У 25 - 30 роках минулого століття була створена квантова теорія будови атома, яка вивчає і пояснює взаємодію і рух мікрочастинок: атомів, молекул, атомних ядер і елементарних частинок (протонів, нейтронів, електронів і ін.). Експериментально встановлено, що електрон має двоїсту природу: він володіє одночасно властивостями частки і властивостями хвилі. Електрони в атомі характеризуються різною енергією, перебувають на різній відстані від ядра і утворюють різні енергетичні рівні. Електрони, які знаходяться на однаковій відстані від ядра, утворюють один енергетичний рівень. Простір навколо ядра, в якому найбільш ймовірно знаходження електрона, називається орбиталью.
Стан електрона в атомі описують чотирма квантовими числами.
1. Головне квантове число п позначає номер рівня і характеризує величину енергії електрона даного рівня; n може приймати значенія1, 2,3, 4, 5, 6,7 (тільки цілі числа).
Електрони з п = 1 утворюють найближчий до ядруатома електронний шар (енергетичний рівень). Електрони сп = 2 утворюють другий від ядра атома електронний шар і т. Д.
2. Орбітальний (побічна) квантове число l характеризує форму електронної орбіталі (енергетичні підрівні); при даному значенні n l може набувати значень цілих чисел від 0 до n - 1. Орбіталі з різним значенням l позначаються буквами s, p, d, f.
Стан електрона, яке характеризується значенням l. називається енергетичним подуровнем. Електрониc одінаковимізначеніяміп, але разнимізначеніямі l відрізняються запасоменергіі. Число енергетичних підрівнів кожного електронного шару дорівнює номеру шару, т. Е. Значенням головного квантового числа.
Магнітне квантове число ml визначає орієнтацію орбіталей в просторі і може приймати значення цілих чисел від -l до + l, в тому числі значення 0. Так, при l = 0 ml = 0. Це означає, що s орбіталь має однакову орієнтацію щодо трьох осей координат. Таким чином, магнітне квантове число визначає число орбіталей на підрівні
Четверте квантове число m s - спін - може мати тільки два значення + 1/2 і - 1/2.
Відповідно до принципу Паулі:
В атомі не може бути двох електронів з однаковим значенням всіх чотирьох квантових чисел. На одній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів і ці електрони мають протилежні (антипаралельні) спини.
Орбиталь з двома електронами, спини яких антіпараллельни (квантова комірка), схематично зображують так: ...
Розташування електронів по верствам і орбиталям зображують у вигляді електронних конфігурацій. Велика цифра показує номер шару (головне квантове число). Буква (s, p, d, f) позначає форму орбіталі (орбітальне квантове число). Маленька ціфранадбуквой справавверхупоказивает число електронів наданнойорбіталі.Напрімер, 2s 2 доводить, чтона другому електронному шарі наs орбіталі знаходиться два електрона.
Максимальне число електронів на одній s орбіталі - 2, на трьох p -орбіталях- 6, на пятіd- орбіталях- 10 і на семи f -орбіталей - - 14.
Максимальне число електронів (N) в електронному шарі можна определітьпоформуле N = 2n 2, де п - номер шару (значення главногоквантового числа). Але в атомах багатьох елементів електронні слоіне заповнюються повністю.
Заповнення електроннихслоев визначається правилом найменшого запасу енергії:
Орбіталі заповнюються електронами в порядку зростання їх енергії, яка характеризується сумою n + l. При цьому якщо сума п + l двох різних орбіталей однакова, то раніше заповнюється орбіталь, у якій n менше.
Порядок заповнення електронних орбіталей за сумою п + 1 наступний:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 ....
Тому, наприклад, в атомі елемента скандію Sc після заповнення 4s- орбіталей заповнюються 3d орбіталі, а не 4р.
При заповненні електронами орбіталей дотримується також і правило Гунда (найбільшого сумарного спінового числа):