Почему 4s-подуровень заполняется раньше 3d? | Формы s-, p-, d-орбиталей

В одноэлектронном атоме энергия орбитали определяется только номером оболочки — но как только появляется второй электрон, форма также играет решающую роль. Другие электроны частично экранируют ядро, а s-орбиталь удерживает электрон ближе к ядру, чем d-орбиталь, поэтому зазор достаточно велик, чтобы заполнилась 4s-орбиталь раньше, чем 3d-орбиталь, даже несмотря на то, что 4 — это больший номер оболочки. Каждая из представленных ниже фигур — это граничная поверхность — область, удерживающая электрон примерно 90% времени, а не жесткий край. ФОРМЫ • s: сфера с центром в ядре, по одной на каждую оболочку, увеличивающаяся по мере увеличения номера оболочки. • p: гантель — две лепестка с узлом прямо у ядра. В каждой оболочке, начиная со второй, существуют три p-орбитали (px, py, pz), лежащие вдоль осей x, y и z. • d: в каждой оболочке, начиная с третьей, существуют пять орбиталей. Четыре орбитали имеют форму клевера: dxy, dxz и dyz расположены между указанными парами осей, а dx²−y² — вдоль осей x и y. Пятая, dz², построена иначе: две лепестка вдоль оси z с кольцом, окружающим её середину. • f: существует семь f-орбиталей, ещё более сложных — здесь они не изображены. ПОРЯДОК ЗАПОЛНЕНИЯ • Добавьте номер оболочки орбитали (n) к её морфологическому числу (ℓ: 0 для s, 1 для p, 2 для d). Та сумма, которая меньше, заполняется первой; в случае равенства заполняется орбиталь с меньшим номером оболочки. • Это правило даёт: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s. Сумма чисел в 4s равна 4, в то время как сумма чисел в 3d равна 5 — поэтому 4s заполняется первой. • Это порядок заполнения, а не утверждение, что 3d всегда находится выше по энергии, чем 4s. Это лишь указывает, в какую из них атом заполняется первой. БЫСТРЫЕ ОТВЕТЫ Каков правильный порядок заполнения атомных орбиталей? Складывая номер оболочки каждой орбитали с её числом формы и заполняя орбитали с наименьшей суммой первыми (в случае равенства значений учитывается меньший номер оболочки), получаем: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s. Почему 4s заполняется раньше 3d? Сумма чисел в 4s равна 4 (оболочка 4 + форма 0), в то время как сумма чисел в 3d равна 5 (оболочка 3 + форма 2). Правило гласит, что сначала заполняется меньшая сумма, поэтому 4s заполняется раньше, чем 3d, даже несмотря на то, что 3 — это меньший номер оболочки — число формы также является частью сравнения. Как выглядит s-орбиталь? s-орбиталь — это сфера с центром в ядре. На каждую оболочку приходится одна такая орбиталь, и она увеличивается с увеличением номера оболочки. Как выглядит d-орбиталь? Четыре из пяти d-орбиталей имеют форму клеверного листа с четырьмя лепестками каждая. Пятая, dz², отличается: два лепестка вдоль оси z с кольцом, окружающим их середину. Все пять существуют только начиная с третьей оболочки. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ — вывод порядка заполнения • Сумма = 1: 1s. • Сумма = 2: 2s. • Сумма = 3: 2p (оболочка 2) заполняется раньше, чем 3s (оболочка 3) — та же сумма, но побеждает меньший номер оболочки. • Сумма = 4: 3p (оболочка 3) заполняется раньше, чем 4s (оболочка 4) — та же логика. • Сумма = 5: 3d (оболочка 3), затем 4p (оболочка 4), затем 5s (оболочка 5) — ничья между тремя числами разрешается таким же образом. 3d оказывается здесь, на одну сумму позже, чем 4s. РАЗДЕЛЫ 0:00 Введение: как на самом деле выглядят орбитали 0:10 Граничная поверхность и s-орбиталь 0:23 p-орбиталь: гантель, три орбитали от n = 2 вверх 0:40 d-орбитали: пять форм, четыре клеверных листа 0:57 d z-квадрат: две лепестка и кольцо 1:13 Почему форма начинает иметь значение: экранирование 1:42 Выгода: 4s-орбиталь заполняется раньше, чем 3d-орбиталь 1:52 Вывод порядка заполнения 2:23 Сумма 5: почему 4s-орбиталь побеждает 3d-орбиталь 2:34 Диагональная картина и ее ловушка строк 2:52 Краткий обзор 3:04 Далее: Принципы электронной структуры Это четвертое видео из серии «Квантовая теория и структура атома». Подпишитесь на канал Chemistry Cool, чтобы смотреть остальные видео из серии «Общая химия» — далее: Принципы электронной структуры. Общая химия · Квантовая теория и структура атома