Электронная оболочка

В химии и атомной физике , электронная оболочку можно рассматривать как орбиты с последующими электронами вокруг атома «ов ядра . Ближайшая к ядру оболочка называется « оболочкой 1 » (также называемой «оболочкой K»), за ней следует « оболочка 2 » (или «оболочка L»), затем « оболочка 3 » (или «оболочка M». ), и так далее, все дальше и дальше от ядра. Оболочки соответствуют главным квантовым числам ( n = 1, 2, 3, 4 ...) или обозначены в алфавитном порядке буквами, используемыми в рентгеновской записи (K, L, M,…).

Каждая оболочка может содержать только фиксированное количество электронов: первая оболочка может содержать до двух электронов, вторая оболочка может содержать до восьми (2 + 6) электронов, третья оболочка может содержать до 18 (2 + 6 + 10 ) и так далее. Общая формула состоит в том, что n- я оболочка в принципе может содержать до 2 ( n ² ) электронов. ^[1] Для объяснения того, почему электроны существуют в этих оболочках, см. Электронную конфигурацию . ^[2]

Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек , а каждая подоболочка состоит из одной или нескольких атомных орбиталей .

История

Терминология оболочки взята из модификации модели Бора Арнольдом Зоммерфельдом . Зоммерфельда сохранил планетарную модель Бора, но добавил слабо эллиптические орбиты (характеризующиеся дополнительным квантовые числа л и м ) для объяснения тонких спектроскопической структуры некоторых элементов. ^[3] Несколько электронов с одним и тем же главным квантовым числом ( n ) имели близкие орбиты, которые образовывали «оболочку» положительной толщины вместо бесконечно тонкой круговой орбиты модели Бора.

Существование электронных оболочек впервые было обнаружено экспериментально в Чарльз Баркла «ы и Мозли » S рентгеновских исследований поглощения. ^{[ необходим непервичный источник ]} Баркла обозначил их буквами K, L, M, N, O, P и Q. ^[4] Эта терминология возникла из алфавита. Предполагалась также серия "J", хотя более поздние эксперименты показали, что линии поглощения K создаются самыми внутренними электронами. Позже было обнаружено, что эти буквы соответствуют значениям n 1, 2, 3 и т. Д. Они используются в спектроскопической нотации Зигбана .

Подоболочки

Трехмерные изображения некоторых водородоподобных атомных орбиталей, показывающие плотность и фазу вероятности ( g- орбитали и выше не показаны).

Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек, которые сами состоят из атомных орбиталей . Например, первая (K) оболочка имеет одну подоболочку, называемую 1s ; вторая (L) оболочка имеет две подоболочки, называемые 2s и 2p ; третья оболочка имеет 3s , 3p и 3d ; четвертая оболочка имеет 4s , 4p , 4d и 4f ; пятая оболочка имеет 5s , 5p , 5d и 5f и теоретически может удерживать больше в 5gподоболочка, которая не занята в основной электронной конфигурации любого известного элемента. ^[2] Различные возможные подоболочки показаны в следующей таблице:

• Первый столбец - это «метка подоболочки», метка из строчных букв для типа подоболочки. Например, « подоболочка 4s » - это подоболочка четвертой (N) оболочки с типом ( ами ), описанным в первой строке.
• Второй столбец - это азимутальное квантовое число () подоболочки. Точное определение связано с квантовой механикой , но это число, которое характеризует подоболочку.
• Третий столбец - это максимальное количество электронов, которое можно поместить в подоболочку этого типа. Например, в верхнем ряду указано, что каждая подоболочка s- типа ( 1s , 2s и т. Д.) Может содержать не более двух электронов. В каждом случае цифра на 4 больше, чем предыдущая.
• В четвертом столбце указано, какие оболочки имеют подоболочку этого типа. Например, если посмотреть на две верхние строки, каждая оболочка имеет подоболочку s , в то время как только вторая оболочка и выше имеет подоболочку p (т. Е. Подоболочки «1p» не существует).
• В последнем столбце указано историческое происхождение ярлыков s , p , d и f . Они происходят из ранних исследований атомных спектральных линий . Другие метки, а именно g , h и i , являются продолжением алфавита после последней исторически возникшей метки f .

