§ 6.13. Многоэлектронные атомы

Определения и обозначения

Многоэлектронный атом — атом, в котором распределение электронов определяется не только притяжением к ядру, но и взаимодействием электронов между собой. Каждый электрон влияет на движение остальных, поэтому такую систему нельзя полностью описать как набор независимых электронов. Это объясняет отличие её энергетических уровней от уровней водорода.

Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням и подуровням. Уровень задаётся главным квантовым числом n, а подуровень — типом состояния s, p, d или f. Такое представление позволяет определить вместимость оболочки и порядок размещения электронов.

Принцип Паули утверждает, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырёх квантовых чисел. Поэтому одна орбиталь вмещает максимум два электрона, причём их спины противоположны. Принцип ограничивает число возможных электронов на каждом подуровне и уровне.

Электронная конфигурация — запись распределения электронов по уровням и подуровням атома. Например, обозначение 1s² показывает два электрона на первом s-подуровне. По конфигурации можно судить о внешних электронах и свойствах элемента.

Как это устроено

В одноэлектронном атоме энергия состояния в основном определяется главным квантовым числом n. В многоэлектронном атоме электроны отталкиваются, поэтому поле ядра для каждого из них частично ослабляется другими электронами. Из-за этого состояния с одним n, но разными подуровнями, имеют различную энергию.

Экранирование означает уменьшение притяжения электрона к ядру из-за присутствия внутренних электронов. Электрон, облако которого сильнее проникает к ядру, ощущает больший эффективный заряд и оказывается связан прочнее. Поэтому s-состояния обычно имеют меньшую энергию, чем p-, d- и f-состояния того же уровня.

Электроны занимают доступные состояния начиная с состояний с наименьшей энергией. Такой порядок уменьшает общую энергию атома и делает его состояние устойчивее. При этом порядок заполнения может переходить между уровнями: например, 4s заполняется раньше 3d.

Число электронов ограничивается строением подуровня. s-подуровень содержит одну орбиталь, p — три, d — пять, f — семь, а каждая орбиталь вмещает два электрона по принципу Паули. Поэтому их максимальные вместимости равны соответственно 2, 6, 10 и 14.

Последовательное заполнение оболочек приводит к повторению похожих конфигураций внешних электронов. Когда внешний уровень завершён, свойства элемента заметно отличаются от свойств атома с одним-двумя внешними электронами. Поэтому периодичность химических свойств связана прежде всего с повторением строения внешней оболочки.

Строение электронных оболочек атома

Первые четыре строки показывают вместимость целых уровней, а последние четыре — отдельных подуровней. Чтобы найти максимум для уровня, можно использовать формулу N = 2n². Для подуровня достаточно умножить число его орбиталей на два.

Разбор задач

Задача 1. Вместимость третьего уровня

Условие: определить максимальное число электронов на третьем энергетическом уровне. Номер уровня равен n = 3, поэтому применяем формулу для полной вместимости уровня.

1. Записываем формулу: N = 2n².
2. Подставляем значение: N = 2 · 3² = 2 · 9.
3. Получаем N = 18, что совпадает с суммой вместимостей 3s, 3p и 3d.

Ответ: на третьем уровне может находиться максимум 18 электронов.

Задача 2. Конфигурация хлора

Условие: записать конфигурацию атома хлора с Z = 17 и найти число электронов на внешнем уровне. Нейтральный атом содержит столько электронов, сколько протонов, то есть 17.

1. Заполняем подуровни по возрастанию энергии: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁵.
2. Проверяем сумму: 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17.
3. Внешним является третий уровень, поэтому складываем электроны 3s и 3p: 2 + 5 = 7.

Ответ: электронная конфигурация хлора — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵; на внешнем уровне 7 электронов.

Задача 3. Конфигурация железа

Условие: записать конфигурацию атома железа с Z = 26 и объяснить заполнение 4s перед 3d. Важно учитывать энергию подуровней, а не только номера уровней.

1. После заполнения 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ остаётся 8 электронов.
2. Два электрона занимают 4s, поскольку этот подуровень в нейтральном атоме имеет меньшую энергию.
3. Оставшиеся шесть электронов переходят на 3d: конфигурация — [Ar] 4s² 3d⁶.

Ответ: железо имеет конфигурацию [Ar] 4s² 3d⁶; 4s заполняется раньше 3d из-за взаимного экранирования и различия энергий подуровней.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать все подуровни одного n равноэнергетическими. Так делают по аналогии с водородом, но в многоэлектронном атоме действует экранирование. Проверка: сравните не только n, но и букву подуровня.

Ошибка 2. Заполнять уровни строго по значениям n и ставить 3d раньше 4s. Причина — смешение понятия уровня с порядком энергии. Проверка: используйте последовательность заполнения подуровней, а не просто ряд 1, 2, 3, 4.

Ошибка 3. Помещать на одну орбиталь более двух электронов или приписывать им одинаковые спины. Это нарушает принцип Паули. Проверка: у каждой орбитали должно быть не более двух электронов с противоположными спинами.

Ошибка 4. Путать вместимость уровня 2n² с вместимостью подуровня. Формула относится ко всему уровню, а s-, p-, d- и f-подуровни вмещают 2, 6, 10 и 14 электронов. Проверка: сначала определите, о каком объекте говорится в условии.

Связь с другими темами

До изучения многоэлектронных атомов нужно знать энергетические уровни, подуровни, орбитали и квантовые числа. Эти представления помогают читать электронные конфигурации и понимать периодическую систему элементов. Тема нужна также для объяснения электронных спектров и строения атомов.

Заполнение оболочек используется при изучении химической связи и свойств веществ. Те же идеи помогают понять работу лазеров, где важны переходы электронов между энергетическими состояниями. Поэтому электронная конфигурация связывает квантовую физику с химией и оптикой.

Что запомнить

• Электроны в атоме располагаются по энергетическим уровням и подуровням.
• Максимальное число электронов на уровне с номером n равно 2n².
• На одной орбитали могут находиться не более двух электронов.
• Два электрона на одной орбитали имеют противоположные спины.
• В многоэлектронном атоме энергия зависит от взаимного экранирования и притяжения электронов к ядру.
• Заполнение начинается с состояний с наименьшей энергией.
• Внешние электроны во многом определяют свойства элемента.