Электронное строение атома. Периодический закон
8 Лекция № 2 и 3Электронное строение атома. Периодический закон. Квантово-механическая модель атома. Атомные орбитали. Квантовые числа. Правила заполнения электронами атомных орбиталей. Валентность. Периодический закон. Периодическая система. Теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц (электронов, атомов, молекул) и их систем (например, кристаллов). Массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел. Поэтому свойства и закономерности движения отдельных микрочастиц отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопических тел, изучаемых классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастиц описывает квантовая механика, которая основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов. Примерно в начале XX в. исследования явлений (фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями - квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать определённые значения, которые являются кратными частицами квантов. Предположение о квантовании энергии впервые было высказано М. Планком в 1900 г. и было обосновано Эйнштейном в 1905 г.: энергия кванта зависит от частоты излучения : , где (1) - постоянная Планка () Частота колебаний и длина волны связаны соотношением: ,где - скорость света. Согласно соотношению (1), чем меньше , тем больше энергия кванта и наоборот. Таким образом, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией, чем скажем радиоволны и инфракрасные лучи. Для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, так и корпускулярные представления: с одной стороны монохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длиной волны , с другой стороны оно состоит из микрочастиц - фотонов, переносящих кванты энергии. Явление дифракции электромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление. Так, вычислено, что за 1 год масса Солнца уменьшается за счёт излучения на . В 1924 г. Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частице массой , движущейся со скоростью , соответствует волна длиной : , (2) - импульс частицы. Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерферентного эффектов потока электронов. Согласно соотношению (2) движению электрона (, ) отвечает волна длиной , т.е. её длина соизмерима с размерами атомов. В 1925 г. Шрёдингер предположил, что состояние движения электрона в атоме должно описываться уравнением стоячей электромагнитной волны. Он получил уравнение, которое энергию электрона связывает с пространством Декартовых координат и так называемой волновой функцией , которая соответствует амплитуде 3-х мерного волнового процесса: , где - полная энергия электрона - потенциальная энергия электрона - вторая частная производнаяУравнение Шредингера позволяет найти волновую функцию как функцию координат. Физический смысл волновой функции в том, что квадрат её модуля определяет вероятность нахождения электрона в элементарном объёме , т.е. характеризует электронную плотность.Т. к. электрон обладает свойствами волны и частицы, мы не можем определить его положение в пространстве в определённый момент времени. Электрон размазан, т.е. делокализирован в пространстве атома. В этом заключается принцип Гейзенберга. Микрочастица, так же как и волна не имеет одновременно точных значений координат и импульса. Это проявляется в том, что чем точнее определяется координаты частицы, тем неопределеннее её импульс, и наоборот. Поэтому мы говорим о максимально вероятном нахождении электрона в данном месте в определённый момент времени. Та область пространства, где >90% находится электрон называется атомной орбиталью. Уравнение Шредингера имеет множество решений, но физически осмысленное решение только в определённых условиях. Для описания стоячей волны, образованной в атоме движущимся электроном, т.е. для нахождения волновой функции необходимы квантовые числа. В 3-х мерном пространстве 4-мя квантовыми числами описывается состояние электрона: Главное квантовое число характеризует удалённость электрона от ядра и определяет его энергию (чем больше , тем больше энергия электрона и тем меньше энергия связи с ядром). принимает целочисленные значения от 1 до . Состояние электрона характеризующееся различными значениями главного квантового числа , называется электронным слоем (электронной оболочкой, энергетическим уровнем). Они обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4, 5, … или соответственно буквами K, L, M, N, O …. Квантовое состояние атома с наименьшей энергией - основное состояние, а с более высокой - возбуждённое состояние. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии: . Побочное квантовое (орбитальное, азимутальное) число (принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1)). |
| | Орбиталь | | 1 | 0 | 1s | | 2 | 0,1 | 2s,2p | | 3 | 0,1,2 | 3s,3p,3d | | |
Состояние электрона характеризующееся различными значениями побочного квантового числа называется энергетическим подуровнем. В пределах каждого уровня с увеличением , растёт энергия орбитали. Каждому значению соответствует определённая форма орбитали (например, при - это сфера, центр которой совпадает с ядром). Магнитное квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве (принимает все целочисленные значения от - до +). Например, для . В пределах каждого подуровня орбиталь имеет одинаковую энергию. Спиновое квантовое число характеризует вращательный момент, который приобретает электрон в результате собственного вращения вокруг своей оси (принимает два значения: - вращение по часовой стрелке, - вращение против часовой стрелки). Атомные орбитали заполняются электронами в соответствии с 3-мя принципами: Принцип устойчивости (принцип min энергии): Каждая новая орбиталь заполняется только после того, как будут заполнены все предыдущие, т.е. более устойчивые (с min энергией) орбитали. Энергия атомных орбиталей возрастает следующим образом: Правило Клечковского: заполнение электронами атомных орбиталей происходит в соответствии с увеличением суммы главного и побочного квантовых чисел; если одинакова, то атомная орбиталь заполняется от больших и меньших к меньшим и большим . |
| | | Орбиталь | | 1 | 0 | 1 | 1s | | 2 | 0 | 2 | 2s | | | 1 | 3 | 2p | | 3 | 0 | 3 | 3s | | | 1 | 4 | 3p | | | 2 | 5 | 3d | | 4 | 0 | 4 | 4s | | | 1 | 5 | 4p | | | 2 | 6 | 4d | | | 3 | 7 | 4f | | 5 | 0 | 5 | 5s | | | 1 | 6 | 5p | | | 2 | 7 | 5d | | | 3 | 8 | 5f | | | 4 | 9 | 5g | | 6 | 0 | 6 | 6s | | |
Принцип Паули: в атоме не может быть 2 электрона, у которых 4 одинаковых квантовых числа. Следовательно, на 1-ой орбитали могут находиться не более 2-х электронов, отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа. Отсюда следует, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне , на энергетическом подуровне . Пример: Правило Хунда: электроны располагаются на орбиталях равной энергии таким образом, чтобы их суммарный спин был максимальный. Это означает, что первоначально электроны заполняют все свободные орбитали данного подуровня по 1-му, имея при этом параллельные спины, и только потом происходит заполнение этих орбиталей 2-ми электронами. Пример: Px Py Pz |
| K | L | M | | | 1 | 2 | | | | 3 | | | | | | | 0 | 0 | 1 | | | 0 | 1 | | | 2 | | | 0 | 0 | -1 | 0 | +1 | 0 | -1 | 0 | +1 | | | | v^ | v^ | v^ | v^ | v^ | v^ | v^ | v^ | v^ | | | | | | | | | | | | | | | |
Количество неспаренных электронов на внешнем уровне определяет валентность элемента, т.е. способность образовывать химические связи с другими атомами. В большинстве случаев, но не всегда. 5 4 4 3 3 2 2 1 1 Периодический закон (1869 г): свойства простых тел, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. До появления сведений о сложном строении атома основной характеристикой элемента служил атомный вес (относительная атомная масса). Развитие теории строения атома привело к установлению того факта, что главной характеристикой атома является положительный заряд ядра. В современной формулировке периодический закон звучит: свойства химических элементов, а также формулы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. Физической основой структуры периодической системы элементов служит определённая последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере роста порядкового номера элемента. В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают 4 типа элементов: - элементы (последним заполняется -подуровень внешнего энергетического уровня) - элементы (последним заполняется -подуровень внешнего энергетического уровня) - элементы (последним заполняется -подуровень предпоследнего энергетического уровня) - элементы (последним заполняется -подуровень 3-го снаружи энергетического уровня). Горизонтально располагаются периоды - последовательный ряд элементов, электронная конфигурация внешнего энергетического уровня которых изменяется от до . Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня. Вертикально располагаются группы - элементы имеющие сходное электронное строение. У элементов главной подгруппы последним заполняется и подуровни внешнего энергетического уровня, у элементов побочной подгруппы происходит заполнение внутренних и подуровней. Одинаковый номер группы, как правило, определяет число электронов, которое может участвовать в образовании химических связей. Вопросы для самоконтроляКвантово-механическая модель атома. Уравнения де Бройля и Шредингера. Принцип неопределенности Гейзенберга. Атомная орбиталь, квантовые числа. Правила заполнения электронами атомных орбиталей (принцип минимальной энергии, правило Клечковского, правила Паули и Гунда). Периодический закон Д.И. Менделеева. Периодическая таблица (периоды и группы).
|
