Многоэлектронные атомы

Многоэлектронный атом

Многоэлектронные атомы

Одноэлектронный атом водорода является самым простым за структурой из тех, которые существуют в природе. Остальные атомы, начиная от гелия из его двумя электронами являются многоэлектронными образованиями. Поскольку каждый атом является нейтральным, то зарядовое число одновременно показывает количество электронов в атоме, количество протонов в его ядре и порядковый номер в периодической таблице элементов. Таким образом, в многоэлектронном нейтральном атоме есть электронов. Они складывают взаимодействующую между собой и с заряженным ядром стационарную систему квантовых частиц, где и учтенные силы притяжения между ядром и двумя электронами и отталкивания между электронами. За счет третьего слагаемого возникает частичное снятие вырождения энергетических уровней: в отличие от атому водорода, энергия электронов в многоэлектронных атомах зависит не только от квантового числа, но также и от квантового числа. Именно наличие третьего слагаемого в потенциальной энергии не позволяет разделить движение электронов и рассматривать каждый электрон отдельно в его руссе в поле ядра.

Однако можно рассматривать движение каждого электрону в усредненном поле ядра и остальных электронов, и такое усредненное полет уже можно считать приблизительно центрально симметричным. Понятно, что такой приближенный метод, который имеет название метода Хартри, или методу самосогласованного поля, есть тем точнее, чем большее количество электронов в атоме. В методе Хартри фактически пренебрегают третьим слагаемым в сравнительно с суммой двух первых.

Задача о движении одного электрону в приблизительно сферически-симметричном поле ядра и остальных электронов напоминает задачу о движении электрону в водородоподобной системе. В частности квантовые состояния такого электрону можно описать теми же четырьмя квантовыми числами: .

Периодический закон Мендєлєєва. Электронные слои и оболочки

Еще одно важное обстоятельство, которое надо учитывать во время изучения многоэлектронных атомов есть тождественность электронов в пределах одного атому. Невозможно сказать какой именно электрон находится в том или другом квантовом состоянии разрешенному для электронов атому. Система электронов атому является системой фермионов, следовательно подлежит принципу запрета Пауле.

Если состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами, то согласно принципу запрета Пауле ни одна пара электронов из совокупности электронов атому не может иметь одинаковыми все четыре квантовых числа. При этом в пары электронов могут совпадать одно, два, и даже три квантовых числа, но не все четыре.

Электроны, которые имеют одинаковое квантовое число формируют так называемый электронный слой. Вместимость каждого электронного слоя является ограниченной она равняется количеству разных квантовых состояний для фиксированного значения, то есть кратность вырожденияю

Количество электронов, которые можно разместить в оболочках слоя должна совпадать с его вместимостью, как это можно проследить на примере - шара, который состоит из трех оболочек (s, p, d) и содержит соответственно 2 6 10=18 электронов. Энергия связи электронов с атомным ядром в нашем приближении является наибольшей для электронов ближайшего для ядра - слоя (допустимо, что она равняется), тогда как для электронов более отделенных слоев она падает приблизительно обратно пропорциональный квадрату главного квантового числа. Чем больший квантовый номер имеет слой, тем меньшая энергия связи.

Распределение электронов по слоям и оболочкам диктуется их вместимостью (то есть принципом Пауле). Электронные конфигурации принято помечать специальными символами: например символ значит, что в первом электронном слое атому гелия на оболочке находятся два электрона. Они имеют одинаковые значения квантовых чисел однако разные направления спину. Наборы квантовых чисел для двух электронов атому гелия являются такими:, если атом находится в основном невозбужденном состоянии.

Этот атом интересен еще и потому, что демонстрирует полностью заполненную оболочку (оболочку) и даже полностью заполнен электронный слой.

Следующим таким атомом в таблице Менделеева должен быть атом, у которого полностью заполненными электронами являются два электронных слоя. Согласно таблице 1 суммарная вместимость этих двух электронных слоев равняется десяти электронам (2 8). Под десятым номером в таблице Менделеева находим другой инертный газ – неон (подчеркнутые электроны первого слоя, дважды подчеркнутые электроны второго слоя).

Атомы с заполненными оболочками и слоями должны сильно выделяться своими свойствами от атомов с незаполненными оболочками и слоями и они действительно выделяются значительной химической инертностью. Такие атомы складывают группу инертных ячеек периодической таблицы элементов (группа).

Атомы, которые имеют лишь один электрон в недостроенном слое, или оболочке должны достаточно просто его терять, что вообще то и наблюдается для атомов одиннадцатого элемента, лития, электронная конфигурация которого является такой. Сравнивая эту конфигурацию с конфигурацией неона, замечаем, что первые два электронных слоя лития имеют такую же конфигурацию, как и у неона, то есть являются полностью заполненными, укомплектованными электронами. В третьем же слое на три его оболочки с суммарной вместимостью 18 электронов приходится один-единственный электрон.

Этот электрон имеет название валентного электрону лития, ввиду того, что он легко отдается во время химических реакций, потому что слабее всего связан с остальным и ядерным электронами. Слои и оболочки лития можно разделить на полностью скомплектованные, заполненные (так называемый "кор", или сердцевину атому) и незаполненные (так называемые валентные) оболочки и слои. Количество электронов в валентных слоях и оболочках атомов определяет их химическое поведение (в частности такую важную в химии характеристику как валентность).

Наконец, сравнивая электронные конфигурации элементов одной группы таблицы Менделеева (например, четвертой группы), замечаем, что элементы одной группы имеют разные кори, но одинаковые валентные слои и оболочки и потому из химической точки зрения должны быть очень похожими между собой:

Как углерод (14 электронов) так и кремний (32 электрона) имеют на внешнем электронном слое заполненную оболочку и незаполненную оболочку. Электроны последней слабее всего связаны с атомом, потому оба элемента