхности Земли. Этот результат можно интерпретировать, как суммарный от нарастания концентраций СО2 и аэрозолей. Кислые газы, выбрасываемые в атмосферу при сжигании топлива и при обжиге рудных минералов, растворяются в каплях конденсирующейся в облаках воды и выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Особенно опасны кислотные дожди для растительности. Гибель растительности сопровождается эрозией почвы. Резко усиливается в кислотной среде коррозия металлов.

Наряду с перечисленными проблемами химического загрязнения окружающей среды возникает ряд более узких, но не менее угрожающих проблем для локальных мест обитания. Ниже перечислены наиболее актуальные для современного состояния общества проблемы химического загрязнения окружающей среды

- парниковый эффект диоксида углерода;

- разрушение озонового слоя фреонами;

- аэрозольный эффект;

- кислотные дожди;

- загрязнение атмосферы оксидами азота и серы;

- загрязнение водоемов промышленными стоками вредных веществ;

- загрязнение нефтяными углеводородами, пестицидами, диоксинами;

- загрязнение питьевых вод фенолами и хлоруглеводородами.

Антропогенное поступление некоторых загрязнителей (поллютантов[8]) превышает естественные потоки этих веществ в биогеохимических циклах. Некоторые поллютанты созданы людьми (фреоны, синтетические моющие вещества и др.) и в природных естественных циклах вещественных превращений практически отсутствовали.

Безопасное развитие человеческой цивилизации далее невозможно без мероприятий по защите окружающей среды и, прежде всего, биосферы – совокупности живых организмов образующих оболочку Земли. Основоположник современного учения о биосфере – ввел в науку расширенное понятие о биосфере – не просто как о случайной совокупности живых организмов, а как о единой системе взаимозависимостей как внутри системы (взаимозависимость живых организмов), так и с неорганическими природными системами (взаимозависимость живых организмов с неорганическими природными телами, участвующими в вещественном и энергетическом обмене с живыми организмами). Дальнейшее развитие производительных сил общества должно осуществляться при постоянном контроле всех негативных последствий с целью нейтрализации их. Важнейшей составной частью информационной системы наблюдения за антропогенными изменениями в окружающей среде, является мониторинг окружающей среды, сочетающий периодический аналитический контроль с интерпретацией его данных.

Данные химического анализа окружающей среды являются основой для принятия мер по сокращению объемов тех или иных промышленных отходов. Основным путем решения глобальных экологических проблем является перевод промышленных производств на ресурсосберегающие и безотходные технологии. Концепция безотходных производств включает необходимость создания замкнутых циклов, в которых продукция после износа должна возвращаться в сферу производства. Таким образом, безотходное производство является аналогом замкнутых природных экологических систем с биогеохимическим круговоротом веществ. Создание безотходных технологий – стратегический путь развития производительных сил. На этом пути потребуются существенные дополнительные материальные и интеллектуальные затраты, этот путь изобилует многочисленными научно-техническими, материальными, психологическими и социальными барьерами. Но другого пути безопасного развития у человечества нет. Человечество или пойдет этим путем или наступит деградация человеческой цивилизации.

В решении упомянутых экологических проблем химии совместно с физикой и математикой принадлежит ключевая роль. Будущее человечества полностью зависит от уровня понимания сущности вещественных природных процессов. Следовательно, приступая к изучению химии, необходимо осознавать ее фундаментальное значение в системе познания окружающего мира.

  Контрольные вопросы и задачи

1.  При сгорании 100 кг алюминия выделилось 3,11010 кДж. Рассчитайте изменение массы вещества в ходе реакции.

2.  Чем опасны озоновые дыры в стратосфере, парниковый и аэрозольный эффекты в тропосфере?

2. СТРОЕНИЕ АТОМА И ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

2.1.Строение атома. Радиоактивность

Ядерная модель атома, предложенная в 1910 году Э. Резерфордом, имела серьезный недостаток. В соответствии с теорией электромагнитного поля электроны, излучая энергию, должны опускаться на ядро. Устойчивость атомов указывала, что предложенная модель атома не полностью соответствует реальному его строению. В модели Резерфорда электрон рассматривался как частица, движущаяся вокруг ядра в соответствии с законами классической механики.

