Многолетний опыт автора данной статьи по преподаванию Периодического закона в рамках общеобразовательной дисциплины «Химия» свидетельствует о том, после ознакомления с этим самым правилом даже не слишком обременённый знаниями и интеллектом студент обычно не только самостоятельно выводит вышеуказанную последовательность заполнения АО, но и довольно-таки легко продолжает её далее. (В частности, без особых проблем делает вывод, что последний (пока что) седьмой период Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева должен завершаться элементом № 118, а с элемента № 121 должна начаться новая, пока что неизвестная категория химических элементов - т.н. «октадеканиды», каковых должно быть 18). А затем осуществляет заполнение этих самых АО электронами. Как уже упоминалось выше, при таком заполнении работает правило Хунда, согласно которому «суммарное спиновое квантовое число электронов данного подслоя должно быть максимальным» [5; 7]. В [7] на этот счёт дано дополнительное разъяснение, а именно: «Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон». Ну и, вероятно, для того чтобы сие положение было понятно не только обучающемуся студенту, но и, так сказать, «человеку с улицы», на этом же самом сайте приведено некое мнемоническое «правило трамвайного вагона»: «Ты приглядись, решив присесть/ К местам трамвайного вагона/ Когда ряды пустые есть/ Подсаживаться нет резона». Казалось бы, всё ясно, однако... возникают определённые проблемы, касающиеся относительного расположения электронов в рамках одной и той же АО (или, что то же самое, в пределах одного энергетического уровня). Дело в том, что согласно этому самому правилу при распределении, скажем, трёх электронов на пяти 3d-АО возможны, в частности, такие варианты, которые показаны на рисунке 1 (напомним в связи с этим, что отдельно взятые АО ныне принято отображать в виде отдельных чёрточек, а электроны на них - стрелками, причём стрелка, направленная вверх, символизирует электрон с условным направлением вращения вокруг своей оси по часовой стрелке, а стрелка, направленная вниз, - электрон с условным направлением вращения вокруг своей оси против часовой стрелки).
Рис. 2. Возможные взаимные расположения трёх электронов на пяти 3d-АО, не подпадающие под правило Хунда
Поскольку электрону, «стрелка» которого направлена вверх, условно придаётся положительное значение еще одного квантового числа, а именно спинового s = +1/2, а электрону, «стрелка» которого направлена вниз, s то получается, что первое из этих расположений характеризуется суммарным спиновым квантовым числом (+3/2), тогда как второе - суммарным спиновым квантовым числом (-3/2), а следовательно, правилу Хунда в его приведенной выше формулировке соответствует лишь первое из них, но никак не второе. Между тем оба эти расположения в действительности энергетически эквивалентны друг другу, и коли так, то в формулировке этого самого правила вместо словосочетания «суммарное спиновое квантовое число электронов» должно фигурировать: «модуль суммарного спинового квантового числа электронов». Это уточнение, безусловно, важно, но не это главное. Зададимся вот каким вопросом: ведь три электрона на этих же самых 3d-АО можно разместить еще не одним и не двумя разными способами, например, теми, что показаны на рисунке 2.
Могут ли быть на практике такие расположения электронов? Большинство студентов почти без тени сомнения отвечают на этот вопрос отрицательно. А в качестве аргумента в пользу такого вывода ссылаются... на приведенную выше формулировку правила Хунда (!), которая, действительно, не стыкуется ни с одним из четырех расположений электронов, показанных на Рис. 2 (хотя три последних, между прочим, вполне вписываются в упомянутое выше «правило трамвайного вагона»). На самом же деле такие расположения реально существуют, но никакого противоречия с правилом Хунда при этом не возникает, ибо данное правило относится к взаимному расположению электронов лишь в т.н. основном состоянии, т.е. состоянии с наиболее низкой энергией. Расположения же, показанные на Рис. 2, существуют, но имеют более высокие по сравнению с основным состоянием значения энергий (и называются собирательным термином «возбужденные состояния»). Так что в формулировку правила Хунда, равно как и в формулировку Периодического закона Д.И. Менделеева, следует внести определенные уточнения, и звучать данное правило, по мнению автора этих строк, должно следующим образом: «В основном состоянии (т.е. состоянии с наименьшим значением суммарной энергии) электроны располагаются таким образом, чтобы модуль суммарного спинового квантового числа электронов был бы максимальным». Заметим в связи с этим, что такова должна быть формулировка лишь первого правила Хунда, потому что на самом деле их не одно, а целых три, но обсуждение двух остальных, во-первых, уже явно выходит за рамки данной статьи, а во-вторых, для понимания сущности Периодического закона и его интерпретации с позиций современной теории строения атома они особого значения не имеют, и потому мы не будем на них останавливаться. Тем не менее все же заметим, что небольшое уточнение следует внести и в формулировку еще одного важного положения, имеющего пусть и меньшее, чем правила Клечковского и Хунда, но
все же достаточно существенное значение для понимания причин феномена периодичности, а именно принципа Паули, который следует давать в такой редакции: «В атоме не может быть даже двух электронов с одинаковыми значениями всех квантовых чисел». Эта формулировка, как нетрудно заметить, отличается от приведённой выше традиционной наличием лишь одного слова - «даже». На наш взгляд, оно здесь необходимо, ибо после ознакомления с традиционной формулировкой у любого думающего студента останется некий налёт неоднозначности - понятно, двух таких электронов быть не может, а вот три, четыре или ещё больше - может? Добавление слова «даже» эту неоднозначность однозначно - простите за невольный каламбур - устраняет.
