Почему 4s заполняется раньше 3d, а у хрома и меди все не по правилу? Добавляй электроны по одному и смотри, как они рассаживаются по орбиталям от водорода до криптона.
В прошлой теме электроны крутились по кругам. Это удобная картинка, но на деле нельзя сказать, где электрон в данный момент. Можно только указать область, где он бывает чаще всего. Такую область называют орбиталью, а нарисованная, она похожа на облако.
Орбитали бывают разных форм и обозначаются буквами. s-орбиталь похожа на шар, p-орбиталь на гантель, d-орбиталь на четырехлистник. На каждой орбитали помещается не больше двух электронов. Орбитали одного слоя и одной формы образуют подуровень, например 2p. Порядок, в котором электроны занимают подуровни, и объясняет, почему таблица Менделеева устроена именно так.
ⓘ Энергии подуровней на рисунке показаны по порядку, а не в масштабе. Для элементов дальше криптона добавятся 4d, 5s и f-подуровни, правила те же.
Электроны занимают места с наименьшей энергией, но подчиняются трем правилам. Подсвечено правило, которое сработало при последнем добавленном электроне. Числа берутся из опыта.
Правило Клечковского: какой подуровень раньше?
Подуровни заполняются по возрастанию суммы n + l. Если суммы равны, раньше тот, у кого меньше n. Поэтому 4s (4 + 0 = 4) заполняется раньше 3d (3 + 2 = 5).
Принцип Паули: сколько мест?
На одной орбитали не больше двух электронов, и спины у них противоположные. Отсюда емкость: s до 2, p до 6, d до 10, а весь слой номер n до 2n² электронов.
Правило Хунда: как внутри подуровня?
В подуровне с несколькими орбиталями электроны сначала занимают все пустые клеточки по одному с одинаковым спином и только потом начинают образовывать пары. Как пассажиры в автобусе: сначала садятся по одному.
Номер периода равен числу занятых слоев. У натрия электроны есть в слоях 1, 2 и 3, и он стоит в третьем периоде.
Химические свойства зависят от электронов внешнего слоя. У лития, натрия и калия там по одному s-электрону, поэтому они похожи: мягкие металлы, бурно реагируют с водой. У фтора и хлора по семь, и они жадно забирают восьмой.
Блоки таблицы. Два левых столбца это s-элементы, шесть правых p-элементы, а широкая середина с железом, медью и хромом это d-элементы, у которых заполняется d-подуровень предыдущего слоя. Ширина блоков 2, 6 и 10 клеток ровно совпадает с емкостью подуровней s, p и d.
Исключения. У хрома и меди один электрон с 4s переходит на 3d, потому что наполовину или полностью заполненный d-подуровень особенно устойчив.
Искровой спектрометр бьет разрядом по детали, электроны атомов перескакивают на верхние уровни и, падая обратно, светятся. У каждого элемента свой набор линий, и прибор показывает, сколько в стали хрома, никеля, марганца.
Натрий горит желтым, медь зеленым, калий фиолетовым. Цвет задается разницей энергий между подуровнями. По цвету пламени еще в школе определяют металлы в соли.
Неспаренные электроны делают атом маленьким магнитом. У железа, кобальта и никеля их много на 3d-подуровне, поэтому из них делают постоянные магниты, сердечники трансформаторов и электродвигателей.
Соединения d-элементов почти всегда окрашены: ржавчина бурая, медная патина зеленая, соли хрома зеленые и оранжевые. d-электроны поглощают часть видимого света.
У кремния на внешнем слое четыре электрона, 3s² 3p². Он делит их с четырьмя соседями, и из этого получаются кристаллы для микросхем, датчиков и солнечных панелей.
Электрон падает с верхнего уровня на нижний и отдает энергию светом. Подбирая материал с нужной разницей уровней, получают красный, зеленый или синий свет, а в лазерном дальномере и нивелире луч.
Порядок заполнения по Клечковскому верен для большинства элементов, но есть исключения; в опыте показаны два главных до криптона, хром и медь. Энергии подуровней изображены по порядку, а не в масштабе. Конфигурация относится к атому в основном состоянии, когда энергия минимальна. Формы орбиталей нарисованы схематично: настоящие облака не имеют резкой границы.