Количество электронов в каждой оболочке

Каждая подоболочка должна содержать не более 4 ℓ + 2 электронов, а именно:

• Каждый ы подоболочка имеет максимум 2 электрона
• Каждая подоболочка p содержит не более 6 электронов.
• Каждая d подоболочка содержит не более 10 электронов.
• Каждая подоболочка f содержит не более 14 электронов.
• Каждая подоболочка g содержит не более 18 электронов.

Следовательно, K-оболочка, содержащая только s подоболочку, может содержать до 2 электронов; L-оболочка, содержащая s и p , может содержать до 2 + 6 = 8 электронов и так далее; в общем, n- я оболочка может содержать до 2 n 2 электронов. ^[1]

Хотя эта формула в принципе дает максимум, на самом деле он достигается (известными элементами) только для первых четырех оболочек (K, L, M, N). Ни один из известных элементов не имеет более 32 электронов в одной оболочке. ^{[6] [7]} Это связано с тем, что подоболочки заполняются в соответствии с принципом Ауфбау . Первые элементы , чтобы иметь более чем 32 электронов в одной оболочке будет принадлежать г-блока в период 8 из периодической таблицы . Эти элементы будут иметь несколько электронов в подоболочке 5g и, таким образом, имеют более 32 электронов в оболочке O (пятая основная оболочка).

Энергии подоболочки и порядок заполнения

Состояния, пересекаемые красной стрелкой, имеют одинаковое значение. Направление красной стрелки указывает порядок заполнения состояний.${\ Displaystyle п + \ ell}$

Хотя иногда говорят, что все электроны в оболочке имеют одинаковую энергию, это лишь приближение. Однако электроны в одной подоболочке имеют точно такой же уровень энергии, а более поздние подоболочки имеют больше энергии на электрон, чем более ранние. Этот эффект настолько велик, что диапазоны энергии, связанные с оболочками, могут перекрываться.

Заполнение оболочек и подоболочек электронами происходит от подоболочек с меньшей энергией к подоболочкам с более высокой энергией. Это соответствует правилу n + ℓ, которое также широко известно как правило Маделунга. Подоболочки с меньшим значением n + ℓ заполняются раньше, чем с более высокими значениями n + . В случае равных значений n + ℓ , подоболочка с меньшим значением n заполняется первой.

Список элементов с электронами на оболочку

В приведенном ниже списке перечислены элементы, упорядоченные по возрастанию атомного номера, и показано количество электронов на оболочку. На первый взгляд, подмножества списка демонстрируют очевидные закономерности. В частности, каждый набор из пяти элементов (в  электрик ) перед каждым благородным газом (группа 18, в  желтый ) тяжелее гелия, имеют последовательное количество электронов во внешней оболочке, а именно от трех до семи.

Сортировка таблицы по химической группе показывает дополнительные закономерности, особенно в отношении последних двух крайних оболочек. (Элементы с 57 по 71 относятся к лантаноидам , а с 89 по 103 - к актинидам .)

Приведенный ниже список в первую очередь соответствует принципу Aufbau . Однако из правила есть ряд исключений; например, палладий (атомный номер 46) не имеет электронов в пятой оболочке, в отличие от других атомов с более низким атомным номером. Некоторые записи в таблице недостоверны, когда экспериментальные данные недоступны. (Например, элементы старше 108 имеют такой короткий период полураспада, что их электронные конфигурации еще не измерены.)

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы, связанные со схемами электронных оболочек .

• Периодическая таблица (электронные конфигурации)
• Подсчет электронов
• 18-электронное правило
• Заряд ядра

Рекомендации