Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Электронные оболочки атомов, квантовые числа. Основные принципы заполнения электронной оболочки атомов.
Согласно современным представлениям, электрон обладает одновременно свойствами волны и частицы, поэтому для описания его поведения нельзя пользоваться привычными характеристиками, такими как скорость и траектория движения. Вместо этого используют полную энергию электрона (сумма потенциальной и кинетической энергии) и вероятность обнаружения электрона в заданной области пространства. Состояние электрона в атоме характеризуется волновой функцией, являющейся решением волнового уравнения Шредингера. Из математического анализа уравнения вытекает дискретность значений энергии электрона, момента количества орбитального движения и проекции этого момента на выделенное в пространстве направление. Дискретность выражается квантовыми числами: главным – n, орбитальным – l, магнитным – ml . Четвертое квантовое число – ms, называют спиновым. Волновая функция при определенных значениях трех квантовых чисел (n, l,ml) описывает состояние электрона, характеризующееся так называемой атомной орбиталью (АО). Каждой АО соответствует область пространства определенного размера, формы и ориентации, равноценная понятию электронного облака. Электронное облако не имеет четких границ, в связи с этим введено понятие граничная поверхность, т.е. поверхность с равной электронной плотностью, ограничивающая объем, который включает 90% заряда и массы электрона. Форма и размер граничной поверхности считается формой и размером электронного облака. Главное квантовое число n определяет энергию электрона в атоме и среднее удаление электрона от ядра. n принимает целочисленные значения от 1 до ∞. В многоэлектронных атомах электроны с одинаковыми значениями n образуют слой или уровень, обозначаемый буквами (K, L, M, N, O, P и Q) или цифрами. Буква K соответствует первому уровню, L – второму и т. д. Уровень содержит строго определенное число электронов – максимально N= 2n2, где N – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра) или главное квантовое число. В соответствии с уравнением, на первом, ближайшем к ядру, энергетическом уровне может находится не более двух электронов, на втором – не более 8, на третьем – не более 18, на четвертом – не более 32. Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. То есть, наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня, электроны последующих уровней характеризуются большим запасом энергии. Поэтому они менее прочно связаны с ядром, вследствие чего могут принимать участие в образовании химических связей. Бесконечно большое значение n говорит о том, что электрон находится на бесконечно большом расстоянии от ядра, т. е. является свободным, или не связанным с ядром.
Из периодической системы для любого элемента, находящегося в невозбужденном состоянии, по номеру периода можно определить максимальное число энергетических уровней атома (№ периода = n) и то, какой энергетический уровень является внешним. Например, элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n = 5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5). Начиная со значения главного квантового числа n = 2, энергетические уровни (слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром и характеризующиеся орбитальным квантовым числом l. Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый уровень имеет один подуровень, второй уровень – два, третий - три и т. д. Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Атомная орбиталь – это область пространства около ядра, в котором вероятность нахождения электрона наиболее велика (≈ 90 %). То есть, энергетическим подуровнем называется совокупность электронов с одинаковым значением n и l, поскольку орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию. Побочное (орбитальное или азимутальное) квантовое число l определяет энергию электрона на подуровне и форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до (n –1) (l = 0, 1, 2, …, (n –1)). Независимо от номера энергетического уровня, каждому значению орбитального квантового числа l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 атомная орбиталь имеет сферическую форму (s- орбиталь). Она самая устойчивая и располагается довольно близко к ядру. Значению l = 1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (p-орбиталь). Изменение формы объясняется тем, что чем дальше располагается электрон от ядра, чем больше возрастает его энергия в атоме, тем быстрее он вращается, тем сильнее вытягивается область его пребывания и наконец превращается в гантелеобразную p-орбиталь Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие более высоким значениями l, равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали). Таким образом, каждому цифровому значению соответствует буквенное:
По цифровому значению l можно рассчитать число электронов на энергетическом подуровне: максимально N = 2(2 l +1), где N – число электронов; l – номер подуровня. Магнитное квантовое число m l определяет пространственное расположение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2 l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве. Для s- орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует ml = 0. Гантелеобразные p-орбитали могут занимать три положения (2 l + 1 = 3) вдоль осей координат пространства x, y и z: ведь все электроны заряжены отрицательно, поэтому электронные облака взаимно отталкиваются и стремятся разместиться как можно дальше друг от друга. Орбитали d- (2 l + 1 = 5) и f- (2 l + 1 = 7) могут занимать пять и семь положений соответственно. Форма и ориентация s-, p- и d-орбиталей изображена на рисунке 1.
Квантовые числа n, l и ml не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установлено, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число ms имеет только два значения ms = ±1/2, соответствующие противоположным направлениям вращения. Электроны с разными ms обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз. Все вышесказанное можно обобщить с помощью таблицы:
|