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 основным квантовым числам ( n = 1, 2, 3, 4 ...) или обозначены в алфавитном порядке буквами, используемыми в рентгеновской системе обозначений (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 такова, 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] Происхождение этой терминологии было алфавитным. Предполагалась также серия "J", хотя более поздние эксперименты показали, что линии поглощения K создаются самыми внутренними электронами. Позднее было обнаружено, что эти буквы соответствуют значениям n 1, 2, 3 и т. Д. Они используются в спектроскопической нотации Зигбана .
Подоболочки
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 ; в третьей оболочке есть 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:
Ярлык субоболочки | ℓ | Макс электронов | Снаряды, содержащие его | Историческое название |
---|---|---|---|---|
s | 0 | 2 | Каждая оболочка | s арфы |
п | 1 | 6 | 2-я оболочка и выше | р rincipal |
d | 2 | 10 | 3-я оболочка и выше | d iffuse |
ж | 3 | 14 | 4-я оболочка и выше | е undamental |
грамм | 4 | 18 | 5-я оболочка и выше (теоретически) | (следующий по алфавиту после f ) [5] |
- Первый столбец - это «метка подоболочки», метка из строчных букв для типа подоболочки. Например, « подоболочка 4s » является подоболочкой четвертой (N) оболочки с типом ( ами ), описанным в первой строке.
- Второй столбец - это азимутальное квантовое число (ℓ) подоболочки. Точное определение включает квантовую механику , но это число, которое характеризует подоболочку.
- Третий столбец - это максимальное количество электронов, которое может быть помещено 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 дается 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]
Имя оболочки | Имя подоболочки | Макс электронов субоболочки | Макс электронов оболочки |
---|---|---|---|
K | 1 с | 2 | 2 |
L | 2 с | 2 | 2 + 6 = 8 |
2p | 6 | ||
M | 3 с | 2 | 2 + 6 + 10 = 18 |
3p | 6 | ||
3д | 10 | ||
N | 4 с | 2 | 2 + 6 + 10 + 14 = 32 |
4p | 6 | ||
4d | 10 | ||
4f | 14 | ||
О | 5 с | 2 | 2 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50 |
5p | 6 | ||
5d | 10 | ||
5f | 14 | ||
5 г | 18 |
Хотя эта формула дает максимум в принципе, на самом деле максимум достигается (известными элементами) только для первых четырех оболочек (K, L, M, N). Ни один известный элемент 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 некоторое количество электронов в подоболочке 5g и, таким образом, имеют более 32 электронов в оболочке O (пятая основная оболочка).
Энергии подоболочки и порядок заполнения
Хотя иногда говорят, что все электроны в оболочке имеют одинаковую энергию, это приближение. Однако электроны в одной подоболочке действительно имеют точно такой же уровень энергии, причем 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 этого 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 являются неопределенными, когда экспериментальные данные недоступны. (Например, элементы старше 108 имеют такой короткий период полураспада, что их электронные конфигурации еще не измерены.)
