Энергии атомных орбиталей

Атомные орбитали имеют разную энергию, что объясняется кулоновскими взаимодействиями, эффектом экранирования и проникновением орбит. Закон Кулона указывает на то, что сила притяжения или отталкивания между двумя заряженными частицами имеет обратную квадратичную зависимость от расстояния между ними. Размеры атомных орбиталей увеличиваются с увеличением числа оболочек, и электроны отталкиваются от пространства, занимаемого орбиталями нижних оболочек.Таким образом, закон Кулона предполагает, что по мере увеличения числа оболочек электроны испытывают меньшее притяжение к ядру, что соответствует более высоким орбитальным энергиям. Кроме того, электроны, которые находятся примерно на том же расстоянии от ядра или ближе к нему, создают экранирующий эффект, который еще больше снижает притяжение к ядру. Чем больше экранирование, тем меньше ощущается притяжение к ядру.Это одна из причин различий в орбитальных энергиях внутри электронных оболочек. Например, 3s-и 3p-электроны значительно экранируют 3d-электроны. Эффективный заряд ядра, воспринимаемый электроном, рассчитывается путем вычитания константы экранирования S, которая зависит от количества экранирующих электронов и занимаемых ими подуровней, из атомного номера.Например, два 1s-электрона в литии, имеющем атомный номер три, экранируют его 2s-электрон. Константа экранирования для этого электрона определяется по полуэмпирическим правилам и равна 1, 7. Следовательно, эффективный заряд ядра, воспринимаемый 2s-электроном, равен 1, 3.Форма орбиталей также определяет их энергию. Если электроны на внешней орбитали могут перемещаться далеко в области, занятые внутренними электронами, чтобы быть ближе к ядру, они будут намного меньше экранироваться там. Таким образом, энергия этой внешней орбитали ниже.Это можно визуализировать с помощью функции радиального распределения, описывающей вероятность обнаружения электрона на заданном расстоянии от ядра. Графики функции радиального распределения для подуровней 1s, 2s и 2p показывают, что 2s-электроны имеют довольно низкую вероятность нахождения рядом с ядром, тогда как 2p-электроны в основном остаются за пределами или на внешнем крае 1s-области. Поэтому говорят, что орбиталь 2s обладает большей проникающей способностью.В третьей оболочке 3s-электроны проникают больше всего, а 3d-электроны проникают меньше всего. Как правило, орбитальная энергия атома возрастает с увеличением номера оболочки, а для под-уровней от s к f. Однако эффект проникновения становится настолько значительным в четвертой и пятой оболочках, что орбитали 4s и 5s часто имеют более низкие относительные энергии, чем орбитали 3d и 4d соответственно.