Электронная оболочка - Electron shell

В химии и атомной физике , электронная оболочку можно рассматривать как орбиты с последующими электронами вокруг атома «ов ядра . Ближайшая к ядру оболочка называется « 1- оболочка» (также называемая «K-оболочка»), за ней следует « 2- оболочка» (или «L-оболочка»), затем « 3- оболочка» (или «M-оболочка»). ), и так далее, все дальше и дальше от ядра. Оболочки соответствуют основным квантовым числам ( n = 1, 2, 3, 4 ...) или помечены в алфавитном порядке буквами, используемыми в рентгеновской записи (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. Для объяснения того, почему электроны существуют в этих оболочках, см. Конфигурацию электронов .

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. 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. Баркла обозначил их буквами K, L, M, N, O, P и Q. 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

Трехмерные изображения некоторых водородоподобных атомных орбиталей, показывающие плотность и фазу вероятности ( g- орбитали и выше не показаны).

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 содержать больше в подоболочке 5g, которая не занята в основной электронной конфигурации любого известного элемента. Различные возможные подоболочки показаны в следующей таблице:

Ярлык субоболочки 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
г 4 18 5-я оболочка и выше (теоретически) (следующий по алфавиту после f )
  • 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 () 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 цифра над ней.
  • 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 + 2 электронов, а именно:

  • Каждый ы подоболочка имеет максимум 2 электрона
  • Каждая подоболочка p содержит не более 6 электронов.
  • Каждая подоболочка d 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.


Имя оболочки

Имя подоболочки

Макс
электронов субоболочки

Максимальное количество
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
3d 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. Это связано с тем, что подоболочки заполняются по принципу Aufbau . 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

Для многоэлектронных атомов n - плохой индикатор энергии электрона. Энергетические спектры некоторых оболочек чередуются.
Состояния, перечеркнутые одинаковой красной стрелкой, имеют одинаковое значение. Направление красной стрелки указывает порядок заполнения состояний.

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, а 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 на оболочку 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 Титан 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 Железо 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 год 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 Беркелиум 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

использованная литература