В заключение данного повествования хочется напомнить пророческие слова самого творца Периодического закона, сказанные им уже после того, как закон прочно занял своё место в науке среди других основополагающих законов Природы: “Периодическому закону не угрожает разрушение, а лишь надстройка обещается”. И «надстройка» эта проявляется не только в создании весьма значительного (как минимум несколько сотен) числа вариантов интерпретации данного закона (т.н. периодических систем химических элементов [10; 11]), но и в уточнении формулировок как самого закона, так и тех положений, которые имеют к нему непосредственное отношение.
Литература
1. Менделеев Д.И. Соотношение свойств с атомным весом элементов // Журнал Русского химического общества. 1869. Т. 1. С. 60-67.
2. Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времён до конца XX века: Учеб. пособие. В 2 т. Долгопрудный: Интеллект, 2012. Т. 2. С. 120-174.
3. Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1965. Т. 1. 518 с.
4. Левченков С.И. Краткий курс истории химии. Ростов: Изд-во ЮФУ, 2013. С. 57-67.
5. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Изд. 8-е. СПб.: Лань, 2014.
6. Михайлов О.В. Альтернативные варианты Периодической системы химических элементов в учебном процессе // Высшее образование в России. 2016. № 5. С. 156-160.
7. Wikipedia. Правило Хунда. URL: https:// m.wikipedia.org/wiki/Правило_Хунда.
8. Клечковский В.М. К вопросу о последовательности термов в спектрах многоэлектронных атомов // Журнал эксперим. и теор. физики. 1953. Т. 25. № 2. С. 179-187.
9. Клечковский В.М. Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (п+1)-групп. М.: Атомиздат, 1968. 432 с.
10. ИмянитовН.С. Уравнения для...закона Менделеева // Природа. 2002. № 6. С. 62-69.
11. Mazurs E.G. Graphic Representations of the Periodic System During One Hundred Years. 2nd edition. Alabama, 1974. 224 c.
References
1. Mendeleev, D.I. (1869). [The Ratio of Properties with the Atomic Weight of Elements]. Zhurnal Russkogo khimicheskogo obtschestva [Journal of Russian Chemical Society]. Vol. 1, pp. 60-67. (In Russ.).
2. Mittova, I.Ya., Samoilov, A.M. (2012). Istoriya khimii s drevneishikh vremen do kontsa XX veka: Uchebnoe posobie [The History of Chemistry from Ancient Times to the End of the XXth Century: Tutorial]. Vol. 2. Dolgoprudnyi: Intellekt Publ., pp. 120-174. (In Russ.).
3. Nekrasov, B.V. (1965). Osnovy obshchei khimii [Basics of General Chemistry]. Vol. 1. Moscow: Khimiya Publ., 518 p. (In Russ.).
4. Levchenkov, S.I. (2013). Kratkii kurs istorii khimii [Brief Course of the History of Chemistry]. Rostov: Southern Federal Univ. Publ., pp. 57-67 (In Russ.).
5. Akhmetov, N.S. (2014). Obshchaya i neorganicheskaya khimiya [General and Inorganic Chemistry]. 8th edition. St.-Petersburg: Lan' Publ. (In Russ.).
6. Mikhailov, O.V. (2016). Alternative Versions of Periodic System of Chemical Elements in the Educational Process. Vysshee obrazovanie v Rossii = Higher Education in Russia. No. 5, pp. 156-160. (In Russ., abstract in Eng.).
7. Hund's Rule. Wikipedia. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Hund%27s_rules.
8. Klechkovskiy, V.M. (1953). [On the Question of the Sequence of Terms in the Spectra of Manyelectron Atoms]. Zhurnal experimental'noi i teoreticheskoi fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Chemistry. Vol. 25, no. 2, pp. 179-187 (In Russ.).
9. Klechkovskii, V.M. (1968). Raspredelenie atomnykh elektronov i pravilo posledovatel'nogo zapolneniya (n+l)-grupp [Distribution of Atomic Electrons and the Rule of Sequential Filling of (n+l)-Groups]. Moscow, 432 c. (In Russ.).
10. Imyanitov, N.S. (2002). [Equations for ... Mendeleev's Law]. Priroda = Nature. No. 6, pp. 62-69 (In Russ.).
11. Mazurs, E.G. (1974). Graphic Representations of the Periodic System During One Hundred Years. 2nd Edition. Alabama, 224 p.