Z | Элемент | Кол-во электронов / оболочка | Группа |
---|---|---|---|
1 | Водород | 1 | 1 |
2 | Гелий | 2 | 18 |
3 | Литий | 2, 1 | 1 |
4 | Бериллий | 2, 2 | 2 |
5 | Бор | 2, 3 | 13 |
6 | Углерод | 2, 4 | 14 |
7 | Азот | 2, 5 | 15 |
8 | Кислород | 2, 6 | 16 |
9 | Фтор | 2, 7 | 17 |
10 | Неон | 2, 8 | 18 |
11 | Натрий | 2, 8, 1 | 1 |
12 | Магний | 2, 8, 2 | 2 |
13 | Алюминий | 2, 8, 3 | 13 |
14 | Кремний | 2, 8, 4 | 14 |
15 | Фосфор | 2, 8, 5 | 15 |
16 | Сера | 2, 8, 6 | 16 |
17 | Хлор | 2, 8, 7 | 17 |
18 | Аргон | 2, 8, 8 | 18 |
19 | Калий | 2, 8, 8, 1 | 1 |
20 | Кальций | 2, 8, 8, 2 | 2 |
21 год | Скандий | 2, 8, 9, 2 | 3 |
22 | Титана | 2, 8, 10, 2 | 4 |
23 | Ванадий | 2, 8, 11, 2 | 5 |
24 | Хром | 2, 8, 13, 1 | 6 |
25 | Марганец | 2, 8, 13, 2 | 7 |
26 год | Утюг | 2, 8, 14, 2 | 8 |
27 | Кобальт | 2, 8, 15, 2 | 9 |
28 год | Никель | 2, 8, 16, 2 | 10 |
29 | Медь | 2, 8, 18, 1 | 11 |
30 | Цинк | 2, 8, 18, 2 | 12 |
31 год | Галлий | 2, 8, 18, 3 | 13 |
32 | Германий | 2, 8, 18, 4 | 14 |
33 | Мышьяк | 2, 8, 18, 5 | 15 |
34 | Селен | 2, 8, 18, 6 | 16 |
35 год | Бром | 2, 8, 18, 7 | 17 |
36 | Криптон | 2, 8, 18, 8 | 18 |
37 | Рубидий | 2, 8, 18, 8, 1 | 1 |
38 | Стронций | 2, 8, 18, 8, 2 | 2 |
39 | Иттрий | 2, 8, 18, 9, 2 | 3 |
40 | Цирконий | 2, 8, 18, 10, 2 | 4 |
41 год | Ниобий | 2, 8, 18, 12, 1 | 5 |
42 | Молибден | 2, 8, 18, 13, 1 | 6 |
43 год | Технеций | 2, 8, 18, 13, 2 | 7 |
44 год | Рутений | 2, 8, 18, 15, 1 | 8 |
45 | Родий | 2, 8, 18, 16, 1 | 9 |
46 | Палладий | 2, 8, 18, 18 | 10 |
47 | Серебро | 2, 8, 18, 18, 1 | 11 |
48 | Кадмий | 2, 8, 18, 18, 2 | 12 |
49 | Индий | 2, 8, 18, 18, 3 | 13 |
50 | Банка | 2, 8, 18, 18, 4 | 14 |
51 | Сурьма | 2, 8, 18, 18, 5 | 15 |
52 | Теллур | 2, 8, 18, 18, 6 | 16 |
53 | Йод | 2, 8, 18, 18, 7 | 17 |
54 | Ксенон | 2, 8, 18, 18, 8 | 18 |
55 | Цезий | 2, 8, 18, 18, 8, 1 | 1 |
56 | Барий | 2, 8, 18, 18, 8, 2 | 2 |
57 | Лантан | 2, 8, 18, 18, 9, 2 | |
58 | Церий | 2, 8, 18, 19, 9, 2 | |
59 | Празеодим | 2, 8, 18, 21, 8, 2 | |
60 | Неодим | 2, 8, 18, 22, 8, 2 | |
61 | Прометий | 2, 8, 18, 23, 8, 2 | |
62 | Самарий | 2, 8, 18, 24, 8, 2 | |
63 | Европий | 2, 8, 18, 25, 8, 2 | |
64 | Гадолиний | 2, 8, 18, 25, 9, 2 | |
65 | Тербий | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | |
66 | Диспрозий | 2, 8, 18, 28, 8, 2 | |
67 | Гольмий | 2, 8, 18, 29, 8, 2 | |
68 | Эрбий | 2, 8, 18, 30, 8, 2 | |
69 | Тулий | 2, 8, 18, 31, 8, 2 | |
70 | Иттербий | 2, 8, 18, 32, 8, 2 | |
71 | Лютеций | 2, 8, 18, 32, 9, 2 | 3 |
72 | Гафний | 2, 8, 18, 32, 10, 2 | 4 |
73 | Тантал | 2, 8, 18, 32, 11, 2 | 5 |
74 | Вольфрам | 2, 8, 18, 32, 12, 2 | 6 |
75 | Рений | 2, 8, 18, 32, 13, 2 | 7 |
76 | Осмий | 2, 8, 18, 32, 14, 2 | 8 |
77 | Иридий | 2, 8, 18, 32, 15, 2 | 9 |
78 | Платина | 2, 8, 18, 32, 17, 1 | 10 |
79 | Золото | 2, 8, 18, 32, 18, 1 | 11 |
80 | Меркурий | 2, 8, 18, 32, 18, 2 | 12 |
81 год | Таллий | 2, 8, 18, 32, 18, 3 | 13 |
82 | Вести | 2, 8, 18, 32, 18, 4 | 14 |
83 | Висмут | 2, 8, 18, 32, 18, 5 | 15 |
84 | Полоний | 2, 8, 18, 32, 18, 6 | 16 |
85 | Астатин | 2, 8, 18, 32, 18, 7 | 17 |
86 | Радон | 2, 8, 18, 32, 18, 8 | 18 |
87 | Франций | 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 | 1 |
88 | Радий | 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 | 2 |
89 | Актиний | 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2 | |
90 | Торий | 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2 | |
