Принцип наименьшей энергии. Правило Клечковского

Одним из важнейших законов квантовой механики является принцип наименьшей энергии, носящий фундаментальный характер. Сеть его заключается в том, что электрон в атоме стремится занять состояние с наименьшей энергией, то есть находится на атомной орбитали наиболее близкой к ядру.

Клечко́вский Все́волод Маври́киевич (1900 —1972) — советский агрохимик.

Согласно принципу наименьшей энергии во многих случаях электрону энергетически выгоднее занять подуровень «вышележащего» уровня, хотя подуровень "нижележащего" уровня не заполнен. Именно поэтому в четвертом периоде сначала заполняется подуровень 4s и лишь после этого подуровень Зd.

Энергия электрона в основном определяется главным квантовым числом n и побочным квантовым числом l, поэтому сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и l является наименьшей. Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне 3d, так как в первом случае n + l = 4 + 0 = 4, а во втором n + l = 3 + 2 =5; на подуровне 5s (n + l = 5 + 0 = 5) энергия меньше, чем на 4d (n + l = 4 + 2 = 6); на 5р (n + l = 5 + 1 = 6) энергия меньше, чем на 4f (n + l = 4 + 3 = 7) и т.д.

Энергетическую последовательность заполнения подуровней можно представить так:

В.М. Клечковский впервые в 1961 г. сформулировал общее положение, гласящее, что электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимальным возможным значением n, а с наименьшим значением суммы n + l, если для двух подуровней суммы значений n и l равны, сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением n. Например, на подуровнях Зd, 4р, 5s сумма значений n и l равна 5. В этом случае происходит сначала заполнение подуровней с меньшими значениями n, т.е. Зd - 4р – 5s и т.д. В периодической системе элементов Менделеева последовательность заполнения электронами уровней и подуровней выглядит следующим образом:

Несмотря на приблизительность, правило Клечковского позволяет без сложных расчетов оценить энергии соответствующих подуровней и описать электронное строение атома в виде простой электронной формулы с указанием последовательности заполнения подуровней и их заполненности. Для окончательного понимания свойств элемента и характера распределения электронов по орбиталям необходимо использовать еще одно правило – Хунда.