Исследования спектров излучения атомов показывали, что эти излучения дискретны. По уравнению Бальмера – 1 / λ = R * ((1 / n2/ m2)),

где λ – длина волны излучения;

R – постоянная Ридберга (109,678 см-1);

n, m – целые числа,

определяются, например, отдельные спектральные линии излучения атома водорода. Атомы элементов излучают лучи со строго определенным и неизменным для каждого вида атомов набором длин волн.

М. Планк, занимавшийся изучением природы и закономерностей излучения энергии веществами, пришел к заключению, что энергия, так же как и вещество, является дискретной, то есть так же, как и вещество, состоит из отдельных, в определенных условиях неделимых, малых порций, которые он назвал квантами. Так же как вещество состоит из атомов, так и энергия состоит из квантов. Энергия кванта излучения Е пропорциональна частоте излучения υ:

Е=hυ,

где h – постоянная Планка (6,Дж/с).

Нильс Бор, объединив ядерную модель атома, предложенную Э. Резерфордом, с квантовой теорией М. Планка, предложил объяснение устойчивости атомов, сочетающейся с излучением ими энергии. В соответствии с усовершенствованной Н. Бором ядерной моделью атома электроны вращаются вокруг ядер не по любым произвольным орбитам, а по строго определенным (разрешенным) орбитам[9]. Электрон, вращающийся на орбите, обладает определенной энергией. При переходе электрона с одной орбиты на другую происходит или излучение, или поглощение кванта энергии. Если электрон на орбите имел энергию Е1 и перешел на орбиту, где он имеет энергию Е2 (допустим Е2 > Е1), то при таком переходе атом поглощает квант энергии Е = Е2 – Е1. Обратный переход электрона на исходную орбиту сопровождается излучением соответствующего кванта. В соответствии с волновой теорией можно вычислить частоту этого излучения по уравнению М. Планка:

Е = Е2 – Е1 = hυ.

Таким образом, если известны энергии электрона на всех разрешенных орбиталях атома, то можно рассчитать частоты (или длины волн) всех возможных излучений атомом данного элемента. Предположения Бора полностью подтвердились на примере расчета спектра простейшего атома – атома водорода.

Модель атома Бора не давала возможности расчета спектров излучения многоэлектронных атомов, не могла объяснить поведение электрона в магнитном поле. Не лишена была эта модель и некоторых других недостатков. На пути разрешения возникших проблем была создана квантовомеханическая модель атома.

Недостатки модели атома Бора обуславливались, в частности, тем, что электрон в этой модели рассматривался только как частица, вращающаяся (наподобие планет вокруг солнца) по определенной геометрически линейной траектории вокруг ядра. Равновесие сил притяжения – отталкивания рассматривалось с точки зрения классической механики. Эйнштейна (1905 г.), Луи де Бройля (1924 г.) показали двойственную корпускулярно-волновую природу электрона и вообще всех частиц и тел. Выведенное Луи де Бройлем уравнение:

λ = h / mV,

где λ – длина волны,

m – масса частицы или тела,

v – скорость движения,

для каждой материальной частицы характерно наличие как волновых качеств (длина волны), так и корпускулярных (масса).

В. Гейзенберг в 1927 г. высказал постулат о существовании в области познания микромира принципа неопределенности, выражаемого следующим уравнением:

∆x * ∆p = h,

где x – координата частиц,

p – импульс частиц (p = mV),

h – постоянная Планка.

В соответствии с этим принципом невозможно одновременно точно определить положение частицы в пространстве (x) и величину ее импульса (p). Чем точнее будет определена координата частицы, тем менее определенной будет величина импульса частицы и наоборот. Для макрочастиц принцип неопределенности Гейзенберга несущественен, так как неопределенности координат (∆х) и импульсов (∆р) для них столь ничтожны, что не улавливаются никакими приборами.

Строгое математическое уравнение движений электронов в атоме вывел в 1926 году Э. Шредингер. Математический аппарат, используемый в уравнении, выходит за рамки математической подготовки в средней школе и на первом курсе вуза. Поэтому дальнейшее описание строения атома проводится на качественном уровне, основанном на результатах расчета энергии и удаленности отдельных электронов от ядра по уравнению Шредингера.

Квантовомеханическая модель атома включает два новых понятия – орбиталь и квантовое число. Поскольку для электрона как для частицы с малой массой невозможно пренебречь принципом неопределенности Гейзенберга, невозможно точное определение одновременно и положения его в пространстве вокруг ядра и его импульса. Это делает невозможным расчет линейной траектории движения электрона. В квантовомеханической модели, вместо расчета точного местонахождения электрона в каждый момент времени (орбиты) рассчитывают вероятность нахождения электрона в определенной области пространства вокруг ядра. Решением уравнения Шредингера является определенного вида волновая функция φ. Квадрат волновой функции φ2 выражает распределение вероятности местонахождения электрона вокруг ядра. Область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона называется орбиталью.

Волновая функция φ - понятие, основанное на представлении о волновой природе электрона, выражает амплитуду волны как функцию трех пространственных координат электрона. Нахождение волновой функции решением уравнения Шредингера позволяет определить области вокруг ядра атома, в которых наиболее вероятно находятся электроны, (то есть форму орбиталей), и значения энергий, которыми обладает электрон, движущийся по этим орбиталям.

Состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами: главным – n, орбитальным – l, магнитным – m и спиновым - s. Квантовые числа n, l и m характеризуют геометрические и энергетические особенности орбитали.

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры орбитали. Оно принимает значение положительных целых чисел 1,2,3… Большие значения n соответствуют большим размерам и энергии орбиталей. Численное значение n обозначает порядковый номер энергетического уровня.

Орбитальное квантовое число l определяет форму орбиталей и энергию подуровней. Орбитальное квантовое число принимает значения целых чисел от нуля до (n - 1). Например, орбитали третьего энергетического уровня (n = 3) имеют значения орбитального квантового числа равные 0,1 и 2. В записи электронных формул атомов значения l записывают буквами в соответствии со схемой:

Значение l

Буквенное обозначение s p d f g

Так же и электроны, движущиеся по этим орбиталям, называют соответственно s – электронами (движутся по s - орбиталям), p – электронами (движутся по p - орбиталям) и так далее. Орбитали со значениями орбитального квантового числа равным ноль (то есть s - орбитали), имеют сферическую форму, р – орбитали имеют форму гантелеобразную, d – орбитали имеют более сложную форму. Вообще, с увеличением значения орбитального квантового числа форма орбиталей существенно усложняется.

Магнитное квантовое число m определяет ориентацию орбиталей в пространстве и принимает значения целых чисел от - l до +l, включая ноль.

Для l = 2, магнитные квантовые числа принимают значения: -2, -1, 0, +1 и +2.

Каждая орбиталь в атоме характеризуется определенным сочетанием значений трех квантовых чисел n, l и m. В таблице 1 указан пример характеристики атомных орбиталей набором значений n. l и m.

Из таблицы видно, что на первом уровне (ближайшем к ядру атома) имеется одна s - орбиталь, на втором – одна s – орбиталь и три p – орбитали, на третьем одна s – орбиталь, три р – орбитали и пять d – орбиталей. На каждом последующем уровне появляется новый подуровень, число орбиталей на котором на две больше, чем на наружном подуровне предыдущего уровня. Так, например, на четвертом уровне (n = 4), дополнительно к одной s – орбитали, трем р - орбиталям, пяти f – орбиталям добавятся семь f – орбиталей.

Для характеристики электронов в атоме дополнительно используется спиновое квантовое число s, принимающее два значения -1/2 и +1/2. Состояние электрона в атоме характеризуется определенным набором четырех квантовых чисел n, l, m и s.

Таблица 1. Квантовые числа и атомные орбитали с n = 1 до 3.

n	l	m	Характеристика орбиталей	Обозначение орбитали	Число атомных орбиталей на энергетическом уровне.
числовые значения	буквенные обозначения
1	0	s	0	1, 0, 0	1s	1
2	0	s	0	2, 0, 0	2s	4
1	p	-1 0 1	2, 1, -1 2, 1, 0 2, 1, 1	2px 2py 2pz
3	0	s	0	3, 0, 0	3s	9
1	p	-1 0 1	3, 1, -1 3, 1, 0 3, 1, 1	3px 3py 3pz

Квантовые числа могут быть использованы для понимания порядка распределения электронов в многоэлектронных атомах, записываемые в виде электронных формул атомов (электронных конфигураций атомов). В атоме с невозбужденными электронами (в основном состоянии) электроны занимают орбитали в порядке возрастания энергии, начиная с орбитали, обладающей минимальной энергией (это 1s орбиталь), то есть, в соответствии с принципом минимума энергии.