91 | Протактиний | 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 | |
92 | Уран | 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 | |
93 | Нептуний | 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2 | |
94 | Плутоний | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | |
95 | Америций | 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2 | |
96 | Кюрий | 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2 | |
97 | Берклиум | 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2 | |
98 | Калифорний | 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2 | |
99 | Эйнштейний | 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2 | |
100 | Фермий | 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2 | |
101 | Менделевий | 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2 | |
102 | Нобелий | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2 | |
103 | Лоуренсий | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 | 3 |
104 | Резерфордий | 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 | 4 |
105 | Дубний | 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 | 5 |
106 | Сиборгий | 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 | 6 |
107 | Бориум | 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 | 7 |
108 | Калий | 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 | 8 |
109 | Мейтнерий | 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (?) | 9 |
110 | Дармштадтиум | 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (?) | 10 |
111 | Рентгений | 2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (?) | 11 |
112 | Копернициум | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (?) | 12 |
113 | Нихоний | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (?) | 13 |
114 | Флеровий | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (?) | 14 |
115 | Московиум | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (?) | 15 |
116 | Ливерморий | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (?) | 16 |
117 | Tennessine | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (?) | 17 |
118 | Оганессон | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (?) | 18 |
Смотрите также
Викискладе есть медиафайлы, связанные со схемами электронных оболочек . |
- Периодическая таблица (электронные конфигурации)
- Подсчет электронов
- Правило 18 электронов
- Заряд ядра
Рекомендации
- ^ a b Re: Почему электронные оболочки имеют ограничения? madsci.org, 17 марта 1999 г., Дэн Бергер, факультет химии / естественных наук, колледж Блаффтон
- ^ a b Электронные подоболочки . Источник коррозии.
- ^ Дональд Садоуей, Введение в химию твердого тела , лекция 5
- ^ Баркла, Чарльз Г. (1911). «XXXIX. Спектры флуоресцентного рентгеновского излучения» . Философский журнал . Series 6. 22 (129): 396–412. DOI : 10.1080 / 14786440908637137 .
Ранее обозначается буквами B и A (...). Буквы K и L, однако, предпочтительны, поскольку весьма вероятно, что существует ряд излучений, как более поглощаемых, так и более проникающих.
- ^ Цзюэ, Т. (2009). «Квантовая механика, основы биофизических методов» . Фундаментальные концепции биофизики . Берлин: Springer. п. 33. ISBN 978-1-58829-973-4.
- ^ Орбитали . Chem4Kids. Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ Electron & Shell Конфигурация архивации 28 декабря 2018 в Wayback Machine . Chemistry.patent-invent.com. Проверено 1 декабря 2011 г.