Электронные оболочки и подоболочки

Структура атома определяется распределением электронов вокруг положительно заряженного ядра. Электроны располагаются на энергетических уровнях (оболочках), обозначаемых главными квантовыми числами n = 1, 2, 3, …. Каждая оболочка характеризуется определённой энергией и максимальным количеством электронов, которое определяется формулой 2n².

Подоболочки внутри каждой оболочки отражают дополнительные энергетические различия и обозначаются символами s, p, d, f. Каждая подоболочка имеет фиксированное число орбиталей и может содержать ограниченное количество электронов:

• s-подоболочка: 1 орбиталь, максимум 2 электрона
• p-подоболочка: 3 орбитали, максимум 6 электронов
• d-подоболочка: 5 орбиталей, максимум 10 электронов
• f-подоболочка: 7 орбиталей, максимум 14 электронов

Квантовые числа определяют состояние электрона:

1. Главное квантовое число n — указывает на энергетический уровень и размер орбитали.
2. Орбитальное квантовое число l — характеризует форму орбитали, соответствует типу подоболочки: s(l = 0), p(l = 1), d(l = 2), f(l = 3).
3. Магнитное квантовое число m_l — определяет ориентацию орбитали в пространстве (−l ≤ m_l ≤ +l).
4. Спиновое квантовое число m_s — описывает направление спина электрона (+1/2 или −1/2).

Принципы заполнения электронных оболочек:

• Принцип наименьшей энергии (Ауфбау): электроны занимают сначала наиболее низкие энергетические состояния.
• Правило Паули: каждая орбиталь может содержать не более двух электронов с противоположными спинами.
• Правило Хунда: при заполнении орбиталей одного типа электроны распределяются по орбиталям так, чтобы число неспаренных электронов было максимальным.

Энергетические уровни и порядок заполнения: Энергия орбиталей определяется не только номером оболочки n, но и типом подоболочки l. Последовательность заполнения электронов в атомах соответствует схеме: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

Электронные конфигурации отражают распределение электронов по оболочкам и подоболочкам. Например:

• Водород: 1s¹
• Углерод: 1s²2s²2p²
• Железо: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

Особенности заполнения d- и f-орбиталей: Периодические элементы d-блока (переходные металлы) имеют электроны во внутренней d-подоболочке, что определяет их химические свойства и переменные степени окисления. Элементы f-блока (лантаноиды и актиноиды) заполняют f-подоболочки, что влияет на магнитные и спектральные характеристики.

Энергетическая диаграмма орбиталей служит для визуализации распределения электронов и прогнозирования химической активности атомов. Конфигурации валентных электронов определяют химические свойства элементов, их способность к образованию ионов и ковалентных связей.

Резюме ключевых моментов:

• Электронные оболочки делятся на подоболочки, различающиеся по форме и энергии.
• Квантовые числа строго определяют состояние электрона.
• Электроны занимают орбитали в порядке наименьшей энергии, соблюдая принципы Паули и Хунда.
• Конфигурации d- и f-элементов определяют уникальные химические и физические свойства переходных и редкоземельных элементов.

Эта система распределения электронов является фундаментальной основой для понимания строения атома, периодической системы и реакционной способности химических элементов.