Используя данную выше характеристику квантовых чисел, можно постепенно продолжать построение электронных структур элементов посредством заполнения энергетических уровней электронами, начиная с самого низкого уровня 1s. При этом следует руководствоваться двумя важными правилами, приведенными ниже.

Рис. 1.3 Распределение электронов, рассчитанное из волнового уравнения для орбиталей s, p и d [2, р. 38] (сопоставьте с рис. 1.7).

1. Принцип исключения, сформулированный Паули, утверждает, что два электрона не могут иметь совершенно одинаковый набор квантовых чисел. Это означает, что два электрона способны занимать одно и то же суборбитальное пространство (например, 1s или 2p и т.д.), только если они обладают противоположно направленными спинами. Когда же два электрона занимают одну орби-таль, то их называют спаренными.

2. Правило наибольшей мулыпиплетности. Это эмпирическое правило гласит, что электроны избегают находиться на одних и тех же орбиталях. Поэтому в каждой из групп р, d или f в первую очередь заполняется как можно больше орбита-лей различной ориентации, прежде чем начнется какое-либо спаривание электронов.

Построение атомных конфигураций по этим принципам приводит, естественно, к известному пространственному расположению, присущему периодической системе элементов (см. Приложение IV). В табл. 1.1 показан процесс заполнения

Таблица 1.1 Электронная структура первых десяти элементов

энергетических уровней для первых десяти элементов. Из нее видно действие двух приведенных выше правил, согласно которым электроны на одинаковых орбиталях имеют противоположно направленные спины. Так, при переходе от бора к азоту сначала заполняются три орбитали р, прежде чем происходит спаривание электронов.

В полном объеме электронные конфигурации элементов даны в табл. 1.2. Из нее видно, что максимальное число электронов в оболочке равно 2n², где п — главное квантовое число. Важно отметить также, что у аргона (Z = 18) оболочка M оказывается временно заполненной восемью электронами и при этом начинает заполняться оболочка N. Оболочка M снова начинает застраиваться у скандия (Z = 21) с появлением электрона на ор-битали 3d. У меди (Z = 29) эта оболочка полностью укомплектована 18 электронами, а после цинка (Z = 30) снова начинает расширяться оболочка N. Ряд скандий-цинк охватывает переходные элементы. Похожее явление с оболочкой N наблюдается у Y (Z — 39), тогда как оболочка О заполняется у лантана, а оболочка N вновь увеличивается у церия, пока не достигнет предельного максимума из 32 элементов у иттербия. Последний ряд переходных элементов начинается с актиния (Z = 89).

Поскольку на способность элементов вступать в химическую связь доминирующее влияние оказывают внешние электронные орбитали, рассмотренные ряды переходных элементов охватывают элементы, которые хотя и возрастают по атомному номеру, но имеют очень близкие химические свойства. Эта особенность наиболее четко проявляется у редкоземельных элементов, чьи химические свойства столь близки, что их химическое разделение представляет большие трудности.