Что такое s-p-d-f-уровни и орбитали ? квантовые числа и закономерности элементов по периодической системе менделеева

В химии и квантовой механике строение электронной оболочки атома описывается через систему энергетических уровней, подуровней и орбиталей. Это распределение подчиняется строгим математическим закономерностям, которые определяются квантовыми числами. 1. Квантовые числа Каждый электрон в атоме имеет уникальный набор из четырех квантовых чисел, которые определяют его «адрес» и энергетическое состояние:

• Главное квантовое число (n): определяет номер энергетического уровня (слоя) и его общую энергию. Принимает значения целых чисел от 1 до бесконечности ( $n=1,2,3.\mathrm{.}\mathrm{.}$). Орбитальное (побочное) число (l): определяет форму орбитали и тип подуровня. Принимает значения от $0$ до $n-1$. Каждому значению соответствует буква: $0=s,1=p,2=d,3=f$. Магнитное квантовое число (mₗ): определяет ориентацию орбитали в пространстве. Принимает значения от $-l$ до $+l$ (всего $2l+1$ значений). Спиновое квантовое число (mₛ): отражает собственный момент импульса электрона. Принимает значения $\mathrm{+1}/2$ или $-1/2$.

2. s, p, d, f — орбитали и подуровни Орбиталь — это область пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна.

• s-орбитали ( $l=0$): имеют сферическую форму. На каждом уровне есть только одна s-орбиталь, вмещающая максимум 2 электрона.
• p-орбитали ( $l=1$): имеют форму объемной восьмерки (гантели). Существуют в трех ориентациях ( $p_x,p_y,p_z$). Появляются со 2-го уровня, вмещают до 6 электронов. d-орбитали ( $l=2$): имеют более сложную форму (в основном четырехлопастную). Существует 5 ориентаций. Появляются с 3-го уровня, вмещают до 10 электронов. f-орбитали ( $l=3$): имеют самую сложную конфигурацию, 7 ориентаций. Появляются с 4-го уровня, вмещают до 14 электронов.

3. Принципы заполнения Электроны занимают орбитали согласно трем правилам:

1. Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел (на одной орбитали — не более двух электронов с разными спинами).
2. Принцип минимума энергии (Правила Клечковского): заполнение идет от уровней с меньшей энергией к большей (сначала $4s$, потом $3d$). Правило Хунда: в пределах одного подуровня электроны сначала заполняют пустые орбитали по одному, и только потом образуют пары.

4. Закономерности в таблице Менделеева Структура периодической системы напрямую отражает порядок заполнения орбиталей:

• Период (горизонталь): номер периода соответствует главному квантовому числу ( $n$) внешнего электронного слоя. Группа (вертикаль): элементы одной группы имеют сходную конфигурацию внешнего слоя (валентных электронов), что определяет их химические свойства. Блоки элементов:
  • s-блок: (1-я и 2-я группы) — заполняется внешний s-подуровень.
  • p-блок: (13–18 группы) — заполняется внешний p-подуровень.
  • d-блок: (переходные металлы) — заполняется d-подуровень предвнешнего слоя.
  • f-блок: (лантаноиды и актиноиды) — заполняется f-подуровень третьего снаружи слоя.

Изменение свойств:

• Радиус атома: уменьшается слева направо по периоду (из-за притяжения к ядру) и растет сверху вниз по группе (добавляются новые слои).
• Электроотрицательность и неметаллические свойства: растут к правому верхнему углу таблицы (к Фтору).
• Металлические свойства: растут к левому нижнему углу (к Францию).

Для визуализации этих процессов можно изучить интерактивную таблицу Менделеева на Ptable, где наглядно показаны электронные конфигурации и формы орбиталей для каждого элемента. Предлагаю разобрать электронную конфигурацию конкретного химического элемента, чтобы увидеть эти правила в действии.