Принцип Паули, правило Хунда и правило Клечковского
Подробное руководство по правилам заполнения электронных орбиталей: принцип Паули, правило Хунда и правило Клечковского. Примеры электронных конфигураций, исключения и разбор задач.
Введение
В предыдущих темах было установлено, что электроны в атоме располагаются на энергетических уровнях и подуровнях, образуя электронную оболочку атома.
Однако возникает вопрос: почему электроны занимают орбитали в определённом порядке и почему электронные конфигурации разных элементов отличаются друг от друга?
Распределение электронов в атоме подчиняется законам квантовой механики.
Основными правилами являются:
- принцип наименьшей энергии (правило Клечковского);
- принцип Паули;
- правило Хунда.
Именно эти закономерности позволяют правильно составлять электронные конфигурации атомов и объяснять периодическое изменение свойств элементов.
Основные понятия
Орбиталь
Орбиталь — область пространства вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона наиболее велика.
Каждая орбиталь может содержать не более двух электронов.
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням.
Пример для натрия:
Na (Z = 11)
1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Орбитальные диаграммы
Для наглядности орбитали изображают в виде ячеек.
Электроны обозначают стрелками:
↑ ↓
Направление стрелки отражает направление собственного вращения электрона — спина.
Спин — собственный момент импульса электрона, являющийся одной из его фундаментальных квантовых характеристик.
Принцип наименьшей энергии (правило Клечковского)
Суть правила
Электроны всегда стремятся занять состояние с минимальной возможной энергией.
Поэтому сначала заполняются орбитали с более низкой энергией, а затем — с более высокой.
Это правило называется принципом наименьшей энергии.
Правило Клечковского
Для определения порядка заполнения орбиталей используют правило Клечковского.
Энергия подуровня определяется суммой квантовых чисел:
n + l
где:
| Обозначение | Значение |
|---|---|
| n | главное квантовое число |
| l | орбитальное квантовое число |
Основное правило
- Чем меньше сумма n + l, тем раньше заполняется подуровень.
- Если суммы одинаковы, первым заполняется подуровень с меньшим значением n.
Последовательность заполнения подуровней
При составлении электронных конфигураций используют следующую последовательность:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s
Именно в таком порядке электроны занимают орбитали.
Пример: кальций
Кальций содержит 20 электронов.
Заполняем подуровни по возрастанию энергии:
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
Последний электрон располагается на подуровне:
4s
Принцип Паули
Принцип Паули был сформулирован австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году.
Формулировка
В атоме не может существовать двух электронов с одинаковым набором четырёх квантовых чисел.
Для школьного курса используется упрощённая формулировка:
На одной орбитали может находиться не более двух электронов, причём их спины должны быть противоположно направлены.
Что следует из принципа Паули?
На каждой орбитали:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Максимальное число электронов | 2 |
| Направление спинов | Противоположное |
Допустимое заполнение
↑↓
Недопустимое заполнение
↑↑
↓↓
Правило Хунда
Правило было сформулировано немецким физиком Фридрихом Хундом.
Оно применяется для орбиталей одного подуровня.
Например:
- трёх p-орбиталей;
- пяти d-орбиталей;
- семи f-орбиталей.
Формулировка
Электроны сначала занимают свободные орбитали по одному и только затем начинают образовывать пары.
Такое распределение уменьшает взаимное отталкивание электронов и делает атом более устойчивым.
Пример для p-подуровня
Подуровень p содержит три орбитали.
Рассмотрим распределение трёх электронов.
Правильное распределение
↑ ↑ ↑
Неправильное распределение
↑↓ ↑
Пример: атом азота
Электронная конфигурация:
1s² 2s² 2p³
Орбитальное распределение:
2p
↑ ↑ ↑
Все три электрона располагаются отдельно.
Пример: атом кислорода
Электронная конфигурация:
1s² 2s² 2p⁴
Орбитальное распределение:
2p
↑↓ ↑ ↑
Четвёртый электрон начинает образовывать пару.
Совместное применение трёх правил
Рассмотрим атом фтора.
Количество электронов:
9
Шаг 1. Правило Клечковского
Заполняем подуровни:
1s² 2s² 2p⁵
Шаг 2. Принцип Паули
На каждой орбитали допускается не более двух электронов.
Шаг 3. Правило Хунда
Сначала электроны распределяются по свободным орбиталям:
↑ ↑ ↑
Затем образуются пары:
↑↓ ↑↓ ↑
Получается окончательная орбитальная схема атома фтора.
Исключения из правила Клечковского
У большинства элементов правило выполняется строго.
Однако существуют исключения, связанные с повышенной устойчивостью:
- наполовину заполненных d-подуровней;
- полностью заполненных d-подуровней.
Хром (Cr)
Ожидаемая конфигурация
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ 4s²
Реальная конфигурация
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹
Причина:
Полузаполненный d-подуровень обладает повышенной устойчивостью.
Медь (Cu)
Ожидаемая конфигурация
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹
Реальная конфигурация
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰
Причина:
Полностью заполненный d-подуровень обладает повышенной устойчивостью.
Сравнение трёх правил
| Правило | Основная идея | Что определяет |
|---|---|---|
| Клечковского | Сначала заполняются орбитали с меньшей энергией | Порядок заполнения |
| Паули | На орбитали не более двух электронов | Максимальную вместимость |
| Хунда | Сначала электроны занимают свободные орбитали по одному | Распределение внутри подуровня |
Практическое значение
Эти закономерности позволяют:
- составлять электронные конфигурации атомов;
- определять число неспаренных электронов;
- объяснять валентность элементов;
- понимать строение Периодической системы;
- прогнозировать химические свойства элементов;
- объяснять магнитные свойства веществ.
Все современные представления о строении атома основаны на совместном использовании принципа Паули, правила Хунда и правила Клечковского.
Как быстро запомнить?
| Правило | Простая ассоциация |
|---|---|
| Клечковского | «Сначала самые выгодные места» |
| Паули | «В одной комнате не больше двух жильцов» |
| Хунда | «Сначала расселяются по отдельности, потом подселяются парами» |
Дополнительные материалы
Для углублённого изучения темы:
Главное запомнить
Принцип Клечковского определяет порядок заполнения орбиталей.
Принцип Паули запрещает существование более двух электронов на одной орбитали.
Правило Хунда определяет распределение электронов между орбиталями одного подуровня.
Только совместное использование всех трёх правил позволяет правильно составлять электронные конфигурации атомов и объяснять строение Периодической системы химических элементов.