План
Кількість електронів в атомі дорівнює його порядковому номеру в періодичній системі. Електрони рухаються навколо ядра атома дотримуючись правил квантової механіки.
1. Електрони розподіляються по енергетичним рівням. Кількість енергетичних рівнів дорівнює номеру періоду.
2. На кожному енергетичному рівні знаходяться електронні орбіталі. Орбіталь — це область простору, в якій ймовірність перебування електрона становить понад 90%. Типи електронних орбіталей: s — р — d — f . Кількість різних типів орбіталей дорівнює номеру періоду, проте поки що нам невідомі елементи, в яких електрони заповнюють наступну після f орбіталь. Орбіталі відрізняються формою, енергією, кількістю:
Від s до f-орбіталі енергія зростає, форма стає більш складною.
Форма і розміщення в просторі s-, p-, d- і f-орбіталей
3. На кожній орбіталі може розміщуватися два електрони з різними спінами. Спін - власний момент кількості руху електрона, можна уявити як обертання електрона навколо своєї осі за чи проти годинниковою стрілкою.
Для складання електронних і графічних формул елементів зручно використовувати періодичну систему.
Алгоритм складання електронних формул елементів
4. Рахуємо кількість елементів кожного кольору і записуємо отримані числа в стовпчик під дужками, поки не дійдемо до кінця періоду, або до елемента, електронну формулу якого записуємо.
У результаті отримаємо приблизно такі схеми будови атомів, по яким зручно записувати електронні формули і розподіл електронів по орбіталям. Додаткових пояснень вимагає червона стрілочка у схемі будови атома Феруму. Шість d-електронів, які заповнюють орбіталі у елементів четвертого періоду, насправді є 3d-електронами, які розміщуються на третьому енергетичному рівні. Чому відбувається цей перехід електронів пояснює принцип мінімальної енергії.
Електрони надзвичайно енергоекономні, інакше вони не зможуть існувати. В оточуючому світі панує ентропія, яка знищує кожен об'єкт, який не відповідає принципу мінімальної енергії. Зате ті об'єкти, які даному принципу відповідають, існують необмежено довго і їх вік може бути співставним із віком самого нашого Всесвіту.
Ці міркування формулюються у вигляді принципу мінімальної енергії — найбільш стабільному стану електрона в атомі відповідає стан із мінімальною можливою енергією.
Саме тому електрони послідовно заповнюють енергетичні рівні: 1 — 2 — 3 — 4... і електронні орбіталі: s — р — d — f . І якщо в атомі Феруму спочатку заповнюється 4s-орбіталь і тільки потім 3d, це означає, що енергія, необхідна для заповнення 4s-орбіталі, нижча, ніж для заповнення 3d-орбіталі.
Розрахувати порядок заповнення електронних орбіталей дозволяють два правила Клечковського:
1. Заповнення орбіталей відбувається по мірі зростання для них суми головного та орбітального квантових чисел (n+l )
Головне квантове число (n ) — це номер енергетичного рівня.
Орбітальне квантове число (l ) — це число, яке відповідає типу електронної орбіталі: s — 0; р — 1; d — 2; f — 3.
Для 4s-орбіталі сума головного та орбітального квантових чисел 4 + 0 = 4, для 3d-орбіталі — 3 + 2 = 5. Оскільки 4 < 5, електрони спочатку заповнюють 4s-орбіталь і тільки потім 3d.
2. Якщо сума головного та орбітального квантових чисел (n+l ) рівна, першою заповнюється орбіталь із меншим значенням головного квантового числа.
Для 3d і 4р-орбіталей суми головного та орбітального квантових чисел рівні: 3 + 2 = 5, 4 + 1 = 5. Але оскільки 3 < 4, електрони спочатку заповнюють 3d-орбіталь і тільки потім 4р.
Картина М.П. Богданова-Бєльського "Усний рахунок. У народній школі С. А. Рачинського". Діти 9-10 років вирішують записаний на дошці приклад: (102 + 112 + 122 + 132 + 142) / 100 і, як бачимо, хтось уже шепче вчителеві на вухо свій варіант відповіді. Спробуйте самостійно розв'язати цей приклад. Звичайно, усно. Наявність калькуляторів і іншої обчислювальної техніки не відміняє необхідності тренувати власний мозок, чи не так?