Почему 4s-орбиталь заполняется раньше 3d-орбитали?

Согласно правилу n+l, для нейтральных атомов в основном состоянии 4s-орбиталь (n=4, l=0, n+l=4) имеет меньшую энергию, чем 3d-орбиталь (n=3, l=2, n+l=5). Поэтому электроны сначала заполняют 4s. Однако, как только 3d-орбитали начинают заполняться (у переходных металлов), энергия 4s-орбитали слегка возрастает, и при ионизации электроны обычно теряются сначала с 4s-орбитали, а затем с 3d.

Что обозначают стрелки вверх и вниз на орбиталях?

Стрелки обозначают электроны и их собственный спин — квантовомеханическое свойство. Стрелка вверх обозначает электрон со спиновым квантовым числом +1/2 (часто называемый 'спин-вверх'), а стрелка вниз — -1/2 ('спин-вниз'). Принцип запрета Паули требует, чтобы два электрона на одной орбитали имели противоположные спины, поэтому они всегда показаны спаренными как пара 'вверх-вниз'.

Показывает ли этот симулятор возбуждённые состояния или ионы?

Нет, эта модель специально разработана для построения электронной конфигурации основного состояния нейтральных атомов. Она следует строгому порядку заполнения по принципу Ауфбау. Для изображения ионов или возбуждённых состояний электроны необходимо было бы удалить или перевести на орбитали более высокой энергии, что выходит за рамки данного упрощённого визуального представления.

Почему электроны сначала по одному заполняют орбитали, а затем спариваются (правило Хунда)?

Электроны имеют отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. Заполнение отдельных орбиталей в пределах одной подоболочки минимизирует эту энергию электростатического отталкивания. Кроме того, электроны, имея одинаковый заряд, предпочитают, находясь на разных орбиталях, иметь параллельные спины (следствие квантовой механики), что дополнительно стабилизирует конфигурацию. Для спаривания электронов на одной орбитали требуется дополнительная энергия, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание.

Электронная конфигурация

Визуально заполняйте орбитали с анимацией принципа Ауфбау.

Предсказание Ауфбау

1s²2/2 e⁻

2s²2/2 e⁻

2p⁶6/6 e⁻

3s²2/2 e⁻

3p⁴4/6 e⁻

Эталон (набор данных)

1s²2/2 e⁻

2s²2/2 e⁻

2p⁶6/6 e⁻

3s²2/2 e⁻

3p⁴4/6 e⁻

Компактная запись

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Sulfur or sulphur (see spelling differences) is a chemical element with symbol S and atomic number 16. It is an abundant, multivalent non-metal. Under normal conditions, sulfur atoms form cyclic octatomic molecules with chemical formula S8.

О модели

Распределение электронов в атоме, известное как его электронная конфигурация, определяется набором квантовомеханических правил. Этот симулятор визуализирует основные принципы данного процесса: принцип Ауфбау, правило Хунда и принцип запрета Паули. Принцип Ауфбау (от немецкого 'строить, накапливать') предписывает, что электроны сначала занимают атомные орбитали с наименьшей энергией. Симулятор моделирует это, заполняя орбитали в порядке, определяемом правилом n+l, где 'n' — главное квантовое число, а 'l' — орбитальное (азимутальное) квантовое число. Сначала заполняются орбитали с меньшим значением (n+l); если у двух орбиталей (n+l) одинаково, первой заполняется орбиталь с меньшим 'n'. Это даёт последовательность: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p и т.д. В пределах подоболочки (например, три 2p-орбитали) применяется правило Хунда (правило максимальной мультиплетности): электроны сначала по одному заполняют вырожденные орбитали со спинами одинакового направления и лишь затем спариваются. Это необходимо для минимизации электрон-электронного отталкивания. Принцип запрета Паули, фундаментальный закон квантовой механики, представлен ограничением: максимум два электрона на орбитали, и эти два электрона должны иметь противоположные спины. Симулятор упрощает сложную квантовомеханическую реальность, представляя орбитали в виде статических ящиков фиксированной энергии, игнорируя тонкую форму облаков плотности вероятности и непрерывный характер энергетических уровней в многоэлектронных атомах. Он также рассматривает энергии орбиталей как неизменные, тогда как в реальности энергия орбитали может слегка смещаться по мере заполнения других орбиталей. Взаимодействуя с этой моделью, студенты учатся предсказывать электронные конфигурации основного состояния для первых 86 элементов, понимать логику структуры периодической таблицы и видят прямое применение квантовых правил к химическому поведению.

Для кого: Учащиеся старших классов и студенты начальных курсов вузов, изучающие строение атома и периодичность, а также преподаватели, демонстрирующие квантовые правила в визуальном формате.

Ключевые понятия

Принцип Ауфбау
Принцип запрета Паули
Правило Хунда

Как это работает

Заполнение по принципу Ауфбау (правило Клечковского) предсказывает, как подоболочки заполняются с ростом Z. Многие атомы в основном состоянии следуют ему, но исключения (Cr, Cu, Mo, Pd, …) понижают энергию, переводя один s-электрон в d или f. Эталонная строка использует проверенные конфигурации из набора данных периодической таблицы.

Основные формулы

Порядок: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → …

Часто задаваемые вопросы

Почему 4s-орбиталь заполняется раньше 3d-орбитали?: Согласно правилу n+l, для нейтральных атомов в основном состоянии 4s-орбиталь (n=4, l=0, n+l=4) имеет меньшую энергию, чем 3d-орбиталь (n=3, l=2, n+l=5). Поэтому электроны сначала заполняют 4s. Однако, как только 3d-орбитали начинают заполняться (у переходных металлов), энергия 4s-орбитали слегка возрастает, и при ионизации электроны обычно теряются сначала с 4s-орбитали, а затем с 3d.
Что обозначают стрелки вверх и вниз на орбиталях?: Стрелки обозначают электроны и их собственный спин — квантовомеханическое свойство. Стрелка вверх обозначает электрон со спиновым квантовым числом +1/2 (часто называемый 'спин-вверх'), а стрелка вниз — -1/2 ('спин-вниз'). Принцип запрета Паули требует, чтобы два электрона на одной орбитали имели противоположные спины, поэтому они всегда показаны спаренными как пара 'вверх-вниз'.
Показывает ли этот симулятор возбуждённые состояния или ионы?: Нет, эта модель специально разработана для построения электронной конфигурации основного состояния нейтральных атомов. Она следует строгому порядку заполнения по принципу Ауфбау. Для изображения ионов или возбуждённых состояний электроны необходимо было бы удалить или перевести на орбитали более высокой энергии, что выходит за рамки данного упрощённого визуального представления.
Почему электроны сначала по одному заполняют орбитали, а затем спариваются (правило Хунда)?: Электроны имеют отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. Заполнение отдельных орбиталей в пределах одной подоболочки минимизирует эту энергию электростатического отталкивания. Кроме того, электроны, имея одинаковый заряд, предпочитают, находясь на разных орбиталях, иметь параллельные спины (следствие квантовой механики), что дополнительно стабилизирует конфигурацию. Для спаривания электронов на одной орбитали требуется дополнительная энергия, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание.

Продолжите с близкими темами в этой категории — или все 65 в «Химия».

Вся категория →

ПопулярноеДети