ЕГЭ – 2014. Химия. Характеристика состояния электрона в атоме системой квантовых чисел.
Главное квантовой число n в значительной степени определяет значение энергии электрона в атоме и размеры электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные значения от 1 до бесконечности. С ростом n возрастают размеры электронного облака и энергия электронов.
Совокупность электронов, характеризующихся одним и тем же значением главного квантового числа, называют электронным слоем.
Второе квантовое число (ℓ), называемое орбитальным (побочным, в иностранной литературе – азимутальным) квантовым числом, характеризует энергию электрона внутри слоя (уровня) и определяет форму электронного облака. Оно принимает положительные целочисленные значения, начиная с нуля, но имеет ограничение: при данном значении главного квантового числа n величина ℓ не может превысить значение (n-1). На практике побочное квантовое число чаще обозначается буквами:
ℓ =0,1,2,3,4,…,n-1
s, p,d, f,g…
Совокупность электронов в одним и тем же значением побочного квантового числа называют электронной оболочкой (подуровнем).
Третье квантовое число (m ℓ), называемое магнитным, определяет ориентацию орбитали в пространстве. Орбиталь же образуется совокупность электронов с одним и тем же значением магнитного квантового числа, её традиционно обозначают клеточкой (квантовая ячейка). При данном значении ℓ, магнитное квантовое число принимает значения:
1,2,3,4,…,L
m ℓ =0
-1,-2,-3,-4,…-L
Общее число значений составляет(2 ℓ +1).
У электронов есть и четвертая квантовая характеристика – спиновое квантовое число mS , отражающее четвертую координату нашего мира – время. Спиновое квантовое число принимает (в единицах атомного мира) лишь два значения: +Ѕи - Ѕ. Договоримся считать значение +Ѕбольше значения - Ѕи будем обозначать электроны со спином +Ѕстрелочкой ↑, а электроны со спином - Ѕ– стрелочкой ↓.
Четыре квантовых числа есть полная и однозначная характеристика состояния электрона в атоме. Более того, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел (Принцип Паули). Это – основной закон мира электронов. Принцип Паули позволяет рассчитать максимальное число электронов в слое, оболочке и на орбитали.
Орбиталь характеризуется постоянным значением m ℓ . Это возможно лишь при известном значении ℓ, что в свою очередь требует постоянства значения n. Таким образом, для орбитали изменяется только спиновое квантовое число, отсюда следует, что на орбитали может быть максимально два электрона и они в соответствии с принципом Паули обязательно должны иметь противоположные спины: ↑↓.Если на орбитали находится один электрон, то его состояние регулируется правилом Хунда: суммарный спин электронов оболочки должен быть максимальным. Таким образом, в рамках принятых договоренностей единственный электрон на орбитали имеет спиновое квантовое число +Ѕ.
Пример 5. Охарактеризовать квантовыми числами все электроны атома азота в основном состоянии.
Решение. Атом азота содержит 7 электронов. Учет принципа Паули и правила Хунда приведёт к следующему распределению электронов:
№ п/п | n | ℓ | mℓ | mS |
1 | 1 | 0 | 0 | +Ѕ |
2 | 1 | 0 | 0 | -Ѕ |
3 | 2 | 0 | 0 | +Ѕ |
4 | 2 | 0 | 0 | -Ѕ |
5 | 2 | 1 | 1 | +Ѕ |
6 | 2 | 1 | 0 | +Ѕ |
7 | 2 | 1 | -1 | +Ѕ |
Поскольку энергия электронов не зависит от магнитного квантового числа, то порядок выхода значений mℓ для ℓ=1 (p-оболочка